Brevet FR2468093A1 — publié le 19810430

1.- 2468093 L'invention concerne un condenseur dans lequel l'échange de chaleur entre deux milieux provoque -la rcondensati d'un fluide gazeux. Il existe différents types de:ondenseurs parmi lesquels les condenseurs de type à plaque et les condenseurs c type à tubes, mais le problème commun qui se pose à tous ces condenseurs pour améliorer les performances de transfert de chaleur, est lié au coefficient de pellicule caractérisant la facilité avec laquelle le transfert de chaleur se fait sur la surface de transfert de chaleur. Le coefficient de pellicule e donné par le rapport de la conductibilité thermique de la pell cule liquide à épaisseur de celle-ci. Par suite ce coefficien de pellicule est déterminé par les conditions dans lesquelles le liquide condensé adhère à la surface de transfert de chaleu Quand on considère ces conditions d'adhérence du liquide condensé à la surface de transfert de chaleur on constate qu'un film de liquide condensé descend sur la totalit de la surface de transfert de chaleur se trouvant en face d'un espace dans lequel on introduit le milieu gazeux à condenser ce milieu gazeux étant par exemple de la vapeur d'eau. On constate également que ce film ou pellicule de liquide augment progressivement d'épaisseur au fur et à mesure du processus de condensation jusqu'à ce qu'il coule de son propre poids ou soi entrainé par le courant de vapeur pour descendre le long de la plaque de transfert de chaleur. Comme cette pellicule de liquide coulant le long di la surface de transfert de chaleur bloque le contact thermique entre cette surface et le milieu gazeux, et comme l'épaisseur de cette pellicule augmente progressivement vers le bas de la surface de transfert de chaleur, le coefficient de pellicule augmente très vite vers le bas de la surface de transfert de chaleur en réduisant ainsi considérablement les performances de transfert de chaleur. Par suite, pour améliorer ces perfor- mances sur l'ensemble de la surface de transfert de chaleur su] laquelle le milieu gazeux se condense, il est nécessaire d'empêcher l'épaisseur de la pellicule de liquide condensé de devenir trop importante sur l'ensemble de la surface de transfert de chaeur. Pour répondre à ce besoin on utilise classiquement une surface de transfert de chaleur munie de rainure ou de cannelures. Dans une telle structure de surface de transfert de 2,- 2468093 chaleur on amène le milieu à condenser, de la vapeur d'eau par exemple, sur la surface de condensation tournée vers ce milieu gazeuix, ce milieu étant refroidi par l'autre milieu, tel que de l'eau par exemple, qui sert de liquide de refroidissement et qui produit une condensation collectée ensuite dans les parties en creux (vues du côté 'du milieu gazeux à condenser) des canne- lures de la surface de transfert de chaleur. Cette localisation du liquide condensé dans les parties en creux se fait sous l'effet de la tension de surface, et ce liquide coule ensuite dans ces parties en creux; cela permet de conserver comme surfaces de transfert de chaleur les sommets des cannelures non recouverts par une pelliculle épaisse de condensation. Cette structure de surface de transfert de chaleur permet de diminuer la surface relative de la pellicule de liqui- de de condensation coulant le long de la plaque; inversement la surface utile de transfert de chaleur non recouverte par une pellicule épaisse de condensation se trouve augmentée, ce qui améliore les performances de transfert de chaleur. L'invention a pour but de perfectionner la structure décrite ci-dessus de surface de transfert de chaleur munie de rainures ou de cannelures, en tenant compte du fait que les valeurs optimales à choisir pour le pas et la profondeur des cannelures de lasurface de transfert de chaleur, dépendent de la nature du liquide de condensation et en particulier de la tension superficielle de celui-ci, Compte tenu de cette caracté- ristique, l'invention a pour but de créer une structure de surface de condensation présentant les performances optimales de transfert de chaleur pour traiter des fluides organiques dont la tension superficielle ne dépasse pas 35 dyne/cm. A cet effet l'invention concerne un condenseur pour fluides organiques gazeux, dont la tension superficielle ne dépasse pas 35 dyne/cm, caractérisé en ce que chacune des surfa- ces de transfert de chaleur et de condensation, ese munie d'un certain nombre de rigoles verticales espacées transversalement, le pas et la profondeur de ces rigoles étant respectivement de 1 à 2 mm et de 0,3 à 0,6 mm. Selon l'invention, le liquide de condensation se formant sur la surface de transfert de chaleur sur laquelle se condense le milieu gazeux, se rassemble dans les creux ctest-à- 3.-çq 2468093 dire dans les rigoles zcllectrice3 de liquide des -annelures. sous l'effet de la tension superficielle: et ce iiquide -Ile dans les rigoles de sorte que les sommets des cannelures sont en contact direct ou par l'inrtrmédiaire d'une pellicule de liquide très mince, avec le milieu gazeux. Il en résilte que la surface de transfert de cha14e1r présente dans son ensemble une pellicule de condensation d'épaisseur très réduite, ce qui améliore considérablement les performan-es de transfert de chaleur. Ces caractéristiques ainsi que d'autres avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit et qui se réfère aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue partielle, en perspective, d'une surface de transfert de chaleur selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1; - la figure 3 est un graphique représentant la relation entre le pas des cannelures formées sur la surface de transfert de chaleur, et le coefficient de transfert de chaleur global de cette surface, - la figure 4 est une vue relativement schématique représentant en coupe la partie essentielle d'un condenseur de type à plaques, - la figure 5 est une vue en coupe d'une variante de réalisation du condenseur de la figure 4, et la figure 6 est une vue en coupe d'une autre variante de réalisation du condenseur de la figure 4. Les figures 1 et 2 représentent, à titre d'exempe, une forme de réalisation de l'invention s'appliquant à un condenseur de type à plaques comprenant un certain nombre de plaques élémentaires de transfert de chaleur 1. Chaque plaque 1 est cannelée, les creux et les bosses de ces cannelures étant repérés respectivement par les références 3 et 4 lorqu'on regarde le côté de la surface de transfert de chaleur 2 sur lequel le milieu gazeux se condense. La condensation se présentant sous la forme de gouttelettes initialement formées sur la totalité de la surface de transfert de chaleur, se rassemble en gouttes plus grosses avant de couler sous forme de pellicule liquide épaisse, les gouttes ne se rassemblant que dans les creux 3 sous l'effet de la tensicn de surface comme indiqué par la référence 5, et coulant sous l'effet de leur prpre poids et du:ourant de gaz. Ainsi le liquide condensé se rassemble pour couler le long des creux c'est-à-dire des rigoles rcllectri'es 3. Par suite les bosses 4 des cannelures sont en contact direct ou par l'intermédiaire d'une pellicule liquide extrêmement fine, avec le milieu gazeux, de sorte que la surface de transfert de chaleur 2 présente dans son ensemble une partie recouverte de liquide beaucoup moins importante, cette pellicule de liquide épaisse étant nuisible aux performances de transfert de chaleur. Sur la surface de transfert de chaleur 2, les différentes rigoles collectrices de liquide 3 sont disposées verticalement et espacées transversalement. Gomme indiqué ci- dessus, les valeurs optimales de pas p et de profondeur d des rigoles collectrices de liquide dépendent de la nature du liquide -ondensé, et en particulier de sa tension superficielle. L'invention est destinée à créer une structure de surface de transfert de chaleur et de condensation optimisée pour traiter des fluides organiques tels que l'ammoniaque et le Freon 114 dont la tension superficielle ne dépasse pas 35 dyne/cm, ces corps à l'état gazeux constituant la vapeur à condenser. A ce sujet la tension superficielle de l'ammoniaque est de 35 dyne/cm et celle du Freon 114 est de 15 dyne/cm. Comme on peut le constater sur la figure 3 qui représente la relation entre le pas p des rigoles collectrices de liquide 3 et le coefficient de transfert de chaleur global de la surface de transfert de chaleur 2, pour des expériences réalisées sur l'ammoniaque et le Freon 114, la valeur optimale de p est d'environ 1 mm pour l'ammoniaque et 1,5 mm pour le Freon 114. Cela montre que le pas p des rigoles collectrices de, liquide 3 doit être plus grand pour un fluide de tension super- ficielle plus faible. Cependant si ce pas p dépasse 2 mm environ, le coefficient de transfert de chaleur global. commence à décroître. On peut ainsi constater que si l'on utilise comme milieu gazeux à condenser, un fluide organique dont la tension de surface ne dépasse pas 35 dyne/cm, le pas p des rigoles collectrices de liquide 3 formées sur la surface de transfert de -.haleur et de condensation, doit de préférence être de l'ordre de 1 à 2 mm. 5.- 2468093 La profondeur d des rigoles collectrices de liquide 3 est étroitement liée au pas p, comme décrit -i-dessus, et pou des fluides organiques de tension de surface ne dépassant pas dyne/cm, on a constaté que la profondeur d devait de préfé- rence être environ le tiers du pas p, c9est-à-dire plus con- crètement de l'ordre de 0,3 à 0,6 mm. Bien que l'invention ait été décrite jusqu'ici comm s'appliquant à un condenseur de type à plaques, l'invention ne se limite pas à cette utilisation particulière et peut aussi bien s'appliquer à des condenseurs utilisant d'autres types de surfaces de transfert de chaleur et de condensation, comme des tubes par exemple. Dans la structure de surface de transfert de chaleu à cannelures décrite ci-dessus, il serait nécessaire, dans le c d'un condenseur de type à plaques, de prévoir des entretoises convenables montées aux bons endroits sur les surfaces de transfert de chaleur, pour maintenir un espacement convenable entre plaques adjacentes. En effet le fait de placer les plaque adjacentes en butée les unes contre les autres par leur crêtes en saillie aurait pour conséquence de réduire la surface de ces crêtes et par conséquent la surface utilise de transfert de chaleur, en réduisant ainsi les performances du condenseur. Cependant, du point de vue de la solidité et de la résistance à la pression il n'est pas souhaitable de ne compter que sur ce entretoises pour supporter les plaques et maintenir la bon espacement entre celles-ci. De plus, si l'on utilise un fluide organique de volume spécifique plus petit que celui de la vapeur d'eau, comme par exemple de l'ammoniaque ou du furan. il est nécessair de prévoir une section d'espacement entre plaques adjacentes plus petite que dans le cas de la vapeur dkau, ce qui entra ne nécessairement d'amener les crêtes en butée ou du moins extrè- mement près les unes des autres, comme décrit ci-dessus, en réduisant ainsi les performances de condensation. Une autre solution consisterait à utiliser deux types d'entretoises, l'un pour réduire l'espacement des plaques côté milieu gazeux, et l'autre, pour augmenter l'espacement des plaques côté milieu liquide, mais cela compliquerait beaucoup les opérations de montage. Les figures i à 6 représentent une forme de réali- 6.- 2468093 sati3n d'un condenseur de type à plaques destiné à résoudre les problèmes ci-dessus. Ce condenseur comprend un certain nombre de plaques élémentaires vertirales montées de manière à d4finir entre des des espaces destinés à recevoir deux milieux en échange thermique, chaque plaque étant munie d'un certain nombre de crêtes ou nervures verticales espacées transversale- ment et faisant saillie dans les espaces contenant le milieu gazeux à condenser. Ces nervures viennent buter contre la surface de la plaque adjacente opposée. Le liquide condensé se rassemble et coule lelong des zones adjacentes o les nervures viennent buter contre les surfaces des plaques. Ces nervures servent d'entretoises permettant de maintenir l'espa- cement entre les plaques adjacentes, et servent également à renforcer les plaques. Dans cette structure les plaques ont une plus grande solidité et une meilleure résistance à la pression de sorte que le traitement en grandes quantités devient possible. De plus la collecte et l'évacuation du liquide condensé des surfaces de transfert de chaleur se font mieux, ce qui améliore les performances de transfert de chaleur. D'autre part en choisissant et en combinant convenablement la hauteur, la largeur, le pas et le nombre des nervures, on peut régler la section et l'espacement des plaques destinées à recevoir les deux milieux, en fonction de la nature du fluide à traiter. Cet avantage est particulièrement intéressant lorsqu'on utilise comme milieu gazeux de l'ammoniaque, du furan, ou autres fluides analogues. Sur la figure 1 le condenseur de type à plaques comprend un certain nombre de plaques élémentaires la - if entre lesquelles sont définis les espaces A destinés à recevoir le milieu gazeux à condenser, ce milieu gazeux étant l'un des deux milieux en échangb thermique. Les espaces A sont alternés avec les espaces B destinés à recevoir l'autre milieu constituant le milieu de refroidissement. Chacune des plaques la - if est munie d'up certain nombre de nervures 2a - 2f solidaires les unes des autres dans l'exemple illustré ici. Ces nervures sont disposées verticalement et espacées transversalement. *Dans chaque plaque les nervures font saillie dans l'espace A du milieu à condenser, et dans chaque paire de plaques adjacentes les nervures de chaque plaque sont décalées d'une quantité convenable (1/2 pas dans l'exemple illustrr i i), de manière à venir buter c--,ntre les surfaces plates de la plaque oppcsée. De cette manière les nervures 2a - 2f divisent l'espace A en un certain nombre de petites sG-tions A'. En d'autres termes la seti:ir de lspe A est5 réduite d'une Quantité correspondant au produit du nombre de nervures par la section de chacune d'elles, tandis que la section de l'espane B est augmenté de cette même quantité. Cette caractéristique est avantageuse quand le milieu gazeux à condenser est un fluide organique de faible volume spécifi- que tel que de l'ammoniaque ou du furan. De plus, dans ce type de ccndenseur o uln milieu gazeux est condensé par le refroidissement d. à un milieu liquide, la pression du milieu liquide est plus élevée que cell du milieu gazeux de sorte que la différence de pression agit dans le sens tendant àcomprimer les espaces A contenant le milieu gazeux, ce qui risque d'endommager les plaqu'es. rependar dans la forme de réalisation décrite ci-dessus9 les nervures 2a - 2f évitent ce risque de détérioration en augmentant. la résistance à la pression et la solidité des plaques, e+ en augmentant ainsi la capacité de traitement du condenseur. Dans la disposition de la figure 4, le milieu gazeux introduit dans les espace A descend le long des surfaces de plaques verticales et se condense par échange de chaleur a'v le milieu réfrigérant introduit dans les espaces adjacents B, cet échange de chaleur se faisant à travers les parois des plaques. Le liquide de condensation obtenu est évacué par effet de tension superficielle, vers les angles situés entre les nervures 2a 2f et les surfaces de plaques la - If contre lesquelles elles viennent buter. Ce liquide coule ensuite exclt sivement le long de ces angles. Ainsi, dans les surfaces de transfert de chaleur el de condensation sur lesquelles le milieu gazeux se óndense, 1l proportion des surfaces non recouvertes par une pellicule de liquide empochant les échanges thermique, se trouve notablement augmentée. Cela permet d'obtenir une collecte et une évacuatior très efficaces du liquide de condensation à partir des surfaces de transfert de chaleur, re qui amélicore les performances de transfert de chaleur du condenseur. Dans la forme de réalisation représentée sur la no-. 2468093 figure 5: le condenseuir utilise des plaques 10 munies de nervures 12 disposées une par une à distances égales, et des plaques 11 munies de nervures 13 et,4 disp-sées deux par deux à distances égales. Cette dispositicn amélire encore l'effet obtenu dans la forme de réalisation de la figure 4e Les plaques représentées sur la figure 6 sont de même forme que celles de la figure 5, la seule différence étant qu'elles sont simplement alteznées dans le mAme sens. Les caractéristiques obtenues scnt sensiblement les mêmes que celles décrites ci-dessus. Bien qu'on ait décrit ici les formes actuellement préférées de réalisation des différentes caractéristiques de l'invention, il est évident pour les spécialistes de la question que de nombreuses modifications et variantes sont possible sans sortir du cadre de l'inventiono 9.- 2468093 REVENDICATIONS 1o.- Condenseur pour fluides organiques gazeux, dont la tension superfici-lie ne dèpasse pas 35 dyne/cm, con- denseur caractérisé en ce que Chaune des strfaces de transfert de chaleur et de condensatisn est munie d'un:irain nimbre de rigoles verticales espacées transversalement- le pas et la profondeur de ces- rigoles étant respectivement de I à 2 mm et de 0,3 à 0,6 mm. 2.- Condenseur selon la revendication 1, de type à plaques, caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre de plaques élémentaires montées ensemble de manière à définir des espaces destinés à recevoir deux milieux en échange ther- mique, chacune de ces plaques élémentaires comportant un certain nombre de nervures verticales espacées transversalement ces nervures faisant saillie dans les espaces destinés à recevoir le milieu gazeux à condenser, et venant buter contre la surface de la plaque adjacente opposée.