Brevet FR2477276A1 — publié le 19810904

24-77276 La présente invention concerne un procédé et une installation de réchauffement d'un fluide froid par échange thermique avec un liquide chaud, dont la température de con- gélation est supérieure à la température du fluide froid avant réchauffement. Dans les dispositions connues, on conforme le fluide froid à réchauffer en au moins un courant à extension principale verticale, généralement avec une section trans- versale circulaire, et on fait échanger thermiquement ledit courant avec ledit liquide chaud s'écoulant à ruissellement io extérieurement et coextensivement au dit courant. Généralement, la circulation du fluide à réchauffer est emlusivement ascen- dante, c'est-à-dire que le transfert thermique est effectué purement à contre-courant entre le fluide et le liquide. Cette façon de faire présente certains inconvénients dont le principal est que l'eau de ruissellement devient de plus en plus froide, au niveau du fluide le plus froid ce qui présente, notamment, des risques de prise en glace en parti- culier lorsque l'eau entrante est déjà à température peu élevée, par exemple 4 Ce La présente invention vise un procédé o l'inconvé- nient mentionné ci-dessus est éliminé et ce procédé se carac- térise en ce que chaque courant à extension verticale comprend au moins une section descendante et une section ascendante, les deux sections étant soumises à l'échange thermique avec le liquide de réchauffement ruisselant jusqu'à l'extrémité infé- rieure des dites sections de courant du fluide à réchauffer. Ainsi le fluide à réchauffer entre au sommet d'une-section et se réchauffe d'abord à concourant avec le liquide de ruissel- lement. Le fluide à réchauffer aborde donc la section suivante à contrecourant à l'état déjà partiellement réchauffé. Grâce à cette disposition, on a la possibilité d'accroître le flux thermique au nivoe de l'entrée du fluide à réchauffer, d'assurer un refroidissement plus poussé de l'eau en diminuant ainsi le débit pompé, et de réduire au strict minimum le nombre de 3.5 sections d'échange thermique. 2 2477276 La présente invention a également pour objet une installation de réchauffement d'un fluide froid par échange thermique avec un liquide chaud, du genre comprenant des pas- sages d'échange thermique à extension substantiellement ver- ticale avec des moyens de distribution d'un liquide de ruis- sellement à l'extrémité haute des passages et cette installa- tion se caractérise en ce que lesdits passages comprennent au moins un module avec au moins une première section de passage, ou section de passage dit amont, reliée par raccord à son extrémité inférieure à l'extrémité inférieure d'au moins une seconde section de passage, ou section de passage aval, et des moyens d'alimentation en fluide à réchauffer à l'extrémité supérieure de chaque section de passage amont. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue partielle en coupe verticale d'une installation de réchauffement de liquide cryogénique selon l'invention; - la figure 2 est un détail, à échelle agrandie, d'une partie de la figure 1; - la figure 3 est une vue,à échelle agrandie, en coupe selon la ligne III-III de la figure 2; - les figures 4 - 5 - 6 - 7 8 et 9 sont des variantes de réalisation d'une installation selon l'invention. En se référant aux figures 1 à 3, on voit qu'une installation comprend une pluralité de tubes- de réchauffement 1 formant passages d'échange thermique, réalisés en aluminium, chacun constitué d'une section de tube "amont" 2 et d'une 3o section de tube "aval" 3, raccordés par un coude inférieur 4. LÈlément de tube amont 2 est branché par une canalisation 5 à une alimentation en fluide à réchauffer par l'intermédiaire d'une boîte de raccordement 10, tandis que l'élément de tube aval 3 est branché directement à une conduite 6 de soutirage de fluide réchauffé: les sections de tube 2 et 3 sont sus- pendues de façon à être disposées substantiellement verticale- ment, et tout autour et le long de ces tubes, qui présentent des 3 2477276 ailettes extérieures 7, ruissellent des courants de liquide de réchauffement sous forme de nappes 8 et 9 qui sont préalable- ment formées par des dispositifs de répartition supérieurs 11. La boite de raccordement 10 comprend ici (voir figure 2) soudés en prolongement de la section de tube amont 2, un tube-enveloppe 12 ayant une épaisseur de paroi constante dans une section basse 12' et croissante radialement vers le haut dans une partie médiane 121t, avec un diamètre intérieur cons- tant; à l'extrémité supérieure, ce tube-enveloppe 12 se pro- longe en 13 jusqu'à un embout de raccordement 14 de la canali- sation 5 pour le fluide froid. Toutes ces pièces sont réalisées en aluminium pour être convenablement soudées entre-elles et avec le tube d'échange thermique 1o L'embout 14 présente un alésage interne de faible diamètre 16 dans lequel est soudé un élément de conduit 17 aboutissant largement à l'intérieur de la section tubulaire amont 2. Entre l'élément de conduit 17 d'une part et d'autre part le tube-enveloppe 13 - 12 et la partie supérieure de la section de tube 2 est placé un produit d'isolation ther- mique 18. L'ensemble qui vient d'être décrit est logé à l'in- 2o térieur d'une cheminée tubulaire de répartition 20 présentant une couronne de perforations 21. Cette cheminée 20 est fixée sur le dispositif de répartition 11 entourant à distance l'élément de tube 2 et les perforations 21 se situent au niveau supérieur de la partie 12" à épaisseur surdimensionnée. En pratique, et comme on le note aux dessins1le liquide de ruissellement, qui est destiné à s'écouler en nappes telles que 8 et 9 le long des sections de tube amont 2 et aval 3, provient d'une réserve géné- rale de liquide 25, qui elle-même est alimentée par un puits 25'. En fonctionnement, le liquide de ruissellement est transféré dans une partie inférieure de la cheminée de réparti- tion 20 sous forme d'une pluralité de veines liquides 26 pro- venant de la réserve 25 et formées à partir des perforations 21. Grâce à la disposition qui vient d'être décrite, le fluide très froid qui circule à l'intérieur de la canalisation 5 et du tube 17 pour aboutir à la section de tube amont 2'est radiale- ment isolé de l'extérieur par le corps isolant 18. En outre, on - 4 2477276 note que le flux frigorifique longitudinal important, qui prend essentiellement naissance, c6té amont, au niveau de l'embout 14 et qui se propage vers l'aval le long du tube-enveloppe 13 - 12 vers la section de tube 2, est dérivé radialement vers l'ex- térieur à l'endroit du tube-enveloppe 12 à épaisseur de paroi progressivement croissante vers l'amont. En effet, dans la partie médiane de forte épaisseur 12" du tube-enveloppe 12, le flux frigorifique longitudinal se transfère au maximum vers l'eau qui se présente sous forme de rigoles 26 en écoulement gravifique libre et rapide. Cet effet maximum de transfert ther- mique radialement vers l'extérieur résulte d'une part de la disposition, au niveau des rigoles 26, d'une surépaisseur impor- tante de paroi de la partie 12"1 du tube-enveloppe 12, qui offre une conductance thermique accrue dans le sens radial, d'autre part d'un écoulement rapide de l'eau en chute libre, ce qui por- te à sa valeur maximale le coefficient d'échangethermique. Cette disposition permet donc une dérivation substantielle vers les rigoles liquides 26 d'une part importante du flux frigorifique à propagation longitudinale, ce qui-allège d'autant le flux fri- gorifique résiduel poursuivant sa propagation longitudinale dans la partie à paroi plus faible 12t et surtout vers la tête 2' de la section de tube 2 qui baigne dans une réserve individuelle d'eau de répartition 29 de nature substantiellement stagnante, donc à faible coefficient d'échange thermique avec la paroi de l'élément de tube 2. Sans la disposition décrite plus haut, on assisterait à l'arrivée d'un flux frigorifique important à pro- pagation longitudinale au niveau de la tête 2' de la section de tube 2, qui est enveloppée d'une réserve d'eau stagnate 29, ce qui provoquerait, à coup sûr, des phénomènes de solidification superficielle préjudiciable de cette eau au niveau de la tête 2' puisque cette solidification, en se propageant radialement, pour- rait atteindre tout la réserve d'eau 29 et rendre ainsi ino- pérant l'échange du tube 2 - 3. Au contraire, grâce à cette disposition décrite, on peut contrôler de façon très précise le flux thermique qui parvient au niveau de la tête 2' de la sec- tion de tube 2, puisque ce flux thermique est la somme d'un -- 2477276 flux thermique résiduel à propagation longitudinale et d'un flux thermique à propagation radiale qui est lui-même faible grâce à l'interposition du produit isolant 18. D'ailleurs, dans certains cas, on accroit légèrement le coefficient d'échan- ge thermique entre la tête 2' de la section de tube 2 avec la réserve d'eau 29 en conférant à celle-ci un certain mouvement de convection grâce à la présence de perforations de dégagement 21I pratiquées en position basse dans la cheminée distributrice , favorisant ainsi une certaine admission complémentaire d'eau *10 en provenance directe de la réserve principale 25. Ainsi qu'il a été expliqué précédemment, l'eau de ruis- sellement se forme en une nappe de ruissellement sur la paroi externe ailetée de l'é>aent de tube amont 2 et se refroidit pro- gressivement jusqu'à l'extrémité inférieure de la section de tube amont 2, ofi l'eau de ruissellement est ensuite évacuée en 30 avec d'ailleurs celle qui provient du ruissellement à contre-courant sur la section de tube aval 3. On note que sur cette section de tube aval 3 les risques de congélation du liquide de ruissellement sont nettement amoindris, car d'une part le fluide en cours de réchauffement circulant dans le tube 1 a vu sa température augmen- tée jusqu'à être voisine de celle du liquide de ruissellement en sorte que l'évacuation du fluide réchauffé hors de la section de tube aval 3 peut s'effectuer sans mise en-oeuvre d'un boîtier-de- raccordement tel que décrit en référence à la figure 2, par une simple canalisation de soutirage 6,. avec toutefois, bien entendu, le dispositif de répartition Il permettant la formation d'une nap- pe de ruissellement uniforme 9. Au lieu d'utiliser un tube de réchauffement dont l'ex- trémité d'admission amont reçoit le fluide brut à réchauffer et dont l'extrémité aval délivre le fluide à la température désirée de réchauffement (ou plus précisément une pluralité de tels tubes agencés en parallèle et branchés directement sur des collecteurs d'admission 30 et de soutirage 31), il est possible d'agencer les éléments de tube amont et les éléments de tube aval en un certain nombre de combinaisons. En se référant à la figure 4, on voit qu'une pluralité 6 Z477276 d'éléments de tube amont 42a, 42b, o.. 42n sont tous branchés entre un collecteur supérieur de distribution 50 et un collecteur de raccordement inférieur 51 alimentant une autre pluralité 43a, 43b oo. 43R d'éléments de tube aval formant ainsi un pre- mier module multi-tubulaire dont l'extrémité supérieure est raccordée par un collecteur 52 à un second module multi- tubulaire constitué d'une autre pluralité d'éléments de tube amont 44a, 44b... 44g, le module final ayant une pluralité d'éléments de tube amont 45a, 45b oo 45r et une pluralité d'é- léments de tube aval 46a, 46b... 46s, délivrant le liquide ré- chauffé dans un collecteur final 52". Selon la figure 5, des modules monotubulaires tels que décrits en référence à la figure 1, constitué chacun d'un élé- ment de tube amont (54a, 54b, etc..o) sont alimentés à leur extrémité supérieure par un collecteur d'alimentation commun , et sont raccordés par des raccords individuels 58a, 58b... à un élément de tube aval (56a, 56b, etc o..), eux-mêmes rac- cordés à leur extrémité supérieure à un collecteur de soutira- ge commun 57. Selon la figure 6, plusieurs lignes 61 et 62, telles que celles décrites à la figure 4, c'est-à-dire incorporant cha- cune plusieurs modules multi-tubulaires en série 63, 64... 63', 64'..o sont branchées en paralèle entre un collecteur principal d'admission 68 et un collecteur principal de souti- rage 69. Selon la figure 7, plusieurs lignes 70,71, constituées chacune de plusieurs modules multi-tubulaires 72, 73, oo., 72', 73' ooo sont non seulement branchées entre un collecteur princi- pal d'alimentation 74 et un collecteur principal de soutirage 75, mais des collecteurs intermédiaires d'égalisation 77 relient les modules homologues de plusieurs lignes en parallèle. Selon la figure 8, un faisrTu d'éléments de tube est formé d'un premier jeu de lignes 81a,'ioc (par exemple au nombre de trois) constitués d'un module multi-tubulaires (ou plusieurs modules multi-tubulaires en série) entre un collecteur d'alimen- tation 83 et un collecteur intermédiaire 84 qui alimente un second jeu de lignes 82a et 82b (par exemple deux) entre ce col- lecteur intermédiaire 84 et le collecteur final de soutirage 85 Selon la figure 9, un premier jeu d'une pluralité de lignes 91a, 91b, 91c (par exemple trois) alimentées par un col- lecteur d'alimentation 93 et soutirées par un collecteur de sou- tirage 95a est raccordé par l'intermédiaire d'une conduite 96 & vanne de détente 97 à un second jeu d'une autre pluralité de lignes 92a, 92b branchées entre un collecteur d'alimentation b et un collecteur de soutirage 94. L'invention s'applique notamment au réchauffement et à la revaporisation de gaz naturel liquéfié. 8 2477276 REVENDICATIONS 1 - Procédé de réchauffement d'un fluide froid par échange thermique avec un liquide chaud, dont la température de congélation est supérieure à la température du fluide froid avant réchauffement, selon lequel on conforme le fluide froid à réchauffer en au moins un courant à extension principale verti- cale, ledit courant ayant une première dimension transversale et horizontale, qui est faible au regard de l'extension longitudi- nale dudit courant ainsi conformé, et on fait échanger thermique- ment ledit courant avec ledit liquide chaud s'écoulant à ruissel- lement gravifique extérieurement et coextensivement audit courant, caractérisé en ce que chaque courant à extension verticale com- prend au moins une section descendante et une section ascendan-. te, les deux sections étant soumises audit échange thermique avec le liquide de réchauffement ruisselant jusqu'à l'extrémité infé- rieure des dites sections de courant de fluide à réchauffer. 2 - Procédé de réchauffement d'un fluide froid selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une deuxième dimension transversale et horizontale du courant de fluide à réchauffer, qui est perpendiculaire à ladite première dimension est éga- lement faible au regard de l'extension longitudinale dudit courant, en sorte que chaque courant de fluide à réchauffer se présente sous forme d'une veine. 3 - Procédé de réchauffement d'un fluide froid selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque courant circule dans un passage d'échange thermiquement délimité laté- ralement par une paroi conductrice, avantageusement pourvue d'ailettes extérieures, et en ce que le liquide chaud de ruisel- 9 2477276 lement s'écoule le long et sur toute la face externe de ladite paroi conductrice. 4 - Procédé de réchauffement d'un fluide froid selon la revendication 3, du genre o l'on répartit le liquide de ruissellement autour d'un passage d'échange thermique à partir d'une réserve liquide individuellement affectée à chaque passage autour de la partie basse d'un tube-enveloppe prolongeant vers le haut ledit passage, et à l'intérieur duquel s'étend avec inter- position d'un isolant, un élément de conduit d'alimentation en !o fluide à réchauffer, ledit élément de conduit et ledit tube- enveloppe étant raccordés à un embout de canalisation, ladite réserve individuelle de liquide étant elle-même alimentée par du liquide issu d'une réserve liquide générale et ruisselant le long d'une partie dudit tube-enveloppe situé au-dessus de ladite réserve individuelle, caractérisé en ce qu'on surdimentionne l'épaisseur de ladite partie dudit tube-enveloppe de ruissellement du liquide, le surdimentionnement d'épaisseur étant de préfé- rence d'autant plus marqué qu'on s'élève au-dessus de ladite ré- serve liquide individoelleo 5 - Installation de réchauffement d'un fluide froid par échange thermique avec un liquide chaud, du genre comprenant des passages d'échange thermique à extension substantiellement verti- cale, avec des moyens de distribution d'un liquide de ruiselle- ment à l'extrémité haute des passages, caractérisée en ce que les dits passages comprennent au moins un module avec au moins une première section de passage, ou section de passage dite amont, reliée par raccord à son extrémité inférieure à l'extrémité in- férieure d'au moins une Aeconde section de passage, ou section 1o 2477276 de passage dite aval, et des moyens d'alimentation en fluide froid à l'extrémité supérieure de chaque section de passage amont. 6 - Installation selon la revendication 2, caracté- risée en ce qu'un module comprend une première pluralité de sections de passages dites amont raccordés par leurs extrémités inférieures par un collecteur "bas" aux extrémités inférieures d'une seconde pluralité de sections de passages dites aval. 7 - Installation selon la revendication 2 ou 3, carac- térisée en ce que plusieurs modules sont raccordés en série par des collecteurs hauts pour former une ligne. 8 - Installation selon la revendication 6, caractéri- sée en ce que plusieurs modules sont branchés en parallèle entre un collecteur amont d'alimentation et un collecteur aval de sou- tirage. 9 - Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que plusieurs lignes sont agencées et branchées à une extré- mité des dites lignes à un collecteur d'admission et à l'autre extrémité des dites lignes à un collecteur de soutirage. 10 - Installation selon la revendication 9, caracté- risée en ce qu 'une ligne est formée de plusieurs modules, cer- tains modules homologues de plusieurs lignes en parallèle étant raccordés à des collecteurs intermédiaires. Il - Installation selon la revendication 9, caracté- risée en ce que plusieurs lignes sont agencées, certaines en paral- lèle, certaines en série avec des collecteurs intermédiaires. 12 - Installation selon la revendication 11, caracté- risée en ce que les collecteurs intermédiaires incorporent des moyens de détente.