Brevet FR2495490A1 — publié le 19820611

Evaporateur à plaques verticales La présente invention concerne un évaporateur du type à échange de chaleur par plaques, comportant plu-: sieurs plaques échangeuses de chaleur disposées sensi- blement verticalement face à face et à distance les unes des autres pour définir des espaces d'écoulement entre les plaques pour le liquide à évaporer et pour l'agent chauffant. Dans des évaporateurs du type à film tombant ainsi que dans des évaporateurs du type à film grimpant, on force des films de liquide à se déplacer le long de parois de transfert de chaleur sensiblement verticales avec la vapeur produite, entre les surfaces des films, dans les passages d'évaporation. Le passage d'un évaporateur clas- sique possédant une section transversale constante pré- sente deux inconvénients; l'un est que la vitesse de la vapeur produite augmente dans la direction d'écoule- ment du liquide introduit, et l'autre est que le péri- mètre mouillé par le liquide est constant dans ladite direction. Ces caractéristiques coopèrent pour amincir le film de liquide le long des surfaces chauffantes, ce qui, dans le cas d'un débit d'entrée trop faible, conduit à une rupture du film et à une ébullition à sec. En pra- tique, on résout souvent ce problème par une surcharge du côté produit, ce qui signifie le maintien d'un film inutilement épais le long d'une partie plus importante des surfaces chauffantes et des valeurs de transfert de chaleur faibles et nécessite des surfaces chauffantes longues. En outre, si on résout le problème par recyclage, dans le cas d'un produit sensible à la chaleur, on ob- tient également un produit de moindre qualité en raison du long temps de séjour. Pour les raisons ci-dessus, un passage d'évapo- rateur idéal devrait par conséquent posséder un périmè- tre décroissant et une section transversale croissante dans la direction d'écoulement. L'exigence d'une croissance régulière de la section transversale des passages d'évaporateur est sa- tisfaite et obtenue dans des dispositifs connus du type à plaques ainsi que du type à tubes. Le brevet US no 2 117 337, qui concerne un évapo- rateur à tubes, décrit un canal évaporateur circulaire muni d'un corps intérieur conique pour chauffer la vapeur, ce qui élargit les canaux évaporateurs et diminue égale- ment le périmètre mouillé par rapport à la surface inté- rieure du transfert de chaleur. Mais le périmètre mouil- lé est constant le long de la surface extérieure de trans- fert de chaleur. Le brevet SE n0 219 561 décrit un évaporateur spé- cial dans lequel les deux caractéristiques souhaitées (décroissance du périmètre mouillé et augmentation de la section des passages d'évaporation), sont obtenues grâce à des canaux entre deux éléments de plaque coniques dont les angles au sommet sont différents. Pour des échangeurs de chaleur à plaques, on a suggéré plusieurs moyens pour obtenir une section trans- versale croissante des passages d'écoulement. Le brevet GB no 788 193 décrit des plaques échangeuses de chaleur munies d'ondulations s'étendant horizontalement, l'aug- mentation de la section transversale des canaux d'évapo- ration dans la direction d'écoulement étant obtenue par changements successifs de l'angle des ondulations dans ladite direction. Mais la réduction souhaitée du péri- mètre mouillé dans la direction d'écoulement n'est pas assurée de ce fait. Le brevet GB n0 859 876 décrit un évaporateur dans lequel le liquide à évaporer est re- foulé d'abord vers le haut entre une paire de plaques, puis vers le bas entre une autre paire de plaques. Une suggestion pour obtenir une section transversale crois- sante du canal dans cet évaporateur est de disposer les plaque de la dernière paire mentionnée à une distance mutuelle plus importante que la distance entre les pla- ques de la première paire. Une autre suggestion est d'utiliser un nombre d'espaces entre plaques plus im- portant pour l'écoulement descendant que pour l'écoule- ment ascendant. En outre on a suggéré la possibilité de fractionner les passages d'écoulement pour le liquide d'entrée en une partie divergeant vers le haut et une partie divergeant vers le bas, et de forcer le liquide à monter. tout d'abord la partie divergeant vers le haut d'un espace entre plaques, puis à descendre dans la partie divergeant vers le bas d'un autre espace entre plaques. En fait, on obtient ainsi une section transver- sale augmentant graduellement du canal évaporateur, mais le périmètre augmente également dans le direction d'écou- lement. Pour être réaliste du point de vue économique, un évaporateur dans lequel les deux caractéristiques souhai- tées mentionnées ci-dessus sont combinées ne doit pas être trop compliqué à fabriquer. Surtout si on utilise des plaques embouties, la configuration doit être choi- sie de manière à obtenir un coût raisonnable de la ma- trice d'emboutissage et un nombre minimal de configura- tions ou de formes de réalisation de plaque. En outre, pour faciliter le nettoyage des surfaces d'évaporation et pour éviter des perturbations de fonctionnement par suite d'un engorgement des canaux d'évaporation, une forme simple du canal est nécessaire. La présente invention vise à fournir un évapora- teur du type à plaques, présentant les caractéristiques souhaitées d'une diminution du périmètre mouillé et d'une augmentation de la section transversale des pas- sages d'évaporation dans la direction d'écoulement, sa- tisfaisant aux exigences ci-dessus d'une forme simple du canal et de fonctionnement sûr. Dans ce but, la présente invention propose un évaporateur à plaques caractérisé notamment en ce qu'au moins une des deux plaques adjacentes définissant un pas- sage d'évaporation est munie de renflements, par exemple de nervures, qui par rapport à des plaques imaginaires complètement planes entraînent une réduction de volume- des passages d'évaporation, et en ce qu'en outre le volume des renflements diminue dans la direction d'écou- lement du liquide devant être évaporé, de sorte que la section transversale des passages d'évaporation augmente et que le périmètre desdits passages diminue dans ladite direction. Le changement des volumes des renflements dans la direction d'écoulement peut être obtenu de dif- férentes manières.-Par exemple, on peut prévoir un nom- bre de renflements plus important au début du canal d'évaporation qu'à la fin de celui-ci. Un autre moyen consiste à prévoir des renflements dont les dimensions diminuent, par exemple dont la hauteur diminue, suivant la direction longitudinale de la plaque. Dans un mode de réalisation avantageux de l'in- vention, les renflements des plaques sont constitués par des nervures d'étendant verticalement, dont la hau- teur diminue dans la direction d'écoulement. De façon appropriée, la hauteur des nervures peut diminuer de façon continue, le sommet de la nervure suivant sensi- blement une ligne droite qui forme un angle faible avec le plan de base de la plaque. Dans ce mode de réalisa- tion, les passages d'évaporation dont définis par des parois s'étendant sensiblement rectilignement et régu- lièrement dans la direction verticale, ce qui réduit le risque de rupture du film même dans le cas de films très minces. Dans un mode de réalisation particulièrement avan- tageux de l'invention, les deux plaques définissant un passage d'évaporation sont munies de nervures opposées, les nervures d'une plaque étant décalées d'une distance correspondant à un demi-pas par rapport aux nervures sur l'autre plaque. Ce mode de réalisation présente plusieurs avantages. Si on le désire, on peut obtenir ainsi un changement important de la section transversale et du périmètre du canal d'évaporation. En outre, deux plaques formant un passage d'évaporation et réunies avec ledit décalage relatif peuvent avoir le même profil d'embou- tissage, et par conséquent le nombre de configurations d'emboutissage peut être réduit à un seul. De plus, étant donné que la disposition mutuelle mentionnée de la paire de plaques pour former un passage d'évaporation n'empêche pas de disposer les deux plaques qui forment un passage pour l'agent chauffant de manière que leurs bords soient situés juste en face les uns des autres, des points de support sont disponibles entre les plaques, du côté de l'agent chauffant, dans les régions entre les nervures. Par conséquent, on peut former un ensemble stable de plaques sans points de support ni élément de support dans les passages d'évaporation à l'intérieur des zones marginales des plaques, c'est-àdire dans la région principale des passages d'évaporation. On faci- lite ainsi le nettoyage des surfaces d'évaporation et on minimise le risque d'engorgement et de perturbation du film. Suivant une demande de brevet déposée en même temps que la présente, la caractéristique souhaitée d'une augmentation successive de la section transversa- le des passages d'évaporation est obtenue en faisant diverger les surfaces des plaques dans la direction d'écoulement en même temps que le périmètre est réduit de la façon souhaitée grâce à une réduction graduelle de la largeur totale des passages d'évaporation. La com- binaison d'une ou de ces deux mesures avec la mesure suivant la présente invention pour modifier les renfle- ments le long d'un passage d'évaporation offre une meil- leure possibilité de trouver une conception ou forme optimale du canal pour toute application spécifique- La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de plusieurs modes de réalisation,donnés à titre d'exemples non limitatifs, d'évaporateurs du type à film tombant. La description se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure l est une vue en coupe longitudinale sché- matique d'un canal d'évaporateur; - la figure 2 montre plusieurs coupes transversales d'un canal évaporateur comportant des nervures de forme trapézoïdale; - la figure 3 montre un certain nombre de coupes trans- versales d'un canal évaporateur comportant des nervures de forme triangulaire; - la figure 4 représente la disposition mutuelle des plaques, suivant une coupe transversale schématique d'un canal évaporateur comportant des nervures du type re- présenté sur la figure 3; - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale des éléments évaporateurs d'un ensemble de plaques; - les figures 6 et 7 sont des vues en élévation d'éléments de plaque représentés sur la figure 5; - la figure 8 représente une variante de réalisation de l'ensemble de plaques de la figure 5; et - les figures 9 et 10 sont des vues en élévation d'éléments représentés sur la figure 8. Les figures l et 2 représentent le dispositif suivant l'invention dan.s le cas de deux plaques 1, 1', qui forment des canaux évaporateurs E, possédant la même configuration d'ondulation, en étant disposées de manière que leurs nervures 2, 2' soient décalées d'un demi-pas les unes par rapport aux autres. Sur les coupes transversales AA-DD, on peut voir que la section transversale des canaux d'évaporation augmente fortement tandis que leur périmètre diminue dans la direction d'écoulement du film tombant. La paire suivante de pla- ques 3, 3' est représentée au-dessus de la coupe AA. Un passage H d'agent chauffant est formé entre les deux paires de plaques 1, 1' et 3, 3'. La figure 3 représente plusieurs coupes transver- sales d'un canal évaporateur formé entre des plaques 4, 4' possédant des nervures ayant un profil triangulaire. D'après les segments a-c, on peut voir que la périphé- rie du canal est réduite à approximativement la moitié, tandis que la section transversale A1-A3 devient envi- ron trois fois plus importante le long de la plaque dans la direction d'écoulement. La figure 4 représente schématiquement un agence- ment, dans une section d'évaporateur, de plaques 5, 5', 6, 6' comportant des nervures ayant le profil représenté sur la figure 3. Les plaques 5, 5' et 6, 6',etc. des paires de plaques sont disposées de manière que les sommets 7, 8 des nervures s'étendent dans les passages d'évaporation E' entre les sommets 7', 8' des nervures, en formant des passages en zigzag. Pour former les pas- sages H' pour l'agent chauffant, les plaques 5' et 6' sont disposées de manière que leurs bords soient juste en face les uns des autres. Des éléments 9 en forme de barres sont fixées du côté de l'agent chauffant trans- versalement aux nervures pour servir d'éléments d'espa- cement et de stabilisation. De ce fait, les régions en creux entre les nervures 7, 7', 8, 8' sont utilisées comme points de support dans les passages H' pour l'a- gent chauffant, tandis qu'il n'y a pas de points de support dans les passages d'évaporation. E'. Les figures 5 à 7 représentent schématiquement un exemple d'évaporateur à film tombant suivant l'invention. Un empilement de plaques comporte un certain nombre de plaques échangeuses de chaleur 11, 12 disposées entre des éléments d'espacement alternés 13 et 14, pour for- mer des passages d'évaporation 15 et des passages 16 pour l'agent chauffant, et des parois extrêmes 17 et 18. La paroi extrême 17 est munie dans sa partie haute d'une entrée 19 pour le produit à évaporer, dans sa par- tie basse d'une sortie 20 pour le produit évaporé et la vapeur produite, ainsi que d'une entrée 21 et d'une sortie 22 pour l'agent chauffant. Le courant de produit fourni à l'évaporateur pénètre dans les différents passages d'évaporation 15 par des ouvertures 23 et 24, ménagées dans les plaques 11 et 12, et des passages 25 ménagés dans les éléments d'espacement 14, lesdits passages étant isolés de fa- çon étanche des passages 16 pour l'agent chauffant au moyen de joints d'étanchéité 26. Le produit évaporé et la vapeur secondaire produite circulent dans la partie basse de l'évaporateur en direction de la sor- tie 20 par des ouvertures 27 et 28 dans les plaques 11 et 12 et par des passages correspondants 30, dont l'étanchéité est assurée par des joints 29, dans les éléments d'espacement 14. L'agent chauffant introduit par l'orifice d'entrée 21 circule, par des ouvertures 31 et 32 dans les plaques 11 et 12 et les passages correspondants munis de joints d'étanchéité (non re- présentés) dans les éléments d'espacement 14, dans les passages 16, en direction de la sortie 22, par des ouvertures 33 et 34 dans les plaques il et 12 et les passages correspondants munis de joints d'étanchéité (non représentés) dans les éléments d'espacement 13. Les plaques il et 12 sont munies de nervures et 36 s'étendant verticalement. Par rapport aux passages d'évaporation 15, les nervures 35 sont déca- lées par rapport aux nervures 36 de manière à former le canal présentant une section transversale en zigzag. Les passages d'évaporation 15 sont séparés de façon étanche de l'atmosphère ambiante par des joints d'étan- chéité annulaires 37 disposés dans les éléments d'espacement 13. Les figures 8 à 10 représentent une variante du mode de réalisation représenté sur les figures 5 à 7. Etant donné que la plupart des détails sont exacte- ment les mêmes que sur les figures 5 à 7, on a utilisé les mêmes références en ajoutant la lettre a. Une modi- fication réside dans le fait que l'épaisseur des élé- ments d'espacement 13a augmente dans la direction d'écoulement du film tombant et une autre modification réside dans le fait que les plaques lla et 12a sont munies de surfaces échangeuses de chaleur dont la lar- geur diminue dans la direction d'écoulement, et par conséquent les nervures 35a et 36a convergent légèrement vers le milieu des plaques. La figure 9 représente une vue en élévation de l'élément d'espacement 13a, dans lequel le joint d'étanchéité d'angle 37a représente la réduction de périmètre supplémentaire correspondante des passages d'évaporation 15a dans la direction d'écoulement. Cette figure montre également des passages 38a (non repré- sentés précédemment) pour l'agent chauffant, et les joints d'étanchéité correspondants 39a. Les modes de réalisation décrits ci-dessus ont été choisis principalement pour donner des exem- ples d'application du principe de l'invention. La fonc- tion des éléments d'espacement peut naturellement être assurée en l'intégrant aux plaques elles-mêmes, dans lesquelles des rainures munies de joints d'étanchéité sont réalisées par emboutissage de façon bien connue. La divergence mutuelle des deux surfaces échangeuses de chaleur peut dans ce cas être obtenue en emboutis- sant les surfaces des deux plaques de manière qu'elles s'écartent de plus en plus l'une de l'autre en direc- tion de l'extrémité d'entrée de ces plaques. En outre, il n'est pas nécessaire d'introduire ou d'évacuer tous les courants par des orifices situés à l'intérieur de la périphérie des plaques. Par exemple, l'empilement de plaques peut être entouré par un couvercle pour le courant de produit, et les plaques peuvent être conçues pour permettre une libre évacuation du produit à l'ex- trémité basse de l'empilement de plaques. Il en résulte l'avantage que toute la longueur des plaques est utili- sable pour l'échange de chaleur. L'invention s'étend aux évaporateurs à pla- ques dans lesquels les plaques échangeuses de chaleur d'une paire sont réunies au moyen de n'importe quel agencement étanche, par exemple par soudage suivant la périphérie des plaques, pour former des espaces fermés pour le produit ou l'agent chauffant, le produit pouvant être soit introduit dans lesdits espaces soit chassé de ces espaces par un système de distribution quelcon- que. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux des modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisages; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Evaporateur à plaques du type à film mon- tant et/ou du type à film tombant, comportant plusieurs plaques échangeuses de chaleur sensiblement verticales face à face et à distance les unes des autres pour dé- finir alternativement entre elles des passages d'évapo- ration (E) et des passages (H) pour l'agent chauffant, caractérisé en ce qu'au moins une des deux plaques ad- jacentes (1, 1') définissant un passage d'évaporation (E) est munie de renflements (2, 2'), par exemple de nervures, qui par rapport à des plaques imaginaires complètement planes entraînent une réduction de volume des passages d'évaporation (E), et en ce qu'en outre le volume des renflements (2, 2') diminue dans la direction d'écoulement du liquide devant être évaporé, de sorte que la section transversale des passages d'é- vaporation augmente et que le périmètre desdits passa- ges diminue dans ladite direction. 2. Evaporateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits renflements sont constitués par des nervures (2, 2') sensiblement verticales et dont la hauteur diminue dans la direction d'écoulement du produit devant être évaporé. 3. Evaporateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que deux plaques (5, 5') délimitant un passage d'évaporation (E') sont munies de nervures (7, 7') dirigées en sens contraires, les nervures (7) d'une plaque étant décalées d'un demi-pas par rapport aux nervures (7') de l'autre plaque. 4. Evaporateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la partie principale de chaque passage d'évaporation (E') ne comporte ni points de support ni éléments de support entre les deux plaques (5, 5') qui délimitent le pas- sage. 5. Evaporateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deux plaques (5, 5') qui délimitent un passage d'évaporation (E') sont munies de nervures (7, 7') dirigées en sens opposés, et que des points de support sont disposés entre deux plaques formant un passage (H') pour l'agent chauffant, lesdits points de support étant situés dans les régions des plaques entre les nervures (5, 5'). 6. Evaporateur suivant la revendication 5, ca- ractérisé en ce que deux plaques (5, 6') qui forment un passage (H') pour l'agent chauffant sont disposées de manière que leurs nervures (7', 8) se trouvent juste en face les unes des autres. 7. Evaporateur suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce-que les points de support sont formés par des éléments d'espacement (9) qui, dans les régions des plaques situées entre lesdites nervures (7', 8), maintiennent les deuxplaques à distance l'une de l'autre. 8. Evaporateur suivant la revendication 7, ca- ractérisé en ce que les éléments d'espacement sont-cons- titués par des éléments en forme de barres (9) s'étendant en travers des nervures. 9. Evaporateur suivant l'une quelconque des- revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la largeur des passages d'évaporation (15) dans le plan des plaques diminue dans la direction d'écoulement du produit à évaporer pour réduire encore le périmètre des passages d'évaporation dans ladite direction d'écoulement. 10. Evaporateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce quedeux plaques (lia, 12a) qui forment un passage d'évaporation (15a) sont agencées de manière à diverger dans la direction d'écoulement du produit à évaporer pour augmenter en- core la section transversale des passages d'évapora- tion (1Sa) dans ladite direction.