Brevet FR2509030A1 — publié le 19830107

Echangeur de chaleur- a détection de fuites. La présente invention a pour objet un échanéchangeur de chaleur à détection de fuites du type comprenant un premier circuit de fluide parcouru par un premier fluide introduit dans le premier circuit a une température prédéterminée, et un circuit récepteur contenant un fluide récepteur capable d'echanger de la chaleur avec le premier fluide circulant dans ledit premier circuit. Les echangeurs de chaleur sont utilisés dans de nombreux domaines d'application pour réaliser le chauffage ou le refroidissement d'un fluide récepteur contenu ou circulant dans un circuit récepteur, dit secondaire, à l'aide d'un premier circuit, dit primaire, qui est en contact d'échange thermique avec le circuit récepteur et dans lequel on introduit un fluide a une température prédéterminée, soit supérieure a la température initiale du fluide contenu dans le circuit-récep- teur s'il s'agit de réaliser un chauffage, soit inférieure a cette température s'il s'agit de realiser un refroidissement dans le circuit récepteur. Les circuits primaire et secondaire comprennent des parois réalisées en un matériau bon conducteur de la chaleur qui constituent la surface d'échange de chaleur entre les fluides primaire et secondaire.Ces parois, généralement métalliques, doivent à la fois présenter une surface d'échange maximum entre les fluides sous un faible volume, afin d'augmenter le rendement de l'échangeur, et garantir un isolement parfait entre les circuits primaire et secondaire, afin d'empêcher que le fluide primaire se mélange au fluide secondaire du circuit récepteur. La présente invention vise précisément i réaliser un échangeur de chaleur dans lequel un défaut d'étanchéité des parois des circuits de circulation des fluides participant a l'échange de chaleur est instan tanément détecté de sorte qu'une alarme peut etre dé- clenchée dès que commence de se produire un mélange des différents fluides. Selon l'invention, un echangeur de chaleur du type défini en tête de la description comprend en outre un circuit supplémentaire de fluide qui contient un fluide liquide et est interposé entre le premier circuit de fluide, dit circuit primaire, et le circuit de fluide récepteur, dit circuit secondaire, pour être en contact d'echange thermique à la fois avec ces circuits primaire et secondaire. Ce circuit supplémentaire de fluide est relié un vase d'expansion à l'air libre associé à des moyens de détection de niveau de liquide et les fluides primaire et secondaire ainsi que le liquide du circuit supplémentaire sont tous à des pressions différentes. Dans la mesure a il existe une première surface d'échange thermique entre le fluide primaire et le liquide du circuit supplémentaire de fluide, une seconde surface d'echange thermique entre le liquide du circuit supplémentaire de fluide et le fluide secondaire, et, du fait de l'interposition du circuit supplémentaire de fluide, aucune surface d'échange thermique en contact direct avec à la fois les fluides primaire et secondaire, tout percement de l'une quelconque des parois constituant les surfaces d'échange de chaleur se traduit par une variation du niveau de liquide dans le vase d'expansion, puisque les pressions des différents fluides sont toutes différentes.La surveillance du niveau de liquide dans le vase d'expansion permet ainsi la détection aisée et sure de fuites en un point quelconque de 1.' échangeur de chaleur.-Par ailleurs, dans le cas où les fluides primaire et secondaire sont toxiques, une fuite travers l'une des parois d'échange thermique ne conduit pas a une contamination des circuits primaire et secondaire puisqu'un mélange ne s'effectue qu'avec le liquide du circuit supplémentaire, lequel liquide peut être neutre et se trouve d'ailleurs en quantité limitée. Il est ainsi réalisé un écran effi cace entre circuits primaire et récepteur. Pour disposer d'un échangeur de chaleur qui conserve un bon rendement, il est avantageux qu'une partie au moins de la surface d'echange de chaleur séparant le fluide primaire du liquide supplémentaire présent dans le circuit supplémentaire de fluide r ainsi qu'une partie au moins de la surface d'échange de chaleur séparant ledit liquide supplémentaire du fluide secondaire, soient constituées par des parois cylindriques coaxiales dans lesquelles sont formées des nervures concentriques, hélicoidales ou annulaires. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui fait sui- te de modes particuliers de realisation, donnés à titre d'exemples, en référence au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un échangeur de chaleur muni d'un dispositif de détection de fuites selon l'invention et associ à un réservoir de liquide, - la figure 2 représente une vue schématique en coupe d'un échangeur de chaleur équipé d'un dispositif de détection de fuites selon l'invention et ap pliqué à l'change de chaleur entre deux courants de fluide. Si l'on se reporte à la figure 1, on voit, monté sur un socle 40, un réservoir 30 qui contient un liquide 3 dont on veut modifier la température, par exemple pour la porter à une valeur supérieure à la température initiale du liquide 3 qui a éte introduit dans le réservoir 30. La paroi latérale 31 du réservoir présente une ouverture 32 par laquelle est introduit un ensemble étanche 10, 20 qui comprend des circuits de fluide 10, 20 capables de communiquer de la chaleur au liquide 3 contenu dans le réservoir 30. L'ensemble 10, 20 est monté sur une plaque d'extrémité 13 qui forme support et est fixée de façon étanche par des moyens de liaison 33 à une bride associée à l'ouverture 32. Un premier circuit de fluide 10 comprend un réservoir constitué par une ae première paroi cylindri- que 110 qui peut être lisse ou nervurée, par une seconde paroi cylindrique 111 qui est coaxiale à la paroi 110 et est formée d'une succession de nervures par exemple annulaires, par une première paroi d'extrémité 112 et par une seconde paroi d'extrémité 113 qui peut être constituée par une partie de la plaque support 13. Une tubulure d'entrée 14 traverse la paroi 113 et se prolon qe jusqu'a un orifice 15 d'amenée de fluide situé au voisinage de la paroi d'extrémité 112. Une tubulure de sortie 16 destinée a l'évacuation du fluide 1 introduit dans le réservoir 10 par la tubulure d'entrée 14, traverse également la paroi d'extrémité 113 et prend naissance au voisinage de celle-ci.Le fluide 1 est introduit par la tubulure d'entrée 14à une température et sous une pression prédéterminées différentes des température et pression initiales du liquide 3 contenu dans le réservoir 30. Le fluide 1 ressort par la tubulure 16 une température différente de celle dsentree par suite des transferts de chaleur réalisés au niveau de la surface d'échange de chaleur constituée par les parois 110, 111, 112. Un second circuit de fluide 20 est interposé entre le premier circuit de fluide 10 et le liquide 3 chauffer. Ce second circuit de fluide 20 comprend un réservoir supplémentaire qui coiffe le réservoir contenant le premier fluide 1 et comprend une premiere paroi d'extrémité 212, une paroi latérale cylindrique nervurée 211 qui est proche de la paroi nervurée 111 du premier circuit de fluide 10 et une seconde paroi d'extrémité 213 qui peut être constituée par une partie de la plaque support 13. Le second circuit de fluide 20 emprisonne un liquide 2 qui est en contact d'une part avec une surface d'échange thermique avec le premier fluide 1 constituée par les parois 110, 111, 112 et d'autre part avec une surface d'échange thermique avec le fluide 3 constituée par les parois 211, 212. La distance entre les parois 111 et 211 est de préférence réduite et il est préférable que les nervures des parois 111 et 211 soient emboitées les unes dans les autres, bien que sans contact direct entre elles, afin de permettre un échange de chaleur optimum, Les parois 111, 211 peuvent être construites à partir de métaux en feuilles conformés en nervures hélicoïdales ou annulaires qui sont ensuite enroulées autour d'un axe pour obtenir des surfaces nervurées sensiblement cylindriques capables de s'emboîter l'une dans l'autre. Le circuit-de fluide 20 interposé entre le premier circuit de fluide 10 qui constitue un circuit primaire et le liquide 3 de l'enceinte 30 qui constitue un circuit secondaire ou circuit récepteur, est raccorde a un vase d'expansion à l'air libre 23 par l'intermédiaire d'une canalisation 25 qui debouche par un orifice 22 dans l'espace compris entre les parois nervurees 111 et 211. Des moyens de surveillance du niveau de liquide dans le vase d'expansion 23 sont associés à ce vase d'expansion. Ces moyens peuvent comprendre un simple orifice de trop plein 24 par lequel se produit un debordement en cas de déplacement vers le haut du niveau de liquide dans le réservoir. Ces moyens peuvent également faire appel à un contrôle visuel Si les parois du vase d'expansion 23 sont transparentes et laissent apparaitre le niveau de liquide.Ces moyens de détection de niveau de liquide peuvent encore comprendre tous les dispositifs classiques par exemple du type à flotteur. Le dispositif de détection de fuites qui, par rapport à un échangeur de chaleur classique n'impose que la mise en oeuvre du circuit de liquide 20 avec les parois supplémentaires d'échange de chaleur 211,212, le liquide 2, la canalisation 25, le vase dtexpansion 23 et les moyens de détection de niveau de fluide dans le vase d'expansion 23, permet d'assurer à l'aide d'organes particulièrement simples une détection de fuites sure et instantanée, sous réserve que l'échangeur de chaleur soit conçu de maniere que les fluides 1,2 et 3 aient des pressions différentes, ce qui est également une condition particulierement facile à réaliser en pratique.Le circuit de liquide 20 assure par ailleurs, outre sa fonction de détection de fuites1 un rle d'écran entre les circuits primaire 10 et récepteur 30. Le fonctionnement du dispositif de detec- tion de fuites sera expliqué ci-dessous dans différentes conditions de fonctionnement. En cas de percement de l'une des parois 110,111,112 qui constituent la surface d'échange de chaleur entre le fluide 1 du circuit primaire 10 et le liquide 2 du circuit additionnel 20, la fuite est automatiquement visualisée par une modification du niveau du liquide 2 dans le vase d'expansion 23. En effet, dans ce cas, si le liquide 2 est d'une pression supérieure au fluide 1, le volume de liquide 2 diminue dans le circuit 20 par échappement dans le circuit primaire 10 et le niveau de liquide diminue dans le vase d'expansion 23.On remarquera en effet1 qu'il n'existe en temps normal aucun apport extérieur de liquide 2 dans le circuit additionnel 20 qui, hormis la présence du vase d'expansion témoin 23, constitue un circuit ferme et ne vise qu'a jouer la fonction d'un circuit relais pour le transfert de chaleur entre les fluides 1 et 3 tout en assurant le contrôle du bon état des diverses surfaces d'échange de chaleur. Si au contraire, le liquide 2 est à une pression inférieure en fluide 1, le niveau de liquide dans le vase d'expansion 23 s'élève, et provoque par exemple, un débordement, du fait de la pénétration du fluide 1 dans le circuit additionnel 20. En cas de percement de l'une des parois 211, 212 qui constituent la surface d'échange de chaleur entre le liquide 2 et le fluide 3 du circuit récepteur constitué par le réservoir 30, la fuite est de meme auto- matiquement traduite par une modification du niveau de liquide 2 dans le vase d'expansion 23, Dans ce cas, en effet, si le liquide 3 est & une pression supérieure au liquide 2, il provoque, lors de sa pénétration dans le circuit 20, une augmentation du niveau de liquide 2 dans le vase d'expansion 23. Si en revanche, le liquide 3 est à nne pression inférieure a celle du liquide 2, c'est le liquide 2 qui s'échappe du circuit 20 pour se mélanger au liquide 3, provoquant ainsi une baisse du niveau du liquide 2 dans le vase d'expansion 23. Dans la description qui précède, on a supposé que le fluide 1 était un fluide chauffant destiné enlever la température du liquide 3 contenu dans le réservoir 30. De la même manière, le fluide 1 peut être un fluide réfrigérant destiné à refroidir le liquide 3. De meme, les fluides 1 et 3 peuvent être liquides ou gazeux selon les applications envisagees, tandis que le fluide 2 est naturellement dans tous les cas un liquide. Par ailleurs, le dispositif de détection de fuites selon l'invention peut fonctionner avec un échangeur de chaleur dans lequel les circuits de fluide primaire 10 et secondaire 20 sont tout à fait semblables. Ainsi, sur la figure 2, on a représenté un mode de réalisation dans lequel le fluide 3 n'est pas simplement stocké dans un réservoir 30. mais circule dans ce rdser- voir en étant introduit par une tubulure d'entrée 34 placée à une première extrémité du réservoir et en étant évacué, après échange de chaleur avec les circuits de fluide 20 et 10, par une tubulure de sortie 36 située à une extrémité opposée du réservoir 30. Dans ce cas le réservoir 30 peut prXsenter une paroi latérale 131 de révolution coaxiale avec les parois cylindriques 110, 111, 211 des circuits de fluide lo et 20 de l'échangeur de chaleur. Le fonctionnement de l'échangeur de cha leur selon la figure 2 est tout a fait similaire a ce lui de l'échangeur représenté sur la figure 1 et les éléments analogues portent les mêmes numéros de référen ce. La détection de fuites & travers les parois 110, 111, 112,211 ou 212 s'effectue selon le même processus que dans le cas du mode de réalisation de la figure 1. L'échangeur de chaleur représenté sur la figure 2 se distingue de celui de la figure 1 essentiel liement par le fait que le fluide secondaire 3 est non pas statique dans le réservoir 30, mais traverse le ré- réservoir 30 sous la forme d'un courant de fluide, de la .ie manière que le fluide primaire 1 circule travers le circuit de fluide 10. -Ainsi, le rôle des fluides I et 3 peut etre parfaitement inverse, de sorte que c'est alors la température d'entrée du fluide 3 qui est ajustée de façon prédéterminée pour modifier de façon. contrôlée la température du fluide 1 introduit dans le circuit 10, le fluide 1 devenant le fluide récepteur. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à détection de fuites du type comprenant un p r e m i e r c i r c u i t de fluide (10) parcouru par un premier fluide (1) introduit dans le premier circuit a une température prédéter- minée, et un circuit récepteur (30) contenant un fluide récepteur (3) capable d'echanger de la chaleur avec le premier fluide (1) circulant dans ledit premier circuit, c a r a c t é r i s é en ce qu'il comprend un second circuit de fluide (20) contenant un second fluide (2) liquide, interposé entre le premier circuit de fluide (10) et le circuit récepteur (30) pour etre en contact d'echange thermique avec ces circuits (10,30), en ce que ledit second circuit (20) est relié a un vase d'expansion a l'air libre (23) associé des moyens de detection de niveau de liquide et en ce que les premier et second fluides (1,2) ainsi que le fluide récepteur (3) sont tous & des pressions différentes les unes des autres. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie au moins (111) de la paroi (11) séparant les premier et second circuits de fluide (10,20) ainsi qu'une partie au moins (211) de la paroi (21) séparant le second circuit de fluide du circuit recepteur (30) sont constituées par des parois cylindriques coaxiales dans lesquelles sont formées des nervures (111, 211) concentriques. 3.Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les nervures (111, 211) concentriques sont hélicoidales. 4. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les nervures (111, 211) sont annulaires. 5. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier circuit de fluide (10) comprend une première paroi cylindrique (110), une seconde paroi cylindrique nervurée (111) coaxiale la première paroi cylindrique (110) et plus proche du circuit récepteur (30), des première et seconde parois d'extrémité (112, 113) et des orifices d'entree (15) et de sortie (16) du premier fluide (1)disposés resepctivement au voisinage de chacune des premiers et seconde parois d'extrémité (112, 113). 6. Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que des tubulures (14, 16) d'entrée et de sortie du premier fluide sont disposées au voisinage de la remue paroi d'extremite (13) et en ce que la tubulure d'entrée (14) s'étend a l'intérieur du premier circuit de fluide jusqu'au voisinage de l'autre paroi d'extrémité (12). 7. Echangeur selon la revendication 5, ou la revendication 6, caractéris8 en ce que le second circuit de fluide (20) comprend une premiere paroi cylindrique interne (110) et une seconde paroi cylindrique externe nervurée (111) communes au premier circuit de fluide (10), des parois (212, 213) d'extrémité, une paroi nervurée (211) entourant a faible distance la paroi cylindrique externe nervurée (111) du premier circuit de fluide et en contact avec le fluide récepteur (3), et une conduite (25) de liaison avec le vase d'expansion (23 > . 8. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les premier et second circuits de fluide sont disposés a l'inté- rieur d'une enceinte (30) remplie de fluide récepteur (3) qui constitue le circuit récepteur (30). 9. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le second circuit de fluide