Brevet FR2505039A3 — publié le 19821105

FR 2505039 A3 19821105 FR 8202515 A 19820216 L'invention concerne un échangeur thermique qui est constitué par au moins un bloc de graphite pourvu de groupes de canaux se croisant entre eux et parcourus par les fluides d'échange thermique. Les échangeurs thermiques en graphite, qui sont particulièrement adaptés à l'échange thermique entre des fluides corrosifs, en raison de leur résistance à la corrosion et leur conductivité thermique favorable, voient leur domaine d'application limité par suite de la dureté et la résistance à l'érosion relativement faibles des matériaux, ces inconvénients pouvant éventuellement annuler complètement les avantages mentionnés. Ceci est particulièrement valable pour le cas où le ou les fluides d'échange thermique sont chargés de particules abrasives, qui viennent frapper, avec une vitesse de quelques mètres par seconde, les parois latérales, situées c8té introduction, des canaux traversant le bloc de graphite. L'orifice d'entrée des canaux cylindriques s'élargit alors de façon conique, et il; se forme simultanément, à partir des joints entre les blocs de l'échangeur, empilés les uns sur les autres, des trous d'érosion par lavage. Comme l'usure ne se limite pas au côté introduction de l'échangeur, mais s'étend sur toute la longueur de la colonne monobloc - bien qu'avec une intensité décroissante la durée de fonctionnement limitée par lsérosion ne peut se prolonger que dans une relativement faible mesure par le remplacement des blocs caté arrivée. L'invention se propose d'éliminer complètement l'érosion des blocs de graphite, sans influencer les propriétés avantageusement exploitées de ces matériaux, savoir principalement la résistance à la corrosion et la conductivité thermique. En conséquence, l'invention a pour objet un échangeur thermique du type défini en commençant, caractérisé en ce que dans les canaux sont encastrés, du côté de l'arrivée, des manchons en un matériau résistant à l'usure et présentant une conductivité thermique élevée et les faces frontales du bloc sont munies d'une couche anti-usure. Les manchons sont constitués, selon un mode de réalisation préféré, par un matériau contenant du silicium, de préférence du carbure de silicium. Par parois frontales, il faut entendre les parois du bloc qui s'détendent en direction essentiellement perpendiculaire aux canaux. Les matériaux appropriés pour les manchons sont principalement ceux qui présentent une résistance à la corrosion et une conductivité thermique également favorables comme le graphite, ainsi qu'une dureté et une résistance à l'érosion élevées. Comme généralement, on ne produit avec des matériaux de ce type, que des pièces de petit format à technicité élevée, on ne peut pratiquement pas réaliser un échangeur compact exclusivement en matériau de ce genre. La solution selon l'invention permet d'exploiter, en combinaison avec les blocs de graphite, sans limitation, les avantages de ces matériaux. Les matériaux les mieux adaptés pour les manchons sont le carbure de silicium et le nitrure de silicium, qui présentent sensiblement la même conductivité thermique que le graphite et aussi généralement une résistance à la corrosion très avantageuse. Le carbure de silicium est, avec une dureté Mohr d'environ 9,5, un des matériaux les plus durs,-et dans les conditions d'exploitation d'un échangeur thermique compact, il ne présente pratiquement pas d'usure. Les manchons encastrés dans les canaux du cl de I'arrivée sont par exemple liés au graphite au moyen d'un adhésif ou d'un ciment thermorésistants, ou alors l'encastrement est réalisé par connexion enfichable. Les manchons ont avantageusement une forme conique ou d'entonnoir, les parois de l'entonnoir étant inclinées de 3 à 150 par rapport a' l'axe des canaux. 11 est avantageux que l'angle d'inclinaison diminue avec la longueur du manchon, de sorte que les manchons soient rapprochés du contour des canaux. Selon un autre mode de réalisation préféré, les manchons sont délimités du coté de l'arrivée par un anneau d'étanchéité en matériau élastomère présentant une faible usure par impact. Les élastomères chlorés et fluorés sont particulièrement avantageux en raison de leur bonne résistance à la température et à la corrosion. La couche anti-usure prévue sur la face frontale des blocs de graphite ne joue qu'un rôle secondaire dans l'échange thermique entre les fluides, de sorte que l'on peut même utiliser des couches céramiques ayant une faible conductivité thermique mais par contre une résistance élevée à l'usure. La couche anti-usure est montée sur la face frontale des blocs par divers procédés connus, ou elle est produite sur place. Selon un procédé avantageux, le bloc de graphite poreux est imprégné en surface de silicium, par immersion dans un bain de silicium fondu, par chauffage dans une atmosphère contenant des vapeurs de silicium, ou par décomposition d'un composé gazeux du silicium (CVD), ou encore du silicium est déposé sur la face frontale des blocs de graphite par pulvérisation au plasma ou à la flamme. Les blocs revêtus forment à une température de 1600 à 22000C, et par réaction du silicium avec le carbone, une couche en carbure de silicium adhérant fermement, qui s'étend sur quelques millimètres à l'intérieur du bloc, en particulier pour ceux ayant subi une imprégnation. La dureté et la résistance à l'usure du carbure de silicium ont déjà été décrites. Un autre matériau approprié pour la couche anti-usure est par exemple le corindon. L'invention sera mieux comprise en regard des dessins annexés, sur lesquels les figures représentent - figure 1 : un échangeur compact selon l'invention, - figure 2 : un autre mode de réalisation selon l'invention. Sur la figure 1, les blocs de graphite empilés d'un échangeur compact sont pourvus de canaux 2, dans l'entrée desquels se trouve encastré un manchon 3 en carbure de silicium. Les faces frontales 4 des blocs présentent des couches antiusure 5 en carbure de silicium également, qui sont produites par métallisation des surfaces avec de la vapeur de silicium et recuit des blocs à environ 20000C. Dans le mode de réalisation selon la figure 2, un anneau d'étanchéité 6 en matériau élastomère est monté sur l'entrée des manchons, cet anneau présentant une usure à l'impact relativement favorable, et assurant l'étanchéité d'au moins une partie des fentes entre les faces frontales des blocs, contribuant ainsi à diminuer l'usure par érosion des faces frontales. Dans un essai comparatif, on a testé l'usure d'un échangeur thermique compact selon l'exemple et d'un échangeur courant en graphite avec comme fluide de l'acide phosphorique chargé de matières solides selon la concentration obtenue à la fabrication de l'acide phosphorique. La durée de vie des blocs de graphite ne s'est monté qu'a deux à six semaines, alors que les blocs selon l'invention n'ont présenté, après une durée d'utilisation identique, aucune trace d'usure. REVENDICATIONS 10) Echangeur thermique constitué par au moins un bloc de graphite avec des groupes de canaux se croisant, parcourus par des fluides d'échange thermique, échangeur caractérisé en ce que dans les canaux (2) sont encastrés, du c8té de l'arrivée, des manchons (3) en un matériau résistant à l'usure et présentant une oenductivité thermique élevée et les faces frontales (4) du bloc sont munies d'une couche anti-usure (5). 20) Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les manchons sont constitués en un matériau contenant du silicium. 30) Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les manchons sont constitués par du carbure de silicium. 40) Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les manchons sont de forme conique et que l'angle d'inclinaison par rapport à l'axe des canaux est compris entre 3 et 150. 50) Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les manchons sont munis, du côté de l'arrivée, d'un anneau d'étanchéité en un matériau élastomère.