Brevet FR2563620A1 — publié le 19851031

"- - 63620 La présente invention concerne un échangeur de chaleur avec une voie d'écoulement pour chacun des fluides participant à l'échange de chaleur et qui comporte un ou plusieurs passages formés par des plaques espacées l'une de l'autre, une entrée et une sortie d'un premier fluide, qui sont reliées à une des voies d'écoulement et un dispositif mélangeur placé dans une seconde voie d'écoulement et qui comporte des entrées séparées et des sorties débouchant dans un volume mélangeur commun pour une phase gazeuse et une phase liquide. - Un tel échangeur de chaleur comporte au moins deux passages qui sont séparés l'un de l'autre par une plaque. Fréquemment, chacune des voies d'écoulement contient un grand nombre de passages, auquel cas des passages respectivement adjacents sont parcourus par des fluides diffé- rentes. Les passages des voies d'écoulement sont respectivement reliés à des entrées et des sorties séparées, par l'intermédiaire desquelles les fluides en situation d'échange de chaleur sont introduits et évacués. Dans un grand nombre de processus, comme par exemple lors du fractionnement du gaz naturel, un échange de chaleur doit être effectué entre un mélange à deux phases se composant d'une phase liquide et d'une phase gazeuse et un autre fluide. Dans ce cas, on rencontre des diffi- cultés pour répartir les deux phases aussi uniformément que possible dans la totalité des passages et sur la largeur de chaque passage de l'échangeur de chaleur. Lorsque le mélange de phases est réparti par les entrées dans les passages, il s'établit un déséquilibre entre les phases liquide et gazeuse dans les passages. Certains des passages ou certaines zones des passages contiennent une fraction de gaz dépassant la propor- tion normale alors que d'autres passages contiennent une fraction de liquide dépassant la proportion normale. Du fait de cette répartition non uniforme, la capacité de l'échange de chaleur se réduit en consé- quence. Pour permettre une répartition aussi uniforme que possible des deux phases dans la voie d'écoulement de l'échangeur de chaleur, on a déjà proposé (brevet des Etats-Unis d'Amérique NH3 559 722) d'introduire les deux phases séparément dans l'échangeur de chaleur et de les mélanger entre elles seulement à l'intérieur de l'échangeur de chaleur. Chaque phase est alors répartie initialement, de façon uniforme, sur -toute la largeur de la section d'écoulement, les phases étant encore séparées l'une de l'autre par une baguette séparatrice. Ensuite, les deux phases sont mélangées et elles sont amenées en relation d'échange de chaleur- avec un autre fluide. Comme dispositif mélangeur, il est prévu un intervalle ou une fente dans la baguette séparatrice. Au moyen de l'agencement connu, il est évidemment possible d'obte- nir un mélange relativement bon et une répartition uniforme des deux phases, mais cependant, le dispositif mélangeur est constitué A l'inté- rieur de l'échangeur de chaleur par les intervalles ménagés dans les baguettes séparatrices qui créent un affaiblissement de la structure. Notamment, lorsque les fluides en situation d'échange de chaleur se trouvent sous pression, l'échangeur de chaleur décrit ne peut pas être utilisé ou doit être renforcé d'une manière coûteuse pour pouvoir résister à la pression. L'invention a en conséquence pour but de perfectionner un échan- geur de chaleur du type défini ci-dessus, qui se caractérise par une simplicité de structure et par une grande capacité de résistance à la pression et qui permette un brassage et une répartition uniformes de mélanges à deux phases. Ce problème est résolu selon l'invention en ce qu'il est prévu comme dispositif mélangeur dans chacun des passages de la seconde voie d'écoulement, une baguette s'étendant dans la section du passage et qui comporte des trous orientés dans la direction d'écou- lement pour une des deux phases ainsi qu'un canal d'écoulement de l'autre phase, qui est en communication fluidique avec les trous et/ou avec le volume mélangeur, ce canal s'étendant au moins approximativement sur la largeur de la section. Dans l'échangeur de chaleur conforme à l'invention, le dispositif mélangeur remplit la section de la voie d'écoulement dans laquelle est introduit le mélange à deux phases. Dans la zone du dispositif mélangeur o les ailettes, disposées habituellement entre les plaques dans un échangeur de chaleur classique, ne peuvent pas être mises en place, le dispositif mélangeur lui-même remplit la fonction de soutien des pla- ques. La hauteur de la baguette utilisée comme dispositif mélangeur est alors égale à la distance d'espacement entre deux plaques adjacentes. Dans la baguette, sont ménagés des trous de passage pour l'une des deux phases, qui sont orientés de préférence dans la direction d'écoulement de la phase correspondante, c'est-à-dire perpendiculairement à la section du passage, et par l'intermédiaire desquels la phase parvient depuis l'entrée dans le volume mélangeur. La perte de charge produite par les trous assure une répartition uniforme de cette phase sur la largeur du passage. Perpendiculairement à la direction d'écoulement, il est prévu dans la baguette un canal qui est relié à une entrée de la seconde phase et qui s'étend sensiblement sur toute la largeur du passage de sorte que la seconde phase est répartie uniformément sur cette largeur. Le canal comporte des orifices de sortie qui débouchent dans les trous précités ou dans le volume mélangeur. En modifiant la forme, la grandeur et le nombre des trous, il est possible d'adapter l'échangeur de chaleur de façon optimale aux conditions existantes. L'échangeur de chaleur conforme à l'invention permet un bon mélange des phases et une répartition uniforme du mélange à deux phases dans la voie d'écoulement. Ainsi, le dispositif mélangeur ne diminue pas la résistance à la pression de l'échangeur de chaleur. Selon une autre particularité avantageuse de l'échangeur de chaleur conforme à l'invention, la baguette est brasée sur les plaques adjacentes. Des échangeurs de chaleur à plaques sont pourvus sur leur côté de baguettes ou bandes d'étanchéité latérale qui sont interposées entre les plaques et qui sont brasées sur celles-ci. Selon une particularité avantageuse, on utilise comme dispositif mélangeur un tronçon d'une telle bande d'étanchéité latérale qui est découpée à une longueur correspondant à la largeur de la section d'écoulement, auquel cas il est évident que la bande d'étanchéité latérale a été au préalable pourvue des trous, canaux et orifices de sortie nécessaires pour la phase guidée dans les canaux. Dans une autre variante avantageuse de l'objet de l'invention, le canal comporte des orifices de sortie débouchant dans les trous et/ou dans le volume mélangeur. Les orifices de sortie sont constitués par exemple par des ouver- tures qui partent de la surface de la baguette ou bien des trous dans la canal. Pour empêcher une obstruction des orifices de sortie par de la brasure chaude lors du brasage de l'échangeur de chaleur, il est en 2 5 3620 outre proposé que les orifices de sortie débouchant en retrait par rapport à la surface de la baguette. Selon un autre mode avantageux de réalisation de l'objet de l'invention, la baguette est composée de deux moitiés assemblées et le canal est constitué par un intervalle existant entre lesdites moitiés. Chacune des moitiés s'étend sur toute la largeur de la voie d'écoulement. Par exemple, chacune des moitiés est constituée par une baguette ou bande d'étanchéité latérale. Les deux moitiés sont disposées à distance l'une de l'autre de manière qu'un intervalle soit établi entre leurs surfaces placées en regard l'une de l'autre. D'autres possibilités de formation dudit intervalle consistent à faire en sorte que les surfaces, tournées l'une vers l'autre, des bandes ne soient pas parallèles de façon à créer un intervalle ayant par exemple une section en forme de coin, ou tout au moins qu'une des deux moitiés comporte une rainure formant le canal. Il s'est avéré avantageux que, conformément à une autre particu- larité de l'objet de l'invention, le canal soit constitué par un tube logé dans la baguette. Avec cet agencement, on obtient une stabilité particulièrement grande pour le canal relativement aux effets de la pression. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - les figures 1 et 2 représentent en coupe un échangeur de chaleur conforme à l'invention; - les figures 3 à 10 représentent différentes formes de réalisation d'un dispositif mélangeur pour l'échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur de la figure 1 contient une pile de plaques rectangulaires planes 1 qui sont disposées l'une au-dessus de l'autre avec espacement et par lesquelles sont formés des passages pour des fluides participant à l'échangeur de chaleur. L'étanchéité des passages le long des bords des plaques est assurée par des bandes d'étanchéité latérales 2 qui sont fixées sur les plaques 1 par exemple par brasage. Les bandes d'étanchéité latérale 2 n'obturent pas complètement les passages mais elles laissent une ouverture libre respective dans les coins diagonalement opposés des passages. Les ouvertures des passages respectivement en alternance sont disposées en coïncidence l'une au- dessus de l'autre tandis que les ouvertures des passages placés dans des positions intermédiaires sont situées dans les coins opposés. Les ouvertures placées l'une au-dessus de l'autre sont réunies respective- ment dans un collecteur de forme semi-tubulaire 3, 4, 5, 6, o s'effec- tuent l'entrée et l'évacuation des fluides. Dans la représentation de la figure 1, les collecteurs semi-tubulaires 3 et 6 servent à l'introduc- tion de deux fluides et les collecteurs semi-tubulaires 4 et 5 à l'éva- cuation de ces fluides. A partir des ouvertures, des lamelles de distribution 7 s'étendent jusqu'à des lamelles de transmission de chaleur 8. Les lamelles de distribution 7, qui sont agencées sous forme de tôle ondulée, ont pour fonction de répartir uniformément les fluides introduits par les collec- teurs semi-tubulaires 3, 6, sur toute la largeur des passages. Les lamelles de transmission de chaleur 8 sont également réalisées sous forme de tôle ondulée, les ondulations étant orientées perpendiculaire- ment à la direction d'écoulement, matérialisée par des flèches 9, du fluide introduit par le collecteur semi-tubulaire 6. Dans les passages de la voie d'écoulement du fluide introduit par l'intermédiaire du collecteur semi-tubulaire 3, il est également prévu des lamelles de distribution et de transmission de chaleur 7, 8. Un des fluides participant à l'échangeur de chaleur se présente sous la forme d'un mélange liquide/gaz à deux phases. Les deux phases sont introduites séparément dans l'échangeur de chaleur par l'intermé- diaire du collecteur semi-tubulaire 6 ou bien d'un collecteur semi- tubulaire latéral 12 et elles sont réparties initialement dans la largeur des passages de la voie d'écoulement. Ce n'est qu'ensuite que les deux phases sont mélangées l'une avec l'autre. Dans ce but, chaque passage de la voie d'écoulement contient un dispositif mélangeur 10, qui n'est représenté ici que schématiquement. D'autres détails et différents modes de réalisation du dispositif mélangeur sont mis en évidence sur les figures 3 à 9. Chaque dispositif mélangeur 10 se compose essentiellement d'une baguette qui s'étend dans la section d'un passage. Cette baguette est avantageusement constituée par un tronçon d'une bande d'étanchéité latérale 2 qui est découpée à la longueur correspondante. La baguette est fixée par brasage sur les plaques adjacentes 1 qui constituent le passage dans lequel elle se trouve. Elle comporte une rangée de trous 11 pour la phase introduite par l'intermédiaire du collecteur semi-tubu- laire 6. Elle contient en outre un canal 13 qui est en communication fluidique avec le collecteur semi-tubulaire 12. Le canal 13 s'étend sur toute la largeur du passage. Il est muni d'orifices de sortie qui débouchent dans les trous 11 ou bien dans le volume mélangeur placé en arrière du dispositif mélangeur (dans la direction d'écoulement de la phase 10 passant dans les trous 11). Dans les orifices de sortie, les deux phases se mélangent et forment un mélange à deux phases qui est homogène dans une large mesure et qui est réparti uniformément dans-la largeur des passages. Le mélange à deux phases s'écoule dans les passages et il est amené en relation d'échange de chaleur avec le fluide intro- duit par l'intermédiaire du collecteur semi-tubulaire 3 dans la zone des lamelles de transmission de chaleur 8. Du fait du bon mélange des deux phases, l'échangeur de chaleur présente un rendement optimal. L'intro- duction de la phase gazeuse ou de la phase liquide par l'intermédiaire du collecteur semi-tubulaire 12 est effectuée en fonction du rapport entre la quantité de gaz et la quantité de liquide à introduire tandis que l'autre phase est introduite par l'intermédiaire du collecteur semi-tubulaire 6. Il va de soi que l'échangeur de chaleur conforme à l'invention peut comporter plus de deux voies d'écoulement et que l'on peut faire intervenir, dans l'échangeur de chaleur, également plus de deux courants de fluides. Egalement, on peut prévoir dans plus d'une des voies d'écou- lement un dispositif mélangeur pour des courants de fluide entrant à deux phases. Les figures 3 et 4 représentent une première forme de réalisation du dispositif mélangeur 10 respectivement en coupe transversale et en coupe longitudinale. Le dispositif mélangeur 10 se compose essentielle- ment d'une baguette ou barre 14 de section rectangulaire, qui, est placée entre deux plaques 1. Les lamelles de transmission de chaleur 8 compor- tent un évidement pour recevoir la baguette 14. La baguette 14 comporte une rangée de trous ou passages 11l répar- tis sur sa largeur et qui sont orientés dans la direction d'écoulement de la phase introduite par l'intermédiaire du collecteur semi-tubu- laire 6. Elle contient en outre intérieurement un canal 13 orienté perpendiculairement à la direction d'écoulement de la phase introduite par l'intermédiaire du collecteur semi-tubulaire 6 et qui est en communi- cation fluidique avec le collecteur semi-tubulaire 12. Des orifices de sortie 15 répartis sur la largeur du passage, établissent des liaisons fluidiques entre le canal 13 et un volume mélangeur 16 placé en aval de la baguette 14. Les alésages ou orifices sont disposés au fond d'un -563620 lamage de facon à empêcher, lors du brasage de l'échangeur de chaleur, leur obstruction par de la brasure s'écoulant éventuellement vers le bas. Lors de l'utilisation de l'échangeur de chaleur, l'une des phases, par exemple la phase gazeuse, arrive de la gauche sur la baguette, traverse les trous 11 et sort du dispositif mélangeur vers la droite pour parvenir dans le volume mélangeur 16. La seconde phase, par exemple la phase liquide, est répartie uniformément par le canal 13 sur la largeur du passage et elle parvient également par l'intermédiaire des orifices de sortie 15 dans le volume mélangeur 16 o se mélangent les deux phases qui ont été réparties au préalable uniformément sur la largeur du passage. L'écoulement des deux phases est mis en évidence par des flèches. Il va de soi que la forme, le nombre, la grandeur et la position des trous 11 ainsi que des orifices de sortie 15 sont adaptés aux conditions existantes. La figure 5 représente une forme de réalisation d'un dispositif mélangeur qui est constitué par deux baguettes 14 qui comportent des côtés frontaux en saillie en forme de toit et qui se font face par leurs côtés frontaux, ce qui crée deux canaux 13, 17 ayant chacun une section triangulaire. Les orifices de sortie 15 relient le canal 13 au volume mélangeur 16. Une des phases est à nouveau répartie par l'intermédiaire du canal 13 sur la largeur du passage et elle est introduite, par l'inter- médiaire des orifices de sortie 15, dans le volume mélangeur 16. L'autre phase traverse initialement les trous 11 situés dans celle des deux baguettes qui est placée à gauche puis elle parvient dans le canal 17, orienté perpendiculairement au passage, et o s'effectue encore une fois une répartition uniforme de cette phase sur la largeur du passage puis elle parvient par l'intermédiaire des trous 11 de la baguette de droite 14 dans le volume mélangeur 16. Les trous 1l des deux baguettes 14 peuvent être disposes en coïncidence, décalés mutuellement ou bien faire un angle entre eux. Il est également possible que les ori- fices de sortie 15 soient disposés parallèlement aux trous 11 ou bien fassent un certain angle avec eux. Dans le cas du dispositif mélangeur représenté sur la figure 6, il est prévu également deux baguettes 14 mais celles-ci sont cependant disposées dans ce cas dos à dos sans intervalle intermédiaire. Les deu; baguettes comportent chacune une partie en creux, les deux parties en creux étant disposées symétriquement à la façon d'un miroir pour former ensemble le canal 13 qui est à nouveau relié avec plusieurs orifices de sortie 15 répartis sur la largeur du passage et qui débouchent dans le volume mélangeur 16. Les baguettes 14 comportent en outre des trous 11 qui servent à introduire la seconde phase dans le volume mélangeur 16. La figure 7 représente une forme de réalisation modifiée d'un dispositif mélangeur, o également deux baguettes 14 sont assemblées dos à dos et constituent, d'une façon analogue à la forme de réalisation représentée sur la figure 6, des trous 11 pour une des phases et un canal 13 pour l'autre phase. Cependant, a la différence de cette forme de réalisation, les orifices de sortie 15, qui sont en communication fluidique avec le canal 13, ne débouchent pas dans le volume mélan- geur 16 mais directement dans les trous 11 de sorte qu'il se produit déjà, dans cette zone, un mélange des deux phases. A la place de deux baguettes 14, le dispositif mélangeur peut également être constitué d'une seule pièce profilée en correspondance. Dans le dispositif mélangeur de la figure 8, le canal 13 est constitué par un tube 18 encastré dans la baguette 14. Le tube 18 comporte des orifices de sortie 15 répartis sur la largeur du passage. Les figures 9 et 10 représentent deux vues en coupe d'une modifi- cation du dispositif mélangeur de la figure 8. Le tube 18 et les ori- fices de sortie 15 sont, dans ce cas, décalés en arrière de la surface frontale de la baguette 14, les trous et les orifices de sortie 15 débouchant en outre dans le volume mélangeur décalés les uns par rapport aux autres. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 63620 REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur avec une voie d'écoulement pour chacun des fluides participant à l'échange de chaleur et qui comporte: un ou plusieurs passages formés par des plaques espacées l'une de l'autre, une entrée et une sortie d'un premier fluide, qui sont reliées à une des voies d'écoulement et un dispositif mélangeur placé dans une seconde voie d'écoulement et qui comporte des entrées séparées et des sorties débouchant dans un volume mélangeur commun pour une phase gazeuse et une phase liquide, caractérisé en ce qu'il est prévu, comme dispositif mélangeur dans chaque passage de la seconde voie d'écoulement, une baguette (14) s'étendant dans la section du passage, qui comporte des trous (11) orientés dans la direction d'écoulement pour une des deux phases ainsi qu'un canal (13) d'écoulement de l'autre phase, qui est en communication fluidique avec lesdits trous (11) et/ou avec le volume mélangeur (16) et qui s'étend au moins approximativement sur la largeur de la section. 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la baguette 14 est brasée sur les plaques adjacentes 1. 3.- Echangeur de chaleur selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif mélangeur est constitué par un tronçon d'une bande ou baguette d'étanchéité latérale qui s'étend sur la largeur du passage. 4.- Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le canal (13) comporte des orifices de sortie (15) débouchant dans les trous (11) et/ou dans le volume mélangeur (16). 5.- Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les orifices de sortie (15) débouchent en retrait par rapport à la surface de baguette. 6.- Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la baguette (14) est composée de deux moitiés assemblées et en ce que le canal (13) est formé par un intervalle existant entre les deux moitiés. 7.- Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le canal (13) est constitué par un tube (18) logé dans la baguette. 8.- Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le canal (13) est relié à l'entrée de la phase liquide.