Brevet FR2602325A1 — publié le 19880205

La présente invention concerne les échangeurs thermiques pour des fluides, plus particulièrement en phase liquide, et notamment pour les fluides présentant un caractère salissant car ils contiennent en suspension des particules pouvant se déposer sur les parois entre lesquelles ces fluides s'écoulent. En effet, dans certaines industries, il est nécessaire de porter des fluides particuliers à une certaine température. A cette fin, on utilise différents moyens. Mais, pour des questions de sécurité ou dans l'optique d'une récupération de l'énergie, quand on a la possibilité d'avoir une source chaude ou froide sous la forme d'un fluide porté à la température voisine de celle que l'on veut donner au fluide à utiliser, on a alors recours à un dispositif dénommé "échangeur thermique". Un échangeur thermique est essentiellement constitué de deux circuits, I'un des- deux étant immergé dans au moins une partie de l'autre. De cette façon, en faisant parcourir un premier circuit par le fluide constituant la source calorifique, le second fluide parcourant le second circuit peut échanger avec le premier fluide des calories, positives ou négatives suivant le sens de transfert de la température, ce transfert s'effectuant à travers la paroi du premier circuit qui est immergé dans le second, cette paroi étant choisie en un matériau relativement bon conducteur de la chaleur. Dans les cas les plus simples, un échangeur est donc constitué d'une enceinte étanche comportant une entrée et une sortie des fluides et d'un serpentin disposé dans l'enceinte, son entrée et sa sortie étant situées en dehors de l'enceinte. Dans certains cas, pour favoriser l'écoulement du fluide dans l'enceinte de façon qu'il lèche le mieux possible la paroi du serpentin, on dispose à l'intérieur de l'enceinte des cloisons de guidage pour défléchir et guider le fluide tout le long du serpentin. On peut donc obtenir ainsi un bon échange > thermique entre le fluide caloporteur et le fluide à amener à une certaine température. Le rendement d'un tel échangeur est essentiellement fonction de la qualité de la transmission thermique au niveau de la paroi du serpentin. Or, il arrive qu'une paroi permettant une bonne transmission thermique -lorsqu'elle est propre, voit diminuer le rendement de cette transmission au fur et à mesure du fonctionnement de l'échangeur. Ceci est essentiellement le cas, lorsque le fluide à amener en température en léchant la paroi du serpentin, contient des particules qui se déposent sur cette paroi. Tel est, par exemple, le cas pour les bains de teinture de tissus -ou analogues. De ce fait, il se dépose sur cette paroi une couche suffisamment importante pour constituer un écran thermique. La qualité de l'échange thermique s'en trouve alors diminuée, ce qui donne un rendement très affaibli. Avec les échangeurs utilisés dans de telles industries, pour éliminer cette couche, il faut démonter l'échangeur et, ensuite, nettoyer de façon essentiellement manuelle tous les éléments sur lesquels se sont effectués les dépôts. Ces interventions prennent du temps car elles doivent être opérées fréquemment si l'on veut assurer un rendement optimum et continu de l'échangeur. Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de réaliser un échangeur thermique du type fluidique en phase liquide ayant une structure permettant un nettoyage presqu'en totalité automatique, avec un minimum d'intervention manuelle, sans pour autant que sa conception en soit compliquée et son prix de revient prohibitif. Plus précisément, la présente invention a pour objet un échangeur thermique comportant une enveloppe, des cloisons définissant dans ladite enveloppe un chemin d'écoulement, un serpentin disposé dans ladite enveloppe sensiblement le long du chemin d'écoulement, caractérisé par le fait que ladite enveloppe est constituée d'une enceinte et d'un couvercle pour fermer ladite enceinte, lesdites cloisons étant solidaires de ladite enceinte, ledit serpentin étant solidaire dudit couvercle, et comprenant des moyens d'arrosage solidaires sensiblement de la partie des cloisons à proximité dudit couvercle, lesdits moyens d'arrosage étant aptes à projeter un fluide nettoyant latéralement auxdites cloisons et vers la paroi dudit serpentin, et des moyens pour vidanger ladite enceinte. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif, mais nullement limitat f, dans desquels - les Figures 1, 2 et 3 représentent, sous une forme relativement simplifiée, un mode de réalisation d'un échangeur thermique selon l'invention, respectivement par trois coupes : coupe longitudinale vue de face pour la Figure 1, coupe vue de dessus référencée A-A sur la Figure 1, pour la Figure 2, et coupe vue de côté référencée B-B sur la Figure 1, pour la Figure 3, - la Figure 4 représente, en perspective, un détail de réalisation de l'échangeur selon les Figures 1 à 3, et - la Figure 5 donne une représentation schématique de l'échangeur selon les Figures 1 à 4 pour en expliciter son fonctionnement et ses avantages. Il est tout d'abord précisé que les Figures 1 à 5 représentent un même mode de réalisation d'un échangeur selon l'invention. En conséquence, les mêmes références, quelles que soient les Figures sur lesquelles elles apparaissent, désignent les- mêmes éléments. L'échangeur thermique représenté sur les Figures comporte une enveloppe 1 formée d'une enceinte 2 de forme sensiblement parallélépipédique et d'un couvercle 3 positionné sur l'enceinte pour définir un volume 4 intérieur étanche. Pour cela, le bord supérieur 5 de l'enceinte 2 comporte sur toute sa périphérie un joint d'étanchéité 6. Le couvercle peut ainsi prendre appui sur ce joint 6 et obturer complètement l'ouverture supérieure 7 de l'enceinte 2. La pression appuyant le couvercle sur le joint de l'enceinte peut être obtenue par tous moyens exerçant des forces d'action et de réaction, respective ment sur le couvercle 3 et sur l'enceinte 2. Avantageusement, ces moyens peuvent être constitués par des vérins 8, 9 dont les corps 10, 11 sont solidaires de la paroi extérieure de l'enceinte 2 et dont les tiges 12 et 13 sont fixées au couvercle 3.Les vérins 8, 9 comportent des moyens d'alimen- tation 14 et 15 suivant la nature des fluides les commandant, c'est-à-dire électrique, liquide sous pression, etc..., qui permettent d'obtenir leur fonctionnement, soit rentrer les tiges 12 et 13 dans les corps 10 et 11 pour venir plaquer le couvercle sur le joint 6 et éventuellement servir à fermer hermétiquement l'ouverture 7 de l'enceinte 2, soit sortir les tiges des corps pour éloigner le couvercle 3 du joint de l'enceinte. Cette enveloppe 1 comporte, sensiblement à sa partie supérieure, de préférence à proximité du couvercle 3 et sur deux côtés opposés, une entrée et une sortie de fluide dont une seule, 114, est représentée sur la Figure 1. Dans l'enceinte 2 est disposée une série de cloisons 16 de séparation définissant un chemin d'écoulement 100 du fluide et présentant la plus grande longueur possible, notamment par des ondulations s'effectuant entre l'entrée et la sortie de l'enceinte 2, Dans le cas de la réalisation d'une enceinte 2 de forme parallélépipédique telle qu'illustrée sur cette Figure les cloisons 16 sont des parois parallèles 115, 116,.,. à deux côtés 17 et 18, par exemple ceux sur lesquels sont situées les entrée et sortie 114, et disposées alternativement contre les deux autres côtés 19 et 20, tout en délimitant avec l'autre un espace de passage 21, 22,... visible sur les Figures 2 et 3.De plus, la hauteur de ces parois est légèrement inférieure à celle de l'enceinte, pour délimiter à leur sommet 23, 24,... un espace libre avec le couvercle 3 quand celui-ci ferme l'enceinte 2, ceci afin de loger prés de ces sommets des moyens d'arrosage 25. Dans l'exemple illustré, ces moyens d'arrosage sont constitués par des tubulures 26, 27,... disposées sur les sommets 23, 24,... des cloisons 16. -Chaque tubulure comporte des moyens d'alimentation 126, 127,... en un fluide nettoyant comme, par exemple et tout simplement, de l'eau. Des orifices 28 réalisés latéralement à ces tubulures permettent l'éjection du fluide nettoyant contenu à l'intérieur 29 de ces tubulures, suivant des directions horizontales ou légèrement obliques orientées vers le bas. La hauteur de ces tubulures sur les sommets 23, 24,... des cloisons 16 est telle que, lorsque le couvercle 3 ferme hermétiquement l'enceinte 2, les tubulures soient juste en dessous de la paroi intérieure - 30 du couvercle 3, très proches et même au contact de celle-ci. Le chemin d'écoulement 100 défini ci-dessus constitue, en fait, une des deux voies de l'échangeur thermique. La seconde voie est, elle, constituée par un serpentin 200 situé dans ce chemin d'écoulement. 100, avec un espace entre la paroi intérieure de l'enceinte 2 et celles des parois 115, 116,... et sa paroi extérieure. Dans cet exemple de réalisation, le serpentin 200 est constitué par un conduit tubulaire 40 de section oblongue d'une longueur légèrement inférieure à la profondeur de l'enceinte et d'une épaisseur extérieure inférieure à la largeur du chemin d'écoulement 100, pour que, de chaque côté 41, 42, il existe un espace permettant un écoulement de fluide. De plus, le serpentin 200 est solidaire du couvercle 3 au moyen, par exemple, de pattes de fixation 45. Le serpentin 200 prend donc la position décrite ci-dessus quand le couvercle repose sur le bord supérieur 5 de l'enceinte 2 et ferme cette dernière de façon hermétique. De même, le serpentin 200 comporte, sensiblement à ses deux extrémités, une entrée et une sortie d'alimentation en fluide, pour que celui-ci puisse parcourir tout l'intérieur 46 du conduit tubulaire 40. Une seule de ces deux entrée-sortie apparaît sur les Figures, en 147. Cependant, ces entrée et sortie du serpentin 200 traversent de façon étanche le couvercle 3 et sont, de plus, solidaires de celui-ci. De cette façon, le serpentin 200 est totalement dépendant et solitaire-du couvercle 3 et ne comporte aucun moyen d'accrochage, d'attache ou de liaison avec l'intérieur de l'enceinte 2, de telle façon qu'en enlevant le couvercle 3, le serpentin puisse être extrait de l'intérieur de l'enceinte, sans avoir à réaliser une intervention quelconque. Le fond de l'enceinte comporte, en outre, des moyens 50 pour la vidanger. Dans un mode de réalisation avantageux, ces moyens de vidange comportent des bouches d'évacuation 52, 53,... réalisées dans le fond 51 de L'enceinte 2 coopérant avec des volets qui en commandent leur ouverture et leur fermeture. Plus particulièrement, ces bouches sont constituées par des ouvertures réalisées, par exemple, le long des arêtes 43 et 44 du fond 51 et sont en nombre assez grand pour obtenir une bonne vidange de l'enceinte. Elles débouchent dans un conduit de récupération 54, 55 dont une partie est délimitée par une portion du fond 51 de l'enceinte 2 et des côtés verticaux 19, 20 de celle-ci. Chaque conduit comporte à une extrémité une vanne 58 permettant de l'ouvrir pour évacuer le fluide s'y trouvant. Les bouches 52, 53,... ont leur ouverture commandée par des volets 59, 60,... d'une forme complémentaire de la leur, ces bouches étant notamment plus visibles sur la Figure 4. Les volets d'une même conduite 54, 55,... sont tous montés sur une même tige de commande 61, 62,... dont l'extrémité 63, 64,... traverse de façon étanche l'extrémité obturée de la conduite opposée à celle comportant le bouchon 58. En exerçant des tractions ou des poussées sur cette extrémité, on obtient un glissement des volets 59, 60,... pour ouvrir ou fermer les bouches.Bien entendu, les volets seront maintenus contre les bouches dans leur glissement, par des guides, afin d'obtenir une relativement bonne étanchéité au niveau de ces bouches, bien que cette étanchéité n'ait pas besoin d'être parfaite, étant donné que les conduits dans lesquels elles débouchent sont eux-mêmes obturables de façon étanche, notamment par les bouchons 58 et du fait, de plus, que la tige de commande des volets traverse les parois de ces conduites de façon étanche. Avantageusement, le nombre de ces bouches sera sensiblement égal au nombre d'espaces définis par les cloisons 16 réalisées à l'intérieur de l'enceinte 2, afin, comme il sera explicité ci-après, d'obtenir une bonne vidange de l'enceinte. Suivant les possibilités, les parois de l'enceinte et du couvercle seront réalisées en un matériau relativement thermiquement isolant. Par contre, les parois du serpentin seront réalisées en un matériau bon conducteur de la chaleur comme, par exemple, du cuivre ou de l'aluminium, et le plus souvent de l'acier inoxydable. L'échangeur décrit ci-dessus fonctionne et s'utilise de la façon suivante, la description de ce fonctionnement étant faite en regard plus particulière ment de la Figure 5. Quand l'enceinte 2 est hermétiquement fermée par le couvercle 3, I'échangeur peut fonctionner comme tous les échangeurs classiques, c'est-àdire par exemple que le fluide devant amener des calories peut être mis en circulation dans le chemin d'écoulement 100 en alimentant l'intérieur de l'enceinte à travers les entrée et sortie 114. Par contre, le fluide à réchauf fer circule à l'intérieur du serpentin 200 par les entrée et sortie 147. D'une façon avantageuse les deux circulations obtenues respectivement dans le chemin d'écoulement 100 et dans le serpentin 200 seront effectuées à contresens, afin d'obtenir un rendement d'échange thermique le meilleur possible; Un tel fonctionnement est du type de ceux connus de l'Homme de l'Art et ne présente aucune difficulté. Par contre, quand le fluide parcourant le chemin d'écoulement contient des impuretés 300 susceptibles de se déposer sur les parois du serpentin, comme explicité ci-dessus, le phénomène de transmission thermique peut être diminué, ce qui contribue à un affaiblissement du rendement thermique de l'échangeur. Aussi, est-il nécessaire d'effectuer des interventions de nettoyage afin d'éliminer ces dépôts. Comme mentionné précédemment, lorsque ces dépôts deviennent suffisants pour affecter le rendement de l'échangeur, on arrête le fonctionnement de celui-ci en n'alimentant plus les deux voies de circulation 100 et 200 et on vidange l'enceinte 2. Ensuite, simultanément, on envoie dans les tubulures 26, 27,... du fluide nettoyant, par exemple de l'eau, qui est éjecté par les orifices 28, et on commande l'ouverture des bouches 52, 53,... en exerçant, par exemple, une traction sur les extrémités 63 et 64 des tiges de commande des volets 59, 60,... pour permettre un écoulement à l'intérieur des conduits 54 et 55. Enfin, on commande les vérins 8 et 9 par leur entrée d'alimentation 14 et 15 pour obtenir la sortie des tiges 12 et 13 et donc éloigner le couvercle 3 du bord supérieur 5 de l'enceinte 2.Ces trois opérations sont effectuées simultanément bien que les bouches 52, 53... et les vannes 58 aient pu auparavant être ouvertes pour vidanger préalableme t l'enceinte 2. Comme le serpentin 200 est solidaire du couvercle, il s'élève en même temps que lui par rapport aux tubulures 26, 27,... et notamment à leurs orifices 28 par lesquels est éjecté le fluide nettoyant. Pendant ce mouvement relat f, les jets de fluide nettoyant viennent frapper les parois latérales extérieures du serpentin et les nettoient ainsi de toutes les impuretés 300 qui auraient pu s'y déposer pendant le fonctionnement de l'échangeur thermique. De plus, ce fluide nettoyant s'écoule le long de ces parois jusqu'à venir sur le fond 51 de -l'enceinte 2. Les impuretés entraînées par ce fluide nettoyant peuvent alors s'écouler à travers les bouches 52, 53,... éventuellement de chaque côté de l'enceinte puisqu'elles sont réalisées le long des deux parois latérales 19 et 20 de l'enceinte 2. Le liquide nettoyant chargé des impuretés 300 peut ainsi s'écouler dans les conduits 54 et 55 et être évacué par les extrémités, les vannes 58 ayant été ouvertes. Lorsque le nettoyage, pouvant d'ailleurs être commandé automatique ment, est terminé, les vérins 8 et 9 sont commandés pour refermer l'enceinte 2, les conduites 26, 27,... ne sont plus alimentées en fluide nettoyant, les bouches 52, 53,... sont refermées par les volets 59, 60... et les bouchons 58 sont remis en place. L'échangeur est alors à nouveau prêt à fonctionner normalement avec son rendement rr,axirnum. Dans l'exemple décrit ci-dessus les moyens de vidange de l'enceinte 50 comportent deux conduits 54, 55 situés respectivement sur deux côtés opposés de l'enceinte 2. Cependant dans certains cas de fluides très salissants ou polluants l'enceinte peut comporter des moyens pour introduire au fond 51 de celle-ci un fluide de balayage par exemple de l'eau sous pression. Dans ce cas le nombre des conduits de vidange peut être ramené à un seul et l'autre conduit constituer alors les moyens d'introduction du fluide de balayage. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique comportant une enveloppe (1), des cloisons (16) définissant dans ladite enveloppe un chemin découlement (100), un serpentin (200) disposé dans ladite enveloppe sensiblement le long du chemin d'écoulement, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE ladite enveloppe (1) est constituée d'une enceinte (2) et d'un couvercle (3) pour fermer ladite enceinte, lesdites cloisons (16) étant solidaires de ladite enceinte, -ledit serpentin (200) étant solidaire dudit couvercle, et QU'il comprend des moyens d'arrosage (25) solidaires sensiblement de la partie des cloisons à proximité dudit couvercle (3), lesdits moyens d'arrosage étant aptes à projeter un fluide nettoyant latéralement auxdites cloisons et vers la paroi dudit serpentin (200), et des moyens (50) pour vidanger ladite enceinte (2). 2. Echangeur selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE les cloisons (16) sont constituées par des parois (115, 116) solidaires de ladite enceinte et d'une hauteur inférieure à la distance séparant le fond (51) de ladite enceinte (2) et la paroi intérieure (30) dudit couvercle (3). 3. Echangeur selon la revendication 2, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE lesdits moyens d'arrosage (25) sont constitués par des tubulures (26, 27) situées au sommet (23, 24) desdites parois (115, 116) sensiblement dans l'intervalle compris entre lesdits sommets et la paroi intérieure (30) dudit couvercle (3), lesdites tubulures comportant des orifices latéraux (28) ayant des directions de projection d'un fluide nettoyant vers ledit serpentin (200). 4. Echangeur selon l'une des revendications 2 et 3, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE lesdites parois (115, 116) sont situées dans ladite enceinte (2) sensiblement parallèles les unes aux autres, solidaires alternativement de deux côtés opposés de ladite enceinte, et en délimitant respectivement des espaces (21, 22) avec les autres côtés, de façon à définir un chemin d'écou -lement (100) décrivant des ondulations. 5. Echangeur selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE les moyens de vidange (50) comportent au moins une bouche (52, 53) située sensiblement dans le fond (51) de ladite enceinte (2), un volet d'obtu ration (59, 60) de ladite bouche, des moyens pour commander (61-64) ledit volet, et des moyens de récupération (54, 55, 58) de fluide émergeant de ladite bouche. 6. Echangeur selon la revendication- 5, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE lesdits moyens de récupération de fluide émergeant de ladite bouche sont constitués par au moins un conduit (54, 55) formé avec une partie des côtés (19, 20) de ladite enceinte (2) comportant ladite bouche, ledit conduit étant obturé par une vanne (58). 7. Echangeur selon les revendications 4 à 6-, CARACTERISE PAR LE FAIT QU'il comporte une pluralité de bouches, lesdites bouches étant situées le long d'une arête (43, 44) formée par au moins un côté (19, 20) de ladite enceinte (2) et son fond (51), lesdites bouches étant en norr,bre sensiblement égal à celui desdites ondulations. 8. Echangeur selon la revendication 7, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE les moyens pour commander lesdits volets (59, 60) coopérant avec lesdites bouches (52, 53) sont constituées par une tige (61, 62) sur laquelle sont fixés lesdits volets, une extrémité (63, 64) de ladite tige émergeant à travers un passage étanche dudit conduit (54, 55). 9. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, CARACTERISE PAR LE FAIT QU'il comporte des moyens (8, 9) pour commander le déplacement dudit couvercle (3) par rapport à ladite enceinte -(2). 10. Echangeur selon la revendication 9, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE lesdits moyens pour commander le déplacement dudit couvercle par rapport à ladite enceinte comportent au moins un vérin (8, 9) constitué d'un corps (10, 11), de moyens de commande (14, 15) et d'une tige (12, 13) apte à être déplacée par rapport audit corps, ledit corps étant solidaire d'un des deux éléments enceinte-couvercle, la tige étant solidaire de l'autre. 11. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 10, CARACTERISE PAR LE FAIT QU'il comporte des moyens de balayage du fond (51) de ladite enceinte (2) par fluide sous pression.