Brevet FR2598794A1 — publié le 19871120

L i r' Cri t i On concerne un condenseur dans lequel l'échange de chaleur entre deux milieux provoque la condensation d'un fluide gazeux, du type condenseur à plaques. Il existe différents types de condenseur s parmi lesquels les condenseurs de type à plaque et les condenseurs de type à tubes, mais le problème commun qui se pose à tous ces condenseurs pour améliorer les performances de transfert de chaleur, est lié au coeffi- cient de pellicule caractérisant la facilité aec laquelle le transfert de chaleur se fait sur la surface de transfert de chaleur. Le coefficient de pellicule est donne par le rapport de la conductibilité thermique de la pellicule liquide à l'épaisseur de celle-ci. Par suite, ce coefficient de pellicule est déterminé par les condi- tions dans lesquelles le liquide condensé adhère à la surface de trar,sfert de chaleur. Quand on considère ces conditions d'adhé- rence du liquide condensé à la surface de transfert de chaleur on constate qu'un film de liquide condensé descend sur la totalité de la surface de transfert de chaleur se trouvant en face d'un espace dans lequel on introduit le milieu gazeux à condenser ce milieu gazeux étant par exemple de la sapeur d'eau. On constate également que ce film ou pellicule de liquide augmente progressivement d'épaisseur au fur et à mesure du processus de condensa tion jusqu'à ce qu'il coule de son propre poids ou soit entrainé par le courant de sapeur pour descendre le long de la plaque de transfert de chaleur. Comme cette pellicule de liquide coulant le long de la surface de transfert de chaleur bloque le contact thermique entre cette surface et le milieu gazeux, et comme l'épaisseur de cette pellicule augmente progressivement ers le bas de la surface de transfert de chaleur, le coefficient de pellicule augmente très vite vers le bas de la surface de transfert de chaleur en réduisant ainsi considérablement les performances de transfert de chaleur. Par suite. pour améliorer ces performances sur l'ensemble de la surface de transfert de chaleur sur laquelle le milieu gazeux se condense, il est nécessaire d'empêcher l'épaisseur de la pellicule de liquide condensé de devenir trop importante sur l'ensemble de la surface de transfert de chaleur. Pour répondre a' ce besoin, on utilsie classiquement une surface de transfert de chaleur munie de rainures ou de cannelures. Dans une telle structure de surface de transfert de chaleur on amene le milieu a' condenser., de la sapeur d'eau par exemple, sur la surface de condensation tourne sers ce milieu gazeux, ce milieu étant refroidi par l'autre milieu, tel que de l'eau par exemple. qui sert de liquide de refroidis sement et qui produit une condensation collectée ensuite dans les parties en creux (sues du coté du milieu gazeux à condenser) des cannelures de la surface de transfert de chaleur. Cette localisation du liquide condensé dans les parties en creux se fait sous l'effet de la tension de surface, et ce liquide coule ensuite dans ces parties en creux ; celà permet de conserver comme surfaces de transfert de chaleur les sommets des cannelures non recouverts par une pellicule épaisse de condensation. Cette structure de surface de transfert de chaleur permet de diminuer la surface relative de la pellicule de liquide de condensation coulant le long de la plaque i insersement la surface utile de transfert de chaleur non recouverte par une pellicule épaisse de condensation se trouve augmentée, ce qui améliore les performances de transfert de chaleur. L'invention a pour but de perfectionner la structure décrite ci-dessus de surface de transfert de chaleur munie de rainures ou de cannelures. en tenant compte du fait que les valeurs optimales à choisir pour le pas et la profondeur des cannelures de la surface de transfert de chaleur dépendent de la nature du liquide de condensation et en particulier de la tension superficielle de celui-ci. Compte tenu de cette caractéristique l'invention a pour but de créer une structure de surface de condensation présentant les performances optimales de transfert de chaleur pour traiter des fluides organiques dont la tension superficielle ne dépasse pas 35 dyne/cm. A cet effet. l'invention concerne un condenseur pour fluides organiques gazeux, dont la tension; superficielle ne dépasse pas 35 dyne/cm. caractérisé e ce que chacune des surfaces de transfert de chaleur et de condensation est munie d'un certain norbre de rigoles verticales espacées trans-ersalement. le pas et la profcn- deur de ces rigoles étant respectivement de 1 à L 2 et de 0,3 à 0.6 mm. Selon 1' inventon. le liquide de conden- sation se formant sur la surface de transfert de chaleur sur laquelle se condense le milieu gazeux, se rassemble dans les creux c'est-à-dire dans les rigoles collectrices de liquide des cannelures, sous l'effet de la tension superficielle, et ce liquide coule dans les rigoles de sorte que les sommets des cannelures sont en contact djrect ou par l'intermédiaire d'une pellicule de liquide très mince, avec le milieu gazeux. Il en résulte que la surface de transfert de chaleur présente dans son ensemble une pellicule de condensation d'épaisseur très réduite, ce qui améliore considératlement les performances de transfert de chaleur. Ces caractéristiques ainsi que d'autres avantages de l'insentior, apparaitront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit et qui se réfère aux dessins ci-joints dans lesquels - la figure 1 est une vue partielle, en perspective, d'une surface de transfert de chaleur selon l'invention :: - la figure 2 est une sue en coupe suivant la ligne Il-Il de la figure 1 - la figure 3 est Ü graphique représen- tant la relation entre le pas des cannelures formes sur la surface de transfert de chaleur et le coefficient de transfert de chaleur global de cette surface - la figure 4 est une sue relativement schématique représentant en coupe la partie essentielle d'un condenseur de type à plaques - la figure 5 est une sue e@ coupe d'une variante de réalisation du condenseur de la figure 4, et - la figure 6 est une sue en coupe d'une autre variante de réalisation du condenseur de la figure L. Les figures 1 et 2 représentent. à titre d'exemple, une forme de réalisation de l'invention s appliquant à un condenseur de t!pe c plaques comprenant un certain nombre de plaques élémentaires de transfert de chaleur 1.Chaque plaque 1 est cannelée, les creux et les bosses de Ces cannelures étant repérés respectivement par les références 3 et 4 lorsqu'on regarde le côté de la surface de transfert de chaleur 2 sur lequel le milieu gazeux se condense. a condensation se présentant sous la forme de gouttelettes initialement formées sur la totalité de la surface de transfert de chaleur, se rassemble en gouttes plus grosses avant de couler sous forme de pellicule liquide épaisse, les gouttes ne se rassemblant que dans les creux 3 sous l'effet de la tension de surface comme indiqué par la référence 5, et coulant sous l'effet de leur propre poids et du courant de gaz. Ainsi le liquide condensé se rassemble pour couler le long des creux c'est-à-dire des rigoles colectrices 3. Par suite les bosses L des cannelures sont en contact direct ou par l'intermédiaire d'une pellicule liquide extrémement fine. avec le milieu ga2eux de sorte que la surface de transfert de chaleur 2 présente dans son ensemble une partie recouserte de liquide beaucoup moins importante, cette pellicule de liquide épaisse étant nuisible aux performances de transfert de chaleur. Sur le surface de transfert de chaleur 2. les différentes rigoles ccl lectrices de liquide 3 sont disposées sertit cal errent et espacées transversalement. Comme indiqué ci-dessus. les valeurs optimales de pas p et de profondeur d des rigoles collectrices de liquide déper,dent de la nature du liquide condense, et en parti- culer de sa tensior, superficielle. L'inxention est destinée à créer une structure de surface de transfert de chaleur et de condensatiori optimisée pour traiter des fluides organiques tels que l'ammoniaque et le Freon 114 dont la tension superficielle, f dépasse pas 35 dyne/ cm, ces corps à l'état gazeux constituant la sapeur a condenser. A ce sujet, la tension superficiel le de l'ammoniaque est de 35 dyne/cr et celle du Freon 114 est de 15 dyne/cm. Comme on peut le constater sur la figure 3 qui représente la relation entre le pas p des rigoles collectrices de liquide 3 et le coefficient de transfert de chaleur global de la surface de transfert de chaleur 2, pour des expériences réalisées sur l'ammoniaque et le Fréon 114, la valeur optimale de p est d'environ 1 mm pour l'ammoniaque et 1,5 m pour le Freon 114. Cela montre que le pas p des rigoles collectrices de liquide 3 doit être plus grand pou un fluide de tension superficielle plus faible. Cependant, si ce pas p dépasse 2 mm environ, le coefficient de transfert de chaleur global commence à décroître.On peut ainsi constater que si 1 'on utilise comme mi lieu gazeux à condenser, un fluide organique dont la tension de surface ne dépasse pas 35 dyne/cm, le pas p Ces rigoles collectrices de liquide 3 formes sur la surface de transfert de chaleur et de condensation, doit de préférence etre de l'ordre de 1 2 mm. La profondeur d des rigoles collectrices de liquide 3 est étroitement liée au pas p. comme décrit ci-dessus, et pour des fluides organiques de tension de surface ne dépassant pas 35 dyne/cm. on a constaté cue la profondeur a devait de préférence entre environ le tiers du pas p, c'est-à-dire plus concretement de l'ordre de G,3 à 0,6 mm. Bir que l'invention ait été décrite jusqu'ici comme s'appliquant a' un condenseur de type à plaques, l'invention ne se limite pas à cette utili sation particulière et peut aussi bien s'appliquer à des condenseurs utilisant d'autres types de surfaces de transfert de chaleur et de condensation, comme des tubes par exemple. Dans la structure de surface de transfert de chaleur à cannelures décrite ci-dessus, il serait nécessaire, dans le cas d'un condensateur de type à plaques, de prévoir des entretoises convenables montées aux bons endroits sur les surfaces de transfert de chaleur pour maintenir un espacement convenable entre plaques adjacentes. En effet, le fait de placer les plaques adjacentes en butée les unes contre les autres par leurs crêtes en saillie aurait pour conséquence de réduire la surface de ces crêtes et par conséquent, la surface utilise de transfert de chaleur en réduisant ainsi les performances du condenseur.Cependant, du point de vue de la solidité et de la résistance à la pression, il n'est pas souhaitable de ne compter que sur ces entretoises pour supporter les pla@ues et maintenir le bon espacement entre celles-ci. De plus, si l'on utilise un fluide organique de volume spécifique pl@s petit que celui de la sapeur d'eau, comme par exemple de l'ammoniaque ou du furant, il est nécessaire de prévoir une section d'espa- ceme entre plaques adjacentes plus petite que dans le cas de la vapeur d'eau, ce qui entraine nécessairement d'amener les crêtes en butée ou du moins extremement près les unes des autres. comme décrit ci-dessus, en réduisant ainsi les performances de con@ensation. Une autre solution consisterait à utiliser deux types d'en tretoises, l'un pour réduire l'espacement des plaques coté milieu gazeux et l'autre pour augmenter l'espace- ment des plaques cote milieu liquide, mais cela compli tuerait beaucoup les opérations de montage-. Les figures 4 à 6 représentent une forme de réalisation d'un condenseur de type à plaques destiné à résoudre les problèmes ci-dessus. Ce condenseur comprend un certain nombre de plaques élementaires verticales montées de manière à définir entre elles des espaces destinés à recevoir deux milieux en échange thermique, chaque plaque étant munie d'un certain nombre de crêtes ou nervures verticales espacées transversalement et faisant saillie dans les espaces contenant le milieu gazeux à condenser. Ces nervures viennent buter cotre la surface de la plaque adjacente opposée. Le liquide condensé se rassemble et coule le lorg des zones adjacentes où les nervures viennent buter contre les surfaces des plaques. Ces nervures servent d'entretoises permettant de maintenir l'espacement entre les plaques adjacentes, et serrent également å renforcer les plaques. Dans cette structure les plaques ont une plus grande solidité et une meilleure résistance à la pression de sorte que le traitement en grandes quantités devient possible. De plus. la collecte et l'évacuation du liquide condensé des surfaces de transfert de chaleur se font mieux, ce qui améliore les performances de transfert de chaleur. D'autre part, en choisissant et en combinant convenablement la hauteur, la largeur. le pas et le nombre des nervures, on peut régler la section et l'espacement des plaques destinées a recevoir les deux milieux, en fonction de la nature du fluide à traiter. Cet avantage est particulièrement intéressant lorsqu'on utilise comme milieu gazeux de l'ammoniaque, du furan ou autres fluides analogues. Sur la figure 1 le concenseur de t!pe à plaques comprend un certain nombre de plaques élem.er- taires la - lf entre lescuelles sort définis les espaces A destinés à recevoir le milieu gazeux à condenser, ce milieu gazeux état l'un de s deux milieu@ en échange thermique. Les espaces A sont alternés arec les espaces e destinés a recevoir l'autre milieu constituant le milieu de refroidissement.Chacune ces plaques la- If est munie d'un certain nombre de nervures 2e - 2f solidaires les une s des autres, darus l'exemple illustré ici. Ces nervures sont disposées verticalement et espacées transversalement. Dans chaque plaque les nervures font saillie dans l'espace A du milieu à condenser, et dans chaque paire de plaques adjacentes les nervures de chaque plaque sont décalées d'une quantité convenable (1/2 pas dans l'exemple illustré ici), de manière à venir buter contre les surfaces plates de la plaque opposée. De cette maniere, les nervures -2a - 2f divisent 1 espace A en un certain nombre de petites sections A'. En d'autres termes, la section de l'espace A est réduite d'une quantité correspondant au proouit du nombre de nervures par la section de chacune d'eUes, tandis que la section de l'espace B est augmenté de cette meme quantité. Cette caractéristique est axan- teneuse quand le milieu gaz eux è condenser est un fluide organique de faible volume spécifique tel que de 1 am- moniaque ou du furan. De plus, dans ce type de condenseur où un milieu gazeux est condensé par le refroidissement c é un milieu liquide. la pression du milieu liquide est plus élevée que celle du milieu gazeux de sorte que la différence de pression a g i t dans le sens tendant à comprimer les espaces A contenant le milieu gazeux, ce qui risque d'endommager les plaques.Cependant, dans la forme de réalisation décrite ci-dessus, les nervures 2e - 2f évitent ce risque de détérioration en augmentant la résistance à la pression. et la solidité des plaques, et en augmentant ainsi la capacité de traitement du corcensateur Dans la disposition de la figure 4, le milieu gazeux introduit dans les espaces A descend le long des surfaces de plaques verticales et se condense por échange d e chaleur avec le milieu réfrigérant introduit dans les espace s adjacents 6, cet échange de chaleur se faisant a' à travers les parois des plaques. Le liquide de condensation obtenu est évacué par effet de tension superficielle, vers les angles situés entre les nervures 2a - 2f et les surfaces de plaques la - lf contre lesquelles elles viennent buter.Ce liquide coule ensuite exclusivement le long de ces angles. Ainsi, dans les surfaces de transfert de chaleur et de condensation sur lesquelles le milieu gazeux se condense, la proportion des surfaces non recouvertes par une pellicule de liquide empêchant les échanges thermiques, se trouve notablement augmentée. Cela permet d'obtenir une collecte et une évacuation très efficaces du liquide de condensation à partir des surfaces de transfert de chaleur, ce qui améliore les performances de transfert de chaleur du condenseur. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 5, le condenseur utilise des plaques 10 munies de nervures 12 disposées une par une à distances égales, et des plaques 11 munies de nervures 13 et 14 disposées deux par deux à distances égales. Cette disposition améliore encore l'effet obtenu dans la forme de réalisation de la figure 4. Les plaques représentées sur la figure 6 sont de même forme que celles de la figure 5, la seule différence étant qu'elles sont simplement alternées dans le même sens. Les caractéristiques obtenues sont sensiblement les mêmes que celles décrites ci-dessus. Bien qu'on ait décrit ici les formes actuellement préférées de réalisation des différentes caractéristiques de l'invention, il est évident pour les spécialistes de la question que de nombreuses modifications et variantes sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATION Condenseur de type à plaques, caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre de plaques élémentaires montées ensemble de manière à définir des espaces destinés à recevoir deux milieux en échange thermique, chacune de ces plaques élémentaires comportant un certain nombre de nervures verticales espacées trans- versalement, ces nervures faisant saillie dans les espaces destinés à recevoir le milieu gazeux a condenser, et venant buter contre la surface de la plaque adjacente opposée.