Brevet FR2622685A1 — publié le 19890505

ECHANGEUR DE CHALEUR GAZ/LIQUIDE AVEC CONDENSATION. La présente invention a trait à un perfectionnement apporté aux échangeurs de chaleur gaz/liquide dans les- quels l'échange thermique entraîne une condensation to- tale du gaz. Outre les échangeurs à plaques et les échangeurs tubulaires conventionnels, il a été proposé depuis fort longtemps, notamment par le Demandeur, de réaliser des échangeurs de chaleur constitués de blocs parallélépipé- diques ou cylindriques en graphite, dans lesquels sont percés deux séries de canaux, en général de forme cylindrique et disposés orthogonalement les uns par rapport aux autres de manière à réaliser des circuits indépendants pour les deux fluides entre lesquels doit s'effectuer l'échange thermique. De tels blocs qui pré- sentent l'avantage de pouvoir être construits en série et d'être interchangeables, non seulement permettent d'obtenir une très grande surface d'échange thermique mais permettent également de réaliser des échangeurs qui peuvent être facilement adaptés en fonction des applica- tions particulières pour lesquelles l'échangeur doit être réalisé, puisqu'il se présente sous la forme de modules qu'il suffit d'empiler à l'intérieur d'une enceinte définissant les chambres indépendantes pour la circulation des fluides. Par ailleurs, il est évident que les problèmes d'étanchéité sont parfaitement résolus étant donné que les canaux de circulation de fluide sont percés dans la masse. De tels échangeurs sont utilisés dans de très nom- breux domaines, par exemple pour assurer le réchauffage d'un liquide (solution acide à faible concentration par exemple), et ce au moyen d'un gaz à température élevée (vapeur d'eau en général). -2- Les principaux problèmes qui se posent avec de tels échangeurs sont, d'une part, celui de l'écoulement ré- gulier des condensats formés à partir de la phase gazeu- se entrante lors de l'échange thermique, afin d'éliminer tout risque de vibration ou de coups de bélier qui sont particulièrement préjudiciables lorsque les matériaux utilisés pour réaliser les blocs sont sensibles aux chocs (cas du graphite par exemple) et, d'autre part, celui de la distribution régulière de la phase gazeuse entrante sur toute la hauteur de l'échangeur. Or on a trouvé, et c'est ce qui fait l'objet de la présente invention, un perfectionnement à ce type d'échangeur constitué de blocs percés de deux séries de canaux permettant de réaliser des circuits indépendants de circulation de gaz et de liquide à réchauffer et qui permet de résoudre l'ensemble de ces problèmes. D'une manière générale, l'échangeur de chaleur gaz/ liquide conforme à l'invention est du type constitué d'éléments modulaires sous forme de blocs juxtaposés à l'intérieur d'une enceinte et dans lesquels sont percés deux séries de canaux s'étendant,l'une sur toute la hau- teur des blocs, l'autre sur toute leur largeur, et permettant respectivement la circulation de la phase liquide et de la phase gazeuse entre lesquelles doit être réalisé l'échange thermique: - lesdits blocs étant disposés à l'intérieur de l'enceinte de manière à former une colonne reliée à sa base et à sa partie supérieure au circuit permettant l'amenée et la circulation de la phase liquide à l'intérieur des conduits longitudinaux, - l'espace entre l'enceinte et la colonne centrale précitée étant séparée en deux chambres, l'une dite chambre d'admission, étant reliée au circuit d'alimenta- tion en phase gazeuse et l'autre, dite chambre de récu- -3- pération étant reliée au circuit d'évacuation des con- densats formés lors de 1' échange thermique. L'échangeur selon l'invention se caractérise en ce que: - l'introduction de la phase gazeuse dans la cham- bre d'admission est réalisée au moyen d'un boitier de distribution permettant de répartir ladite phase gazeuse sur toute la hauteur de cette chambre; - les conduits transversaux percés dans les blocs d'échange proprement dit et qui relient la chambre d'ad- mission à la chambre de récupération présentent une légère pente descendante dans le sens de la circulation de la phase liquide qui se forme par condensation à partir de la phase gazeuse entrante. Avantageusement et en pratique: - les blocs d'échange et l'enceinte qui les entou- re se présentent sous la forme cylindrique; il est évident qu'il est également possible de réaliser ledit échangeur conforme à l'invention sous une forme autre que cylindrique; - le boitier de distribution de la phase gazeuse sur toute la hauteur de l'échangeur est disposé à l'ex- térieur de l'enceinte, des fentes verticales étant pré- vues sur ladite enceinte afin de répartir le gaz sur toute la hauteur de la chambre, au moins un déflecteur étant par ailleurs disposé, en regard desdites fentes, dans l'espace compris entre l'enceinte extérieure et la colonne centrale d'échange, afin de répartir le gaz sur toute la surface de la colonne disposée à l'intérieur de la chambre d'admission. - 4 - L'invention et les avantages qu'elle apporte seront cependant mieux compris grâce à l'exemple de réalisation donné ci-après à titre indicatif mais non limitatif, et qui est illustré par les figures annexées dans lesquel- les: - la figure 1 est une vue schématique en perspecti- ve éclatée de l'ensemble d'un échangeur conforme à l'in- vention; - la figure 2 est une vue schématique en coupe se- lon le plan AA de la figure 1 illustrant la manière dont est réalisé l'échange thermique; - la figure 3 est une vue de détail du système de distribution Fermettant de répartir la phase gazeuse sur toute la hauteur de l'échangeur. Si l'on se reporte aux schémas annexés et plus par- ticulièrement à la figure 1, l'échangeur conforme à l'invention est du type constitué d'éléments modulaires (1), se présentant sous la forme de blocs, au nombre de trois dans l'exemple illustré à la figure 1, maintenus juxtaposés à l'intérieur d'une enceinte (2). Ces éléments modulaires (1) sont constitués d'un bloc de matériau choisi en fonction de la nature des fluides ou gaz entre lesquels doit s'effectuer l'échange thermique et qui, dans le cas présent, est du graphite. Les blocs (1) sont percés de deux séries de canaux (3,4) permettant de réaliser des circuits indépendants pour le gaz et le liquide. Dans l'exemple de réalisation illustré, les blocs (1) et l'enveloppe (2) sont de forme cylindrique mais il est évident que l'échangeur pourrait avoir une toute au- tre forme,par exemple parallélépipédique. Les canaux (3), dits "canaux longitudinaux", s'étendent parallèle- ment à l'axe de révolution des blocs alors que les canaux (4) dits "canaux transversaux" sont disposés - 5 - parailèlement les uns aux autres entre chaque série de canaux longitudinaux (3). Les blocs constituant tout l'ensemble d'échange sont disposés à l'intérieur de l'enceinte (2) de manière à former une colonne centrale. Les blocs (1) sont mon- tés à l'intérieur de l'enveloppe par l'intermédiaire de glissières (5) (une seule étant représentée à la figure i) s'étendant sur toute la hauteur de la colonne. Ces glissières (5) permettent de former deux chambres sépa- rées l'une de l'autre dans l'espace compris entre la périphérie de la colonne centrale et l'enveloppe, l'une dite chambre d'admission (6), l'autre dite chambre de récupération (7). L'amenée de la phase liquide au tra- vers des conduits longitudinaux (3) est réalisée par la base de l'ensemble au moyen d'un circuit d'alimentation approprié (8), relié à un circuit d'alimentation liqui- de, l'évacuation étant réalisée par la partie supérieure au moyen d'une conduite d'évacuation (9) (non représen- tée à la figure 1). Conformément à l'invention, afin d'assurer une ré- partition régulière à l'intérieur de la chambre d'admission (6) de la phase gazeuse destinée à réchauf- fer la phase liquide circulant à l'intérieur des con- duits (3), l'alimentation de la chambre d'admission (6) est réalisée indirectement en faisant déboucher le conduit (10) d'amenée de cette phase gazeuse, non pas directement à l'intérieur de l'espace compris entre la zone d'échange et l'enveloppe, mais dans un boitier de distribution (11) prévu à l'extérieur de ladite enveloppe (2). Ce boitier de distribution (11) qui entoure partiellement l'enveloppe s'étend sur pratiquement toute sa hauteur. L'introduction de la phase gazeuse à l'intérieur de la chambre d'admission (6) est réalisée - 6 - en prévoyant sur l'enveloppe un passage (12), en forme de fente. Ce passage (12) en forme de fente peut être soit continu et s'étendre sur toute la hauteur (voir figure 3), soit être constitué d'une pluralité de fentes disposées dans le prolongement l'une de l'autre, par exemple au nombre de deux comme représenté à la figure 1. Grâce à un tel mode de réalisation, la distribution de la phase gazeuse s'effectue sur toute la hauteur de l'échangeur. Par ailleurs, pour assurer une bonne répar- tition sur toute la périphérie des blocs, des déflec- teurs en forme de plaques (13) peuvent être disposés, à l'intérieur de l'espace libre compris entre la colonne centrale et l'enveloppe, en regard des fentes d'introduc- tion de la phase gazeuse. Grâce à un tel mode de réalisa- tion, la phase gazeuse est non seulement répartie régu- lièrement sur toute la hauteur des blocs d'échange (1), mais également sur toute la surface périphérique desdits blocs situés dans la chambre d'admission (6). Dans l'échangeur conforme à l'invention, l'intro- duction de la phase gaz peut être réalisée soit au moyen d'un seul conduit (10), disposé dans ce cas sensiblement à mi-hauteurde l'échangeur comme représenté à la figure 1, soit éventuellement, ainsi que cela a été représenté à la figure 2, au moyen de plusieurs conduits (10a,10b, c) répartis sur la hauteur du boitier de distribution. Par ailleurs, selon une autre caractéristique de l'échangeur conforme à l'invention, les canaux transver- saux (4) dont la section peut être soit circulaire, elliptique.., ne sont pas disposés horizontalement mais présentent une légère pente descendante dans le sens de la circulation de la phase liquide qui se forme par condensation à partir de la phase gazeuse entrante. En général, une pente de l'ordre de 2 à 3 convient par- faitement. -7 L'évacuation des condensats formés de l'intérieur de la chambre de récupération (7) est obtenue au moyen d'un conduit d'évacuation (14) prévu à la base de la chambre de récupération. Les sections des conduits d'alimentation (10) et d'évacuation (14) seront calculées en fonction du débit de la phase gazeuse en rapport de section de un tiers pour- le conduit d'évacuation (14) à deux tiers pour le conduit d'admission (10) convenant pour la plupart des applications. Grâce à une telle structure, il est possible d'ob- tenir un échangeur d'une grande efficacité et dans lequel l'écoulement des condensats à l'intérieur des conduits transversaux (4) est fait de manière régulière en éliminant tout risque de vibration ou de coups de bélier, phénomènes particulièrement préjudiciables lorsque les blocs (1) sont à base de matériaux très sensibles aux chocs, ce qui est le cas du graphite. Par ailleurs, un tel type d'échangeur permet de meilleures performances grâce à l'optimisation de la surface liée à la condensation. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit précédemment, mais elle en couvre toutes les variantes réalisées dans le même esprit. -8- REVENDICATIONS 1/ Echangeur de chaleur gaz/liquide avec condensa- tion du type constitué d'éléments modulaires sous forme de blocs (1) juxtaposés à l'intérieur d'une enceinte (2) et dans lesquels sont percés deux séries de canaux (3,4), l'une (3) sur toute la hauteur des blocs (1), l'autre (4) sur toute leur largeur et permettant respectivement la circulation de la phase liquide et de la phase gazeuse entre lesquelles doit être réalisé l'échange thermique: - - lesdits blocs (1) étant disposés à l'intérieur de l'enceinte (2) de manière à former une colonne reliée à sa base et à sa partie supérieure au circuit (8,9) permettant l'amenée et la circulation de la phase liquide à l'intérieur des conduits longitudinaux (3); - l'espace entre l'enceinte (2) et la colonne cen- trale précitée étant séparée en deux chambres (6,7), l'une (6) dite chambre d'admission, étant reliée au circuit d'alimentation (10) en phase gazeuse et l'autre (7) dite chambre de récupération étant reliée au circuit d'évacuation (14) des condensats formés lors de l'échange thermique, caractérisé en ce que: - l'introduction de la phase gazeuse dans la cham- bre d'admission (6) est réalisée au moyen d'un boitier de distribution (11) permettant de répartir ladite phase gazeuse sur toute la hauteur de la chambre (6); - les conduits transversaux (4) percés dans les blocs d'échange (1) proprement dits et qui relient la chambre d'admission (6) à la chambre de récupération (7) présentent une légère pente descendante dans le sens de la circulation de la phase liquide qui se forme par condensation à partir de la phase gazeuse entrante. -9- 2/ Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les blocs d'échange (1) et l'enceinte (2) qui les entoure se présentent sous une forme cylindri- que. 3/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que le boitier de distri- bution (11) de la phase gazeuse sur toute la hauteur de l'échangeur est disposé à l'extérieur de l'enceinte (2), des fentes verticales (12) étant prévues sur ladite en- ceinte (2) afin de répartir le gaz sur toute la hauteur de la chambre (6), au moins un déflecteur (13) étant par ailleurs disposé en regard desdites fentes (12) dans l'espace compris entre l'enceinte extérieure (2) et la colonne centrale d'échange, afin de répartir le gaz sur toute la surface de la colonne disposée à l'intérieur de la chambre d'admission (6). 4/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce quela pente des conduits transversaux (4) est de l'ordre de 2 à 3 .