Brevet FR2642154A1 — publié le 19900727

La présente invention concerne le refroidissement de fluides notamment de fluides gazeux bien qu'elle puisse être mise en oeuvre de même manière pour le refroidissement de fluides liquides, au moyen d'un fluide plus froid ne devant en aucun cas pouvoir venir en contact avec le fluide - refroidir. L'invention s'applique de même manière au réchauffage d'un fluide froid par un fluide plus chaud mais ne devant pas venir en contact avec le fluide froid. L'invention trouve des applications et usages dans différentes techniques. Elle concerne notamment le refroidissement, respectivement le chauffage, de fluides - partir de fluides pollués ou encore le refroidissement, respectivement le chauffage, de fluides très corrosifs ou pouvant être dangereux comme cela se rencontre dans l'élaboration de différents produits de l'industrie. Conformément v l'invention, le procédé pour le refroidissement d'un fluide chaud par un fluide froid ou inverserent sans qu'il y ait de surfaces d'échange de chaleur entre les deux fluides, procédé dans lequel on utilise un fluide intermédiaire amené A circuler dans un conduit fermé dont un brin est disposé dans le fluide chaud et un autre brin disposé dans le fluide froid est caractérisé en ce qu'on prévoit plusieurs nappes de conduits présentant chacune un brin disposé dans le fluide chaud et un brin disposé dans le fluide froid et en ce qu'on isole lesdits brins des nappes. L'invention s'étend également un échangeur pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus. Conformément - cette seconde disposition de l'invention, l'échangeur pour la mise en oeuvre du procédé est caractérisé en ce qu'on dispose de part et d'autre d'une plaque de séparation au moins un jeu de barrettes reliées à des jeux de plaques, elles-mêmes reliées 2 des cadres connectés - d'autres plaques! pour délimiter au moins un circuit pour un fluide vaporisable, ladite plaque de séparation présenta L plusieurs jeux de trous pour l'établissement d'au moins deux circuits indépendants contenant un fluide vaporisable. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, A titre d'exemples non limitatifs, au dessin annexé. La fig. 1 est une perspective schématique d'un échangeur A fluide intermédiaire illustrant une disposition connue de la technique mais nécessaire 4 la compréhension de l'invention. La fig. 2 est une courbe faisant apparaître une caractéristique de l'échangeur de la fig. 1. La fic. 3 est ue perspective schématique d'un échangeur mettant en oeuvre un des aspects de l'invention. La fic. 4 est une courbe analogue t la fig. 2 faisant apparaître des caractéristiques de l'échangeur de la fig. 3. La fic. 5 est une perspective analogue - la fig. 3 d'une autre disposition de l'échangeur. La fic. 6 est une élévation frontale d'un échangeur du type --'- plaque mettant en oeuvre l'invention et réalisé suivant une disposition particulière de cette invention. La fig. 7 est une coupe prise suivant la ligne VII-VII de la fig. 6. La fig. 8 est une perspective éclatée mais partielle de l'échangeur des fig 6 et 7. La fig. 9 est une perspective, analogue aux fia. 3 et 5, illustrant une autre disposition de l'échangeur en même temps qu'une conception différente de celui-ci. La fig. 10 est une coupe prise suivant la ligne X-X de la fig. 8 tout en illustrant une caractéristique supplémentaire. La fig. 11 est une coupe analogue > la fig. 10 illustrant une variante. La fig. 12 est une coupe analogue la fig. 10 illustrant une caractéristique supplémentaire. La fig. 13 est une coupe analogue J la fig. 7 d'une variante. Pour faciliter la compréhension du procédé ainsi que des formes de réalisation de l'échangeur pour sa mise en oeuvre décrits dans ce qui suit, on se réfère tout d'abord la fig. 1 qui illustre un échangeur de chaleur, désigné dans son ensemble par 1, du type connu dans la technique sous la dénomination "caloduc" ou "caloduct". Le caloduc 1 comporte un conduit 2 fermé sur lui-même délimitant deux brins 2a, 2b munis chacun d'éléments échangeurs indirects 3, 3a devant être traversés l'un, l'élément 3, par de l'air refroidisseur (froid) illustré par les flèches fl et l'autre par un fluide ? refroidir (chaud) illustré par-les flèches f2. Le conduit 2 contient un fluide intermédiaire caloporteur qui est choisi parmi les fluides susceptibles d'être condensés ' la température de l'air refroidisseur et d'être vaporisés n la température de l'air A refroidir. Des fluides de cette nature sont bien connus dans la technique et sont le plus souvent constitués par des composés du chlore et du fluor, par exemple le tétrachloro-fluorométhane constituant l'un des fluides connus sous la marque de fabrique Fréon. Un caloduc comme celui décrit brièvement cidessus est habituellement disposé de manière que les éléments d'échange 3 et le brin 2a se trouvent m la partie haute de sorte que le brin 2b et l'élément d'échange 3a se trouvent 5 la partie basse, ce qui permet l'écoulement par gravité du fluide condensé dans le brin 2a vers le brin 2b. Si l'on désigne par - TEC la température d'entrée du fluide intermédiaire chaud dans le brin 2a, - TSC la température de sortie du fluide intermédiaire chaud, - TEF la température d'entrée du fluide froid ou refroidisseur circulant suivant les flèches fl et - TEV la température d'évaporation/condensation du fluide intermédiaire, on constate ce qui suit en se référant aux fig. 1 et 2. Le fluide intermédiaire s'évapore dans le brin 2b et se condense dans le brin 2a à pression pression et température égales lA TEV. L'efficacité de l'échange thermique est définie par : t = TEC - TEV et elle est maximum TEC - TEF lorsque 8 = 1, c'est-à-dire TSC = TEF. Dans le cas du caloduc de la fig. 1, TSC ne peut pas être inférieur 9 TEV. Par conséquent, l'efficacité maximum qui ne pourrait être atteinte que pour un échangeur de taille infinie est 8 MAX = TEC - TEV TEC - TEF En supposant que les débits calorifiques du fluide refroidisseur et du fluide à refroidir soient identiques, la température d'évaporation/condensation TEV est TUT = 1 (TEC + TEF) 2 et : # MAX = TEC - 0,5TEC - 0,5TEF TEC - TEF Il apparaît ainsi que l'utilisation d'un caloduc selon la fig. 1 ne peut conduire qu'l une efficacité maximale inférieure 0,5 dans des condition idéales dans lesquelles 1es débits de fluide refroidisseur et de fluide à refroidir sont les mêmes.L'efficacité de 0,5 n'étant atteinte qu'avec des ensembles échangeurs de taille infinie. Selon le procédé de l'invention, pour améliorer l'efficacité de l'échange thermique, on met en oeuvre plusieurs évaporateurs condenseurs ou nappes d'évaporateurs/condenseurs indépendants illustrés la fig. 3 par des caloducs I, II, III. Chaque caloduc est réalisé comme illustré A la fig. 1 et leurs éléments d'échange indirect 3, 3a sont disposés en série et sont parcourus de meme qu'A la fig. 1 par le fluide refroidisseur suivant les flèches fl et par le lie > refroidir suivant les flèches f2. Si l'on considère le sens de circulation du fluide à refroidir, on cqnstate qu'il traverse tout d'abord l'évaporateur I fonctionnant - la température TEV'1, puis l'évaporateur Il fonctionnant à la température TEV2 (TEV1 puis l'évaporateur III fonctionnant la température TEV3 à TEV2 à TElTl, etc. La fisc. 4 fait ainsi apparaître que l'on peut atteindre une température de sortie du fluide r' refroidir TSC sensiblement plus basse que celle pouvant être obtenue par le caloduc de la fig. 1, la performance étant améliorée en multipliant le nombre de nappes I, II, III ..., etc. Dans la pratique, on tend ainsi vers'l'efficacité d'un échange direct, c'est--dire dans lequel les deux fluides sont en contact avec les mêmes surfaces d'échange thermique et circulant à contre-courant. La réalisation de l'échangeur de la fig. 3 du type e caloduc mais r' nappes multiples permet de disposer entre les élémentsd'échange indirect 3, 3a une plaque de séparation 4 de sorte que le fluide refroidisseur est complètement isolé du fluide A refroidir pour permettre par exemple l'utilisation d'un fluide refroidisseur pollué ou le refroidissement d'un fluide 7 refroidir ne devant pas être mélangé ou amené en contact d'une manière quelconque avec le fluide refroidisseur. La fig. 5 illustre une autre disposition selon laquelle les nappes I, II, III ne sont plus disposées en série comme à la fig. 3 mais empilées les unes au-dessus des autres comme illustré en Ia, IIa et IIIa, le choix entre la construction selon la fig. 3 et la construction selon la fig. 5 dépend essentiellement de l'espace disponible pour la mise en place de l'échangeur. Une combinaison des deux modes de construction est également réalisable. Pour mettre en oeuvre le procédé décrit cidessus, l'invention crée un nouvel échangeur plaques illustré essentiellement aux fig. 6 a 8 qui rend possible de n'utiliser aucun conduit de liaison externe pour relier les brins de circulation 2a, 2b des fig. 1 et 3. Aux fig. 6 8 8 ci-dessus, la plaque de séparation 4 du fluide refroidisseur et du fluide A refroidir constitue l'une des plaques de l'échangeur et est reliée sur chacune de ses deux faces = des barrettes 5 respectivement 6 entre-lesquelles sont disposés des dissipateurs 7 respectivement 8 constitués de préférence et de manière connue par des bandes ondulées. ec barrettes 5, 6 sont accolées è des plaques 9, 10 sur lesquelles sont empilés des cadres 11, 12. Les cadres 11, 12 sont eux-mêmes recouverts par des plaques 13, 14. Ainsi que l'illustre le dessin Les cadres 11, 12 délimitent des encoches 13, 13a, 14, 14a ouvrant vers l'intérieur du cadre. Les plaques 9, 10 délimitent des trous 15, 15a respectivement 16, 16a coincidant avec les encoches des cadres 11, 12. Les barrettes 5, 6 délimitent des trous 17, 17a, 18, 18a et a plaque 4 des trous 19, 19a qui coïncident entre eux et avec les encoches des cadres 11, 12. Par contre, les plaques 13, 14 ne présentent pas de trous correspondant aux encoches 13, 13a et encoches 14, 14a des cadres 11, 12, de sorte que la plaque 4, les barrettes 5, 6, les plaques 9, 10 et les cadres 11, 12 délimitent un circuit I analogue au circuit I de la fig. 3 mais tout entier inclus dans l'empilement décrit ci-dessus sans qu'il y ait prévoir aucun conduit externe. Les barrettes 5, 6 et les dissipateurs 7, 8 délimitent les éléments d'échange indirect pour le passage du fluide refroidisseur et pour le passage du fluide à refroidir devant circuler de part et d'autre de la plaque de séparation 4, tandis que le fluide intermédiaire circule n l'intérieur du circuit I tout en étant complètement isolé du fluide refroidisseur et du fluide A refroidir lorsque les plaques, barrettes et cadres sont réunis enserb e, de référence par brasage comme cela est habituel dans un échangeur ; plaques. Le dessin montre que le circuit II est réalisé de me manière par des encoches 131, 13la' 141, 141a prévues dans des cadres 11 121 qui correspondent des trous de plaques et barrettes analogues ? celles décrits dans ce qui précède mais décalées par rapport aux encoches et trous des cadres , plaques et barrettes décrits en détail ci-dessus. La fig. 6 montre que de même manière la nappe III est réalisée de façon semblable toujours par empilage de plaques, barrettes et cadres dont les encoches et trous coïncident pour former un circuit indépendant des autres circuits. Après brasage, l'ensemble des plaques, barrettes et cadres constitue un tout monolithique dont les circuits internes sont indépendants parfaitement étanches les uns par rapport aux autres tout en délimitant des parties de condensation et d'évaporation séparées également de manière étanche par la plaque 4. La réalisation décrite en détail ci-dessus en référence aux fig. 6 n 8 correspond -'.- un échangeur nappes empilées analogues celui celui de la fi. 5. Un même résultat serait obtenu en assemblant en série des échangeurs à plaques I, II, III comme montré A la fig. 9, ces échangeurs délimitant, par leur plaques, barrettes et cadres, chacun un circuit analogue au circuit illustré par les fig. 6 h 8 et correspondant, par conséquent, a la réalisation théorique de la fig. 3. La fig. 9 montre que les échangeurs h plaques sont séparés mais il pourrait de même manière être accolés. Dans ce qui précède, il a été montré seulement trois nappes I, II, III superposées ou successives. I1 est évident qu'un nombre différent de nappes peut être mis en oeuvre. La fig. 10 montre que pour am67-ozez change thermique, il est possible de disposer des plaques perturbatrices ou autres surfaces secondaires d'échange thermique 20 dans les cadres tels que 11, 12, 111, 121 ... Par ailleurs, la forme des trous faisant communiquer les circuits délimitant les nappes I, II, III ... peut etre soit circulaire comme illustré à la fig. 10, soit polygonale comme illustré n la fig. 11, ou encore les bords 21 des trous tant des cadres que des plaques et barrettes peuvent présenter des nervures et cannelures (fig. 12) favorisant un écoulement capillaire du fluide intermédiaire. La fig. 13 illustre un développement de l'invention selon lequel il est prévu, par exemple, deux demiéchangeurs A, B analogues A celui des fig. 6 n 8, ces demi-échangeurs étant disposés n distance de la plaque séparatrice 4 et leurs circuits internes correspondants étant reliés par des tubes 22 traversant la plaque séparatrice 4 de façon étanche. Les deux échangeurs de la fisc. 13 peuvent ainsi être disposés à une distance que ''un par rapport l'autre pa exeny'e des des enceintes différentes. De plus, il est possible de prévoir plus de deux échangeurs. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation, représentés et décrits en détail, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. En particulier des embouts de remplissage sont normalement prévus pour donner accès aux différents circuits contenant le fluide intermédiaire. En particulier, il est aussi possible que la plaque 4 soit fixée a' des cadres en lieu et place des barrettes décrites ci-dessus notamment en référence aux fig. 6 à 8. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour le refroidissement drun fluide chaud par un fluide froid sans qu'il y ait de surface d'échange de chaleur entre les deux fluides dans lequel on utilise un fluide intermédiaire amené n circuler dans un conduit fermé dont un brin est disposé dans le fluide chaud et un autre brin disposé dans le fluide froid, caractérisé en ce qu'on prévoit plusieurs nappes de conduits présentant chacun au moins un brin disposé dans le fluide chaud et au FtoinS ur clin ?i3 sposé dans le fluide froid. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dispose en série les brins dans le fluide chaud et les brins dans le fluide froid. 3 - Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on dispose de façon superposée les brins placés dans le fluide chaud ainsi que les brins placés dans le fluide froid. 4 - Procédé suivant 'ure des revendications 1 ?. 3, caractérisé en ce qu'on sépare les brins disposés dans le fluide chaud des brins disposés dans le fluide froid. 5 - Un échangeur pour la mise en oeuvre du procédé de l'une des revendications 1 A 4, caractérisé en ce qu'on dispose de part et d'autre d'une plaque de séparation (4) au moins un jeu de barrettes (5, 6) reliées ; des jeux de plaques (9, 10), elles-mêmes relises ? des cadres (11, 12) connectés à d'autres plaques (13, 14) pour délimiter au moins un circuit (I) pour un fluide vaporisable, ladite plaque de séparation (4) présentant plusieurs jeux de. trous pour lrétablis- semant d'au moins deux circuits indépendants (II, III) contenant un fluide vaporisable. 6 - Echangeur suivrt la l-eler-dication 5, caractérisé en ce que la plaque de séparation (4) est directement fixée entre des baettes (5, 6) ou cadres (11, 12). 7 - Echangeur suivant l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les plaques (13, 14) fermant le circuit (I) supportent R leur tour d'autres jeux de barrettes, plaques et cadres présentant des trous de circulation décalés par rapport å ceux du circuit (I) pour délimiter d'autres circuits indépendants (II, III) contenant eux-mêmes un fluide vaporisable. 8 - Echangeur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la plaque de séparation (4) supporte plusieurs jeux de barrettes, plaques, cadres et plaques de fermeture disposés en série. 9 - Echangeur suivant l'une des revendications 5 A 8, caractérisé en ce que les jeux de barrettes (5, 6), de plaques (9, 10) et de cadres (11, 12) disposés en série de part et d'autre de la plaque de séparation (4) sont accolés. 10 - Echangeur suivant l'une des revendications 5 A 8, caractérisé en ce que les jeux de barrettes (5, 6), de plaques (o, 10) et de cadres (11, 12) disposés en série de part et d'autre de la plaque de séparation (4) sont séparés. 11 - Echangeur suivant l'une des revendications 5 10, caractérisé par des dissipateurs ondulés (7, 8) disposés entre les jeux de barrettes (5, 6 ...). 12 - Echangeur suivant l'une des revendications 5 9 Z caractérisé en ce que les trous percés dans les cadres (1), 12) communiquent avec l'intérieur de ceux-ci par des encoches (13, 13a, 14, 14a). 13 - Echangeur suivant l'une des revendications 5 A 12, caractérisé en ce que les trous des plaques de séparation (4), barrettes (5, 6), plaques (9, 10), cadres (11, 12) ... présentent des nervures et cannelures. 14 - Echangeur suivant l'une des revendications 5 13, caractérisé en ce que les cadres (11, 12) sont munis de plaques perturbatrices (20). 15 - Echangeur suivant l'une des revendications 5 14, caractérisé en ce que la plaque de séparation (4), les barrettes (5; 6), les dissipateurs (7), les plaques (9, 10), les cadres (11, 12) et autres plaques (13, 14 et suivantes) sont assemblés par brasage pour constituer un tout monolithique. 16 - Echangeur suivant l'une des revendications 5 à 15, caractérisé en ce qu'au moins deux demi-échangeurs (A, B) sont disposés ^ distance l'un de l'autre de part et d'autre de la plaque intermédiaire (4) et en ce que les circuits desdits demi-échangeurs sont reliés par des tubes ((22) traversant ladite plaque intermédiaire (4) de façon étanche.