Brevet FR2661488A1 — publié le 19911031

-' 2661488 La présente invention concerne un échangeur de chaleur compact, destiné particulièrement aux fluides corrosifs, dont l'énergie calorifique est électrique et disposant de deux groupes de canaux pour les fluides L'un de ces groupes peut, le cas échéant, être utilisé pour le passage d'un fluide de refroidissement. On connait différents moyens de chauffer ou refroidir des liquides corrosifs tels qu'acide sulfurique, nitrique, etc On utilise par exemple des circuits en forme de tuyauterie immergés dans les cuves et alimentés par de la vapeur pour le chauffage ou par un fluide froid par exemple de l'eau pour le refroidissement Ces équipements sont généralement coûteux par leur construction, mise en place et entretien et occupent une place importante dans la partie utile des cuves. On utilise également des thermoplongeurs électriques disposés dans les cuves Ces thermoplongeurs occupent une place importante, ne chauffent que localement le bain et présentent la plupart du temps une robustesse insuffisante au niveau des raccordements électriques, à cause de la température ambiante et la présence de milieu corrosif. On utilise enfin des échangeurs de chaleur externes à la cuve Ils sont alors alimentés par i 5 des tuyauteries et une pompe de circulation Ces échangeurs distincts, soit pour réchauffer soit pour refroidir, sont généralement métalliques et présentent alors, dans de nombreux cas, des faiblesses vis-à-vis de la corrosion par exemple à l'endroit des soudures, des parties écrouies ou soumises à des contraintes. L'échangeur selon l'invension vise à pallier ces inconvénients. Selon une première caractéristique, il est construit en forme générale de parallélépipède, en matériau bon conducteur de la chaleur, non poreux et insensible à la corrosion par les fluides pour lesquels il est prévu On peut citer à titre d'exemples non limitatifs: les alliages de cuivre pour de nombreux mélanges aqueux les alliages ferreux pour les hydrocarbures du graphite ou du graphite imprégné téflon pour de nombreux acides forts des céramiques pour les utilisations à haute température. Le parallélépipède est muni de trous cylindriques traversants, parallèles à chacune des arêtes de telle manière que ces trous ne soient en aucun point sécants. Les trous débouchants sur 2 faces opposées, constituent un ensemble de canaux pour le passage de l'un des fluides par exemple à réchauffer Chacune de ces faces est munie d'un capot ou boîte de répartition protégée contre la corrosion par exemple par un téflonage avec un joint d'étanchéité et permet ainsi l'arrivée ou départ de l'un des fluides. L'ensemble des trous débouchants sur 2 autres faces opposées constituent avec leurs propres boîtes de répartition un second circuit pour un deuxième fluide: soit pour un deuxième passage du fluide à réchauffer soit pour le passage d'un autre fluide à réchauffer soit pour le passage d'un fluide de refroidissement soit pour le passage d'un autre fluide de réchauffage (par exemple de la vapeur d'eau) Enfin l'ensemble des trous débouchants sur les 2 dernières faces opposées seront garnis de résistances électriques chauffantes, par exemple des éléments chauffants blindés, dont la gaine externe est isolée électriquement des conducteurs sous tension L'ensemble des extrémités des résistances électriques, ainsi que leurs connexions sont protégés par un boîte générale de même forme que les boîtes de répartition des fluides. Selon des modes de réalisation particuliers La section des trous de passage des fluides au lieu d'être circulaire peut être, à titre non limitatif, polygonale, en étoile, quelconque, afin d'augmenter la surface de contact avec le fluide, donc l'échange thermique. Chaque face du parallélépipède peut comporter côte à côte plusieurs boîtes de répartition indépendantes afin de traiter plusieurs fluides distincts ou d'effectuer des allers et retours pour un même fluide Ou la combinaison des deux utilisations. Un ensemble échangeur peut être constitué de plusieurs blocs élémentaires assemblés par collage ou boulonnage ou autre tel que bridage en châssis, etc. Un ensemble bloc échangeur peut être muni d'une enveloppe ou calorifuge assurant son isolation thermique avec l'environnement tandis que les connexions des résistances électriques peuvent être disposées dans un boîtier éloigné du bloc pour les protéger par exemple d'une température élevée du bloc. Des trous pour logement de sondes de température peuvent être ménagés dans le bloc et des sondes installées, afin de piloter la régulation thermique. Les liaisons entre les trous de passage des fluides peuvent être réalisées d'une manière interne au bloc, par exemple en surmoulant dans un matériau conduisant bien la chaleur, des nappes de tubes résistants à la corrosion. Les résistances de chauffage électrique peuvent être des éléments blindés se présentant extérieurement sous l'aspect d'un cylindre métallique. Les résistances de chauffage électrique peuvent être réalisées dans des trous ménagés dans le bloc. L'invention sera mieux comprise en se reportant aux différentes figures: La figure 1 représente en perspective à titre d'exemple non limitatif, un bloc échangeur selon l'invention. Les figures 2 3 et 4 représentent le même bloc, sans ses capots( 13) ( 14) ( 16) ( 17) ( 18), respectivement en élévation 3 osans représentation en traits pointillés des lignes cachées, vue de gauche et vue de dessus sans représentation en traits pointillés des lignes cachées. Les figures 5 6 et 7 représentent des variantes de l'invention, respectivement en élévation, vue de gauche sans le calorifuge, vue de dessus. La figure 8 représente un autre mode de réalisation de l'ensemble échangeur. La figure 9 représente le détail d'une résistance électrique de chauffage constituée d'un fil résistant noyé dans une garniture réfractaire, disposée dans un trou ménagé dans le bloc. En référence aux figures 1 2 3 4, le dispositif se compose d'un bloc ( 1) de forme générale parallélépipède rectangle Ce bloc réalisé à titre d'exemple non limitatif en graphite imprégné téflon afin de ne pas être attaqué par des acides est percé de 6 trous ( 8), selon l'exemple représenté à titre non limitatif, selon l'axe (z) débouchant perpendiculairement dans les faces ( 2) et ( 4) parallèles aux plans xy Ces trous ( 8) régulièrement répartis se trouvent à l'intersection de plans fictifs parallèles respectivement au plan yz et xz. Les faces ( 3) et ( 5) parallèles au plan xz sont percées de 4 trous ( 9) selon l'exemple représenté à titre non limitatif, traversants parallèles à l'axe y, régulièrement répartis en dehors des plans parallèles à yz passant par les trous ( 8) Les diamètres des trous ( 8) et ( 9) et leur écartement sont choisis pour qu'aucun trou d'une nappe ne soit sécant avec un quelconque trou d'une autre nappe perpendiculaire. Les faces ( 6) et ( 7) parallèles au plan yz sont percées de 6 trous ( 10) selon l'exemple représenté à titre non limitatif, traversants ou non, parallèles à l'axe x, régulièrement répartis en dehors des plans parallèles à xz passant par les trous ( 8) et des plans parallèles à xy passant par les trous ( 9) Les diamètres des trous ( 10) et leur écartement sont choisis pour qu'aucun trou ne soit sécant avec un quelconque trou ( 8) ou ( 9) Les trous ( 10) sont garnis de résistances électriques de chauffage ( 11) d'un diamètre adapté Les résistances réalisées en tube blindé sont interchangeables Elles se présentent sous la forme extérieure d'un cylindre métallique Ces résistances, lorsqu'elles sont en service, échauffent le bloc ( 1) qui peut à son tour transmettre cette chaleur aux fluides qui le traversent. La face ( 2) est munie d'un capot ou boîte de répartition ( 13) représenté non monté, Cette boîte de répartition par exemple munie d'une bride ( 19) pour l'arrivée d'un fluide est fixée d'une façon étanche sur le bloc ( 1) avec interposition d'un joint adapté par exemple dans une rainure ( 12) Les moyens de fixation qui peuvent être avantageusement des vis, ne sont pas représentés. La face ( 4) est munie de la même manière d'un capot étanche ( 14). On voit ainsi, qu'un fluide qui pénètre, par exemple par la bride ( 19), se répartit dans l'ensemble des trous ( 8) puis ressort à l'autre extrémité dans le capot ( 14) et par la bride qui y est associée Au cours de la traversée des trous ( 8) le fluide peut s'être échauffé ou refroidi suivant qu'il était entré à une température inférieure ou supérieure à celle du bloc. De la même manière un fluide peut traverser le bloc ( 1) par les capots ( 16) et ( 17) et les trous ( 9) Au cours de son trajet, il s'échauffera si sa température est inférieure à celle du bloc ( 1) qu'il refroidira donc, ou inversement On voit ainsi que la température du bloc peut être diminuée par la circulation d'un fluide froid dans les trous ( 9) Par conséquence, le refroidissement du bloc ( 1) peut refroidir le fluide qui circule dans les trous ( 8). Afin de réguler la température du bloc ( 1), une ou plusieurs sondes de mesure de température peuvent être disposées dans des trous aménagés à la place ou à côté des trous ( 10). Ces sondes liées à des appareils de régulation du commerce servent à commander l'apport d'énergie électrique, et/ou de fluide de refroidissement, et/ou de débit du fluide à maintenir en température. Plusieurs variantes peuvent être appliquées sans sortir du cadre de l'invention Les figures 6 7 et 8 illustrent des variantes de réalisation. Ainsi au lieu d'utiliser un seul bloc ( 1) muni de tous les trous, on peut juxtaposer des blocs (la), (lb), (lc), (ld) etc, munis chacun d'une ou plusieurs nappes de trous de circulation de -4 2661488 fluide Les blocs élémentaires sont assemblés par exemple par collage ou tel que représenté au moyen de 2 à N boulons ( 20), avec si nécessaire interposition de joints ( 21) entre les blocs élémentaires Ce mode de construction à base de blocs élémentaires permet en particulier une fabrication des éléments en série qui permet une diminution des coûts. La figure 7 illustre une variante de l'invention au niveau des boîtes de répartition des fluides et de la mise en série de plusieurs canaux pour allonger la circulation du fluide au moyen d'aller - retour On voit sur cette figure que grâce à l'utilisation de capots de largeur réduite ( 22) ( 22 a) et ( 23) ( 23 a) ( 23 b), le fluide effectue 4 passages dans le bloc, ce qui augmente en proportion la quantité de chaleur échangée Toutes combinaisons de capots ou boîtes de répartition de dimensions différentes, afin de distribuer un ou plusieurs fluides sur un nombre choisi de canaux, fait partie intégrante de l'invention. Les figures 5 et 7 illustrent trois variantes de l'invention qui peuvent être appliquées ensemble ou séparément. Le bloc échangeur peut être calorifugé au moyen, par exemple, d'une garniture ( 24) qui l'enveloppe. Les connexions des résistances électriques ( 11) peuvent être disposées dans un boîtier ( 18 ') éloigné du bloc échangeur afin de ne pas être détériorées par la température élevée de ce dernier. Une ou plusieurs sondes de température ( 27) peuvent être installées dans des trous ( 26) aménagés dans le bloc Ces sondes peuvent indifféremment avoir leurs raccordements électriques à l'intérieur du boîtier ( 18 ') ou ailleurs. La figure 8 illustre une variante de l'invention o les circuits au lieu d'être aménagés dans des blocs sont constitués de tubes résistants à la corrosion, formés en nappe Un ensemble de 1 à N circuits ( 28) disposés parallèlement constitue le premier groupe de canaux Un ensemble de 1 à m circuits ( 29) parallèles entre eux, mais perpendiculaires aux tubes ( 28) constitue le second groupe, tandis qu'un ensemble de 1 à k éléments électriques chauffants ( 30) disposés perpendiculairement à ( 28) et à ( 29) constitue les résistances électriques L'ensemble ainsi disposé est enrobé dans un matériau bon conducteur de la chaleur par exemple un ciment, une résine ou un alliage d'aluminium coulé par fusion, ce qui constitue le bloc avec ses canalisations qui y ont été réservées. On a vu ci-avant que les résistances ( 11) engagées dans les trous ( 10) se présentaient sous forme d'un cylindre métallique Dans certaines conditions ce cylindre métallique peut créer, du fait des dilatations, des contraintes excessives dans certains matériaux fragiles utilisés pour la réalisation du bloc Un autre mode de réalisation de la résistance représenté figure 9 permet d'éliminer ce risque Suivant cette exécution, le trou ( 10) aménagé dans le bloc ( 1) est garni d'un fil électrique chauffant ( 31) prolongé par les parties d'amenée de courant ( 32) Le fil chauffant ( 31) est immobilisé en place dans le trou au moyen d'une poudre isolante électriquement et conductrice de la chaleur ( 33), par exemple de la silice ou de la magnésie, ou un ensemble de perles céramique liées à une poudre isolante Les extrémités du trou sont obturées, par exemple par une résine ( 34) ( 34 a) Ces dispositions o aucun des composants n'est rigide présente l'avantage de ne pas créer de contraintes sur le bloc ( 1). -5 2661488 REVENDICATIONS 1) Echangeur de chaleur caractérisé par sa réalisation en forme générale d'un bloc parallélépipèdique en matériau insensible à la corrosion et bon conducteur de la chaleur, disposant de deux ensembles distincts de canaux orthogonaux débouchant sur les faces munies d'une boîte de répartition pour les fluides et d'un ensemble de résistances de chauffage électrique elles-mêmes orthogonales aux canaux. 2) Echangeur selon revendication 1 caractérisé en ce que le bloc parallélépipèdique peut être constitué de plusieurs blocs élémentaires assemblés par collage, boulonnage ou autre. 3) Echangeur selon revendication 1 et 2 caractérisé en ce que plusieurs boîtes de répartition des fluides peuvent être disposées côte à côte sur une même face du bloc, afin de constituer des circuits de fluides distincts ou des mises en série de plusieurs canaux sur un même circuit. 4) Echangeur selon revendications précédentes caractérisé en ce que le bloc peut être calorifugé extérieurement et les connexions électriques disposées dans un boîtier éloigné du bloc afin de les protéger d'une température élevée du bloc. ) Echangeur selon revendications précédentes caractérisé par la mise en place de sondes de température dans le bloc. 6) Echangeur selon revendication 1 3 4 et 5 caractérisé par sa réalisation à partir de nappes de tubes résistants à la corrosion, surmoulés dans un matériau conduisant bien la chaleur. 7) Echangeur selon revendications précédentes caractérisé en ce que la section des trous de passage de fluide peut être de forme polygonale ou quelconque afm d'augmenter les surfaces d'échange thermique. 8) Echangeur selon revendication 1 caractérisé par la forme externe cylindrique métallique des résistances de chauffage électrique. 9) Echangeur selon revendication 1 caractérisé par les résistances électriques de chauffage constituées par un fil résistant noyé dans une garniture réfractaire et isolante électriquement, disposée dans des trous ménagés dans le bloc.