Brevet FR2674012A1 — publié le 19920918

i La présente invention est relative aux échangeurs de chaleur à contre- courant utilisés dans les installations de traitement de fluides à fonc- tionnement discontinu. Ces installations posent des problèmes particuliers, pour les raisons suivantes. En régime de fonctionnement continu, un échangeur de chaleur à contrecourant a un profil de température à peu près linéaire entre son bout froid et son bout chaud. Ce profil étant lié à la température des fluides qui le traversent et échangent de la chaleur entre eux, tout arrêt brutal de circulation de ces fluides provoque une uniformisation rapide, par con- duction, des températures de l'échangeur vers une température qui est sensiblement la moyenne des températures du bout chaud et du bout froid. L'échangeur subit donc des variations ra- pides de température à ses extrémités, et un risque majeur de déformation ou de rupture apparaît lors des redémarrages, du fait des chocs thermiques produits par les fluides traités. Par exemple, dans le cas de l'échangeur de chaleur principal d'une installation de distillation d'air et de production d'azote du type HPN (High Pu- rity Nitrogen), l'air traité à 8 bars entre à + 200 C et est refroidi autour de -1690 C à contre-courant des produits sortants: l'azote, réchauffé de -1730 C à + 150 C, et le gaz résiduaire, réchauffé de -180 C à + 15 OC En régime permanent, l'échangeur a une tem- pérature qui varie linéairement de -1750 C environ au bout froid jusqu'à environ + 170 C au bout chaud Si l'on arrête brusquement la circulation des fluides, la température de l'échangeur va rapidement s'équilibrer autour de -80 'C. L'invention a pour but d'éviter les risques de déformation et de rupture de l'échangeur de chaleur lors des redémarrages. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de conduite d'un échangeur de chaleur faisant partie d'une installation de traitement de fluides à fonctionnement discontinu, du type dans lequel, pen- dant des périodes de temps actives séparées par des périodes d'arrêt, on fait circuler au moins un fluide frigorigène dans des premiers passages de l'échangeur, du bout froid au bout chaud de celui-ci, et au moins un fluide calorigène dans des seconds passages de l'échangeur, du bout chaud au bout froid de celui-ci, caractérisé en ce que, pendant les périodes d'arrêt, on apporte de la chaleur au bout chaud et du froid au bout froid de l'échangeur de façon à maintenir ces deux bouts à des températures relativement voisines de celles correspondant aux périodes actives, l'un au moins de ces deux apports étant fourni par un fluide de réserve de l'installation. Suivant d'autres caractéristiques à la fin de chaque période d'arrêt, on augmente progressivement lesdites quantités de chaleur et/ou de froid pour amener progressivement les tempé- ratures des deux bouts de l'échangeur aux températures correspondant aux périodes actives; lorsque, pendant les périodes actives, l'un des deux bouts de l'échangeur est à une tempéra- ture voisine de la température ambiante, on met ce bout de 1 'échangeur en relation d ' échange thermique avec l'atmosphère extérieure pendant les périodes d'arrêt; dans le cas d'une installation cryogéni- que, on met le bout chaud en relation d'échange ther- mique avec 1 'atmosphère extérieure par conduction et le bout froid en relation d'échange thermique avec des évaporations d'un liquide cryogénique de réserve de l'installation; on apporte au bout chaud, pendant les périodes d'arrêt, une quantité de chaleur addition- nelle, notamment par effet Joule; on fait circuler lesdites évaporations du bout froid au bout chaud de l'échangeur, dans lesdits seconds passages de celui-ci ou dans des passages spécialement prévus à cet effet. L'invention a également pour objet un échan- geur de chaleur destiné à la mise en oeuvre d'un tel procédé Cet échangeur, du type comprenant un bout froid, un bout chaud, des premiers passages s'étendant du bout froid au bout chaud pour la circulation d'un fluide frigorigène, et des seconds passages s'étendant du bout chaud au bout froid pour la circulation d'un fluide calorigène, est caractérisé en ce qu'il compor- te d'une part, à un premier bout, des supports thermi- quement conducteurs s'étendant jusqu'à une source de chaleur, et d'autre part des moyens pour mettre un fluide de réserve de l'installation en relation d'échange thermique avec l'autre bout de l'échangeur. Suivant d'autres caractéristiques: lesdits moyens comprennent des passages de l'échangeur spécialement prévus pour la circulation dudit fluide de réserve, reliés à une réserve de ce fluide; l'échangeur étant du type à plaques bra- sées, lesdits moyens comprennent un serpentin fixé en relation d'échange thermique sur chaque face de l'échangeur comportant les tranches d'extrémité des plaques, ce serpentin étant relié à une réserve du fluide de stockage; le serpentin définit une surface d'échange thermique plus importante au voisinage dudit autre bout de l'échangeur; les supports thermiquement conducteurs sont équipés de moyens de chauffage additionnels, no- tamment de résistances électriques. Des exemples de mises en oeuvre de l'inven- tion vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel: la Fig l est une vue schématique partielle en perspective d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention; et la Fig 2 est une vue analogue d'un autre mode de réalisation de l'échangeur de chaleur suivant l'invention. La Fig l, qui ne représente que les éléments utiles à la compréhension de 1 ' invention, montre un échangeur de chaleur à contre-courant du type à pla- ques d'aluminium brasées, faisant partie d'une instal- lation de traitement de fluides à fonctionnement dis- continu, qui est typiquement une installation de dis- tillation d'air Il s'agit plus précisément dans cet exemple d'une installation de production d'azote du type HPN. Comme il est bien connu, un échangeur à plaques brasées est constitué d'un empilement de nom- breuses plaques d'aluminium 2, supposées verticales, qui sont toutes identiques, rectangulaires et paral- lèles entre elles Ces plaques délimitent entre elles de nombreux passages plats Sur les bords des plaques sont prévues des barrettes-entretoises, et des inter- ruptions judicieuses de ces barrettes définissent des fenêtres d'entrée ou de sortie de fluides dans des groupes de passages sélectionnés. Les entrées sorties de fluides s'effec- tuent grâce à des boîtes semi-cylindriques accolées aux faces de l'échangeur comportant des barrettes. Dans l'exemple considéré, l'extrémité infé- rieure, ou bout froid, de l'échangeur comporte trois boîtes: sur une face verticale de l'échangeur, une boite 3 servant normalement à l'entrée d'azote gazeux, frigorigène, produit par l'installation, cet azote gazeux arrivant dans la boite 3 via une conduite 4 équipée d'une vanne d'arrêt 5; sur la face inférieure de l'échangeur, une *g boite 6 servant normalement à l'entrée de gaz rési- duaire, également frigorigène, de l'installation, lequel gaz arrive dans la boite 6 via une conduite 7 équipée d'une vanne d'arrêt 8; et sur l'autre face verticale de l'échangeur, une boite 9 servant à la sortie de l'air à distiller, après refroidissement, cet air constituant le fluide calorigène de l'échangeur de chaleur et sortant de la boite 9 via une conduite 10. La sortie hors de l'échangeur de l'azote et du gaz résiduaire s'effectue par des boites de sortie respectives (non représentées) prévues à l'extrémité supérieure, ou bout chaud, de l'échangeur; de même, l'entrée de l'air à traiter s'effectue par une boite d'entrée (non représentée) prévue à cette extrémité supérieure. Au voisinage de son bout chaud, l'échangeur est monté sur deux supports horizontaux 11 qui s'éten- dent jusqu'à une enveloppe extérieure métallique 12 de l'installation dont la face extérieure est au contact de l'atmosphère extérieure Ces supports sont thermiquement conducteurs et sont en contact étroit, assurant un bon échange de chaleur, avec les faces verticales respectives de l'échangeur 1 comportant les boites 3 et 9, sur toute la largeur de ces faces. L'installation de distillation d'air com- prend une réserve de liquide cryogénique, qui est par exemple un séparateur de phases liquide/vapeur, la cuve d'une colonne de distillation ou un réservoir de 1 o liquide Cette réserve a été schématisée en 13, et on supposera dans la suite qu'il s'agit d'un réservoir d'azote liquide De la partie supérieure de cette réserve 13 part une conduite 14 équipée d'une vanne d'arrêt 15 Cette conduite se divise en deux conduites 1 16, 17 aboutissant respectivement dans les boîtes 3 et 6. Pendant les périodes de fonctionnement nor- mal de l'installation, la circulation à contre-courant d'une part des deux fluides frigorigènes (azote et gaz résiduaire), d'autre part de l'air à traiter calorigè- ne, maintient les deux extrémités de l'échangeur 1 à des températures définies, par exemple de l'ordre de + 150 C pour le bout chaud avec un écart de température d'environ 50 C entre les fluides sortants et entrant, v; et de l'ordre de -170 à -1800 C pour le bout froid, avec un écart de température d'environ 1 Oa C entre les fluides entrants et sortant. Lorsque la production d'azote est interrom- pue, on ferme les vannes 5 et 8 et on ouvre la vanne -z O 15 Ainsi, un débit contrôlé d'azote gazeux froid est envoyé dans tous les passages de fluides frigorigènes, tandis qu'un flux de chaleur à la température ambiante atteint tous les passages de l'échangeur à son bout chaud, via les supports 11. On peut ainsi, avec une très faible consom- mation d'azote, maintenir entre le bout chaud et le bout froid de l'échangeur, pendant des périodes d'ar- rêt de l'installation, un gradient de température re- lativement voisin de celui correspondant au fonction- nement normal de l'installation Cette expression doit être comprise dans un sens très large comme désignant un gradient de température entre une température cryogénique, par exemple de l'ordre de -1100 C, pour le bout froid, et une température voisine de l'ambiante, par exemple de l'ordre de + 5 C, pour le bout chaud. On évite ainsi les chocs thermiques lors du redémarrage de l'installation, et on diminue du même coup le temps de redémarrage nécessaire pour atteindre l'équilibre nominal de l'échangeur De plus, les per- tes thermiques sont réduites grâce au maintien per- manent en froid du bout froid de l'échangeur. Comme indiqué en trait mixte à la Fig 1, en variante, l'échangeur 1 peut être pourvu de passages J supplémentaires spécialement affectés à la circulation des évaporations de la réserve 13 pendant les périodes d'arrêt Dans ce cas, la conduite 14 aboutit directe- ment à une boite d'entrée 3 A, adjacente à la boîte 3, débouchant dans ces passages supplémentaires. Le mode de réalisation représenté à la Fig 2 diffère du précédent par les points suivants. D'une part, au bout chaud de l'échangeur de chaleur 1 A, les supports 11 sont munis de résistances électriques 18 qui permettent d'apporter un supplément an contrôlé de chaleur à ce bout chaud, et donc de main- tenir celui-ci à une température déterminée voisine de la température ambiante Pour cela, le courant élec- trique est envoyé dans ces résistances sous la comman- de de sondes de température 19 associées à chaque support 11. D'autre part, les évaporations de la réserve d'azote liquide 13 sont amenées par la conduite 14 non plus dans les boites 3 et 6 ou 3 A, mais dans des ser- pentins rapportés 20 accolés en relation d'échange thermique sur les deux faces verticales opposées de l'échangeur comportant les boites 3 et 9. Les deux serpentins 20 sont agencés en zig-zag, sur toute la largeur desdites faces, avec un pas serré dans la zone froide de l'échangeur, o le plus grand apport de froid est nécessaire, et un pas progressivement croissant en remontant le long de l'échangeur, jusqu'à leur sortie, voisine des supports 11, qui est reliée à une conduite commune 21 d'évacua- tion d'azote réchauffé. Les serpentins 20 sont fixés sur l'échangeur de manière à être en contact thermique avec tous les passages de l'échangeur Cette fixation peut avanta- geusement être mixte et comporter une fixation méca- nique et un collage au moyen d'une résine cryogénique thermiquement conductrice appropriée. Il est à noter que l'échangeur 1 ou l A peut être monté soit dans une boite froide classique à pression atmosphérique soit dans certaines installa- tions, dans un espace sous vide délimité, entre au- tres, par la paroi extérieure 12. REVENDICATIONS 1 Procédé de conduite d'un échangeur de chaleur ( 1; 1 A) faisant partie d'une installation de traitement de fluides à fonctionnement discontinu, du type dans lequel, pendant des périodes de temps actives séparées par des périodes d'arrêt, on fait circuler au moins un fluide frigorigène dans des premiers passages de l'échangeur, du bout froid au bout chaud de celui-ci, et au moins un fluide calo- 13 rigène dans des seconds passages de l'échangeur, du bout chaud au bout froid de celui-ci, caractérisé en ce que, pendant les périodes d'arrêt, on apporte de la chaleur au bout chaud et du froid au bout froid de l'échangeur de façon à maintenir ces deux bouts à des 1 températures relativement voisines de celles corres- pondant aux périodes actives, l'un au moins de ces deux apports étant fourni par un fluide de réserve de l'installation. 2 Procédé suivant la revendication 1, ca- 2 ractérisé en ce qu'à la fin de chaque période d'arrêt, on augmente progressivement lesdites quantités de cha- leur et/ou de froid pour amener progressivement les températures des deux bouts de l'échangeur ( 1; 1 A) aux températures correspondant aux périodes actives. 3 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, dans lequel, pendant les périodes actives, l'un des deux bouts de l'échangeur ( 1; l A) est à une tempéra- ture voisine de la température ambiante, caractérisé en ce qu'on met ce bout de l'échangeur en relation 0 dd' échange thermique avec 1 'atmosphère extérieure (en 11) pendant les périodes d'arrêt. 4 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, pour installation cryogénique, caractérisé en ce qu'on met le bout chaud en relation d'échange thermique avec i 'atmosphère extérieure par conduction (en 11) et le bout froid en relation d'échange thermique avec des évaporations d'un liquide cryogénique de réserve ( 13) de l'installation. 5 Procédé suivant la revendication 4, ca- ractérisé en ce qu'on apporte au bout chaud, pendant les périodes d'arrêt, une quantité de chaleur addi- tionnelle, notamment par effet Joule (en 18). 6 Procédé suivant la revendication 4 ou 5, 1.Li caractérisé en ce qu'on fait circuler lesdites éva- porations du bout froid au bout chaud de l'échangeur, dans lesdits seconds passages de celui-ci ou dans des passages ( 20) spécialement prévus à cet effet. 7 Echangeur de chaleur ( 1; 1 A) destiné à une installation de traitement de fluides à fonction- nement discontinu, du type comprenant un bout froid, un bout chaud, des premiers passages s'étendant du bout froid au bout chaud pour la circulation d'un fluide frigorigène, et des seconds passages s'étendant du bout chaud au bout froid pour la circulation d'un fluide calorigène, caractérisé en ce qu'il comporte d'une part, à un premier bout, des supports thermique- ment conducteurs ( 11) s'étendant jusqu'à une source de chaleur, et d'autre part des moyens ( 14,16,17; 3 A; 253 20) pour mettre un fluide de réserve de l'installation en relation d'échange thermique avec l'autre bout de l'échangeur. 8 Echangeur de chaleur suivant la revendi- cation 7, caractérisé en ce que lesdits moyens com- yj O prennent des passages de l'échangeur spécialement prévus pour la circulation dudit fluide de réserve, reliés à une réserve ( 13) de ce fluide. 9 Echangeur de chaleur suivant la revendi- cation 7, du type à plaques ( 2) brasées, caractérisé il en ce que lesdits moyens comprennent un serpentin ( 20) fixé en relation d ' échange thermique sur chaque face de l'échangeur ( 1 A), comportant les tranches d'ex- trémité des plaques, ce serpentin étant relié à une5 réserve du fluide de stockage. Echangeur de chaleur suivant la revendi- cation 9, caractérisé en ce que le serpentin ( 20) dé- finit une surface d'échange thermique plus importante au voisinage dudit autre bout de l'échangeur (l A). 11 Echangeur de chaleur suivant l'une quel- conque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que les supports thermiquement conducteurs ( 11) sont équipés de moyens de chauffage additionnels, notamment de résistances électriques ( 18).