Brevet FR2685071A1 — publié le 19930618

La présente invention est relative aux échangeurs de chaleur indirects à plaques, c'est-à-dire du type comprenant une série de plaques parallèles délimitant entre elles des passages de forme générale plate contenant des ondes-entretoises, un premier ensem- ble de ces passages, constituant des passages d'échange thermique, comportant des moyens d'entrée/sortie de fluides destinés à échanger entre eux de la chaleur. Ces échangeurs de chaleur sont particuliè- rement rationnels à construire En effet, il suffit d'empiler tous leurs éléments (plaques, ondes servant d'entretoises et d'ailettes, barrettes de fermeture des passages) et de les relier les uns aux autres en une seule opération par brasage dans un four. Cependant, cet avantage est en pratique partiellement perdu par la nécessité de raccorder à l'échangeur de nombreux accessoires, tels que des tuyauteries ou des séparateurs de phases, assurant les fonctions auxiliaires de l'échangeur: recirculation du liquide, stabilisation de l'alimentation en liquide, séparation des phases des fluides diphasiques, etc De plus, dans de nombreux cas, il est nécessaire de posi- tionner l'échangeur dans une enceinte de rétention de liquide telle que la cuve d'une colonne de distillation. Toutes ces opérations constituent des travaux de chau- dronnerie, moins performants que le brasage au four. L'invention a pour but de réduire le travail de chaudronnerie associé à la mise en oeuvre des échan- geurs de chaleur à plaques. A cet effet, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur indirect du type précité, carac- térisé en ce qu'il comprend, sur au moins une partie de sa longueur et de sa largeur, des passages annexes, en relation d'échange thermique réduite ou à peu près nulle avec les passages d'échange thermique et agencés pour remplir au moins une fonction annexe de l'échangeur de chaleur, notamment une fonction de stockage de liquide et/ou de recirculation de liquide et/ou de séparation li- quide/vapeur. Suivant d'autres caractéristiques les passages annexes sont plus épais que les passages d'échange thermique; les passages annexes contiennent des ondes moins denses que celles des passages d'échange thermique; tous les passages annexes sont adjacents les uns aux autres; les passages annexes sont distincts des passages d'échange thermique et, de même que ces der- niers, s'étendent chacun sur toute la longueur et sur toute la largeur de l'échangeur; au moins certains passages de l'échangeur constituent sur une partie de la largeur de celui-ci un passage d'échange thermique et sur le reste de sa largeur un passage annexe; au moins certains passages de l'échangeur constituent sur une partie de la longueur de celui-ci un passage d'échange thermique et sur le reste de sa longueur un passage annexe; les passages annexes comprenant des passa- ges de séparation liquide/vapeur, ces passages de séparation contiennent un garnissage de séparation liquide/vapeur disposé en regard d'une fenêtre d'entrée de fluide diphasique; le garnissage est constitué par une onde "serrated" à génératrices obliques; les passages de séparation liquide/vapeur comportent à leur extrémité supérieure une fenêtre de sortie de vapeur coiffée par une boîte de sortie, cette dernière communiquant avec des passages de renvoi de vapeur à un niveau différent de l'échangeur. Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: la Figure 1 représente en perspective, avec arrachements, un échangeur de chaleur conforme à l'inven- tion; les Figures 2 à 4 représentent respecti- vement, en coupe verticale, les trois types de passages de cet échangeur; la Figure 5 illustre schématiquement une variante du même échangeur; la Figure 6 est une vue analogue à la Figure 1 d'un deuxième mode de réalisation de l'échangeur de chaleur suivant l'invention; les Figures 7 et 8 représentent respecti- vement, en coupe verticale, les deux types de passages de cet échangeur; les Figures 9 et 10 sont des vues analogues respectivement aux Figures 7 et 8 d'une variante de l'échangeur de chaleur de la Figure 6; les Figures 11 et 12 sont des vues analogues respectivement aux Figures 7 et 8 d'une autre variante de l'échangeur de chaleur de la Figure 6; les Figures 13 et 14 sont des vues analogues respectivement aux Figures 7 et 8 d'encore une autre variante de l'échangeur de chaleur de la Figure 6; la Figure 15 illustre schématiquement une application d'un troisième mode de réalisation de l'é- changeur de chaleur suivant l'invention; la Figure 16 est une vue analogue à la Figure 1 de ce troisième mode de réalisation; et les Figures 17 et 18 représentent respec- tivement, en coupe verticale, les deux types de passages de l'échangeur de la Figure 16. L'échangeur de chaleur représenté aux Figures 1 à 4 est un vaporiseur de liquide, du type à thermosi- phon On le décrira dans son application en tant que vaporiseur- condenseur principal d'une double colonne de distillation d'air, mettant en relation d'échange thermique l'azote gazeux de tête de la colonne moyenne pression, sous environ 6 bars absolus, et l'oxygène liquide de cuve de la colonne basse pression, sous environ 1 bar absolu, afin de vaporiser l'oxygène en condensant l'azote. L'échangeur 1 comprend un corps parallélé- pipédique 2 en aluminium, assemblé en une seule opération par brasage au four, trois boîtes semi-cylindriques 3 à 5 d'entrée/sortie de fluides, et un dôme supérieur 6, les éléments 3 à 6 étant fixés à joint étanche sur le corps 2 par soudage. Le corps 2 est constitué d'un grand nombre de plaques verticales parallèles 7 entre lesquelles sont délimités des passages 8 de forme générale plate conte- nant des ondes-entretoises 9 à génératrices verticales. Ces passages sont délimités par des barrettes de ferme- ture 10 indiquées par des traits forts sur les Figures 2 à 4 Dans ce qui suit, on appellera "longueur" la dimension verticale du corps 2, "épaisseur" sa dimension horizontale perpendiculaire aux plaques 7, et "largeur" sa dimension horizontale parallèle à ces plaques. Le corps 2 est constitué de deux parties juxtaposées: à gauche sur la Figure 1, une partie 2 A d'échange de chaleur, et à droite une partie annexe 2 B assurant les fonctions annexes de recirculation de liqui- de, de séparation liquide/vapeur, de stockage de liquide et d'alimentation uniforme en liquide de la partie 2 A. Les passages 8 A de la partie 2 A sont alter- nativement de deux types différents, représentés res- pectivement sur les Figures 2 et 3 ( 1) des passages 8 A-1 de condensation d'azote, fermés sur toute leur largeur en haut et en bas, qui comportent latéralement à leur extrémité supérieure une fenêtre 11 d'entrée d'azote gazeux et, en regard de celle-ci, une onde oblique 12 de répartition de cet azote gazeux sur toute la largeur du passage La boîte 3 précitée recouvre toutes les fenêtres 11 et est alimentée en azote gazeux par une conduite d'alimentation 13 Les passages 8 A-1 comportent latéralement, du même côté et à leur extrémité inférieure, une fenêtre 14 de sortie d'azote liquide et, en regard de celle-ci, une onde oblique 15 de collection de cet azote liquide débouchant sur la fenêtre 14 La boîte 4 précitée recouvre toutes les fenêtres 14 pour collecter l'azote liquide sortant de celles-ci et l'évacuer via une conduite 16. ( 2) Des passages 8 A-2 de vaporisation d'oxygène, fermés sur toute leur largeur en bas mais ouverts sur toute leur largeur en haut, qui comportent latéralement à leur extrémité inférieure une fenêtre 17 A d'entrée d'oxygène liquide, et en regard de celle-ci, une onde oblique 18 A de répartition de cet oxygène liquide sur toute la largeur du passage La boîte 5 précitée recouvre toutes les fenêtres 17 A. Les passages 8 B de la partie 2 B, représentés sur la Figure 4, ont la même constitution que les passages de vaporisation d'oxygène 8 A- 2, leurs fenêtres inférieures 17 B communiquant également avec la boîte 5. Toutefois, leurs ondes verticales 9 B sont moins denses que les ondes 9 A-1 des passages 8 A-1 et que les ondes 9 A- 2 des passages 8 A-2, grâce à un pas d'onde supérieur, et/ou leur épaisseur est supérieure à celle des passages 8 A-1 à celle des passages 8 A-2. Il résulte de la description ci-dessus que la boîte 5 s'étend sur toute l'épaisseur du corps de l'échangeur, c'est-àdire recouvre ses deux parties 2 A et 2 B, tandis que les boîtes 3 et 4 ne s'étendent que sur celle de la partie 2 A. Le dôme 6 se raccorde tout le long des quatre côtés de la base supérieure du parallélépipède formé par le corps 2 Il est muni d'une conduite 19 d'alimentation en oxygène liquide et d'une conduite 20 d'évacuation d'oxygène gazeux qui part de son sommet. En fonctionnement, l'azote gazeux est condensé sous environ 6 bars absolus en descendant dans les passages 8 A-1, et les passages 8 A- 2 et 8 B sont emplis d'oxygène liquide sous environ 1 bar absolu, jusqu'à un niveau situé dans le dôme 6, comme on le voit sur la Figure 1. La chaleur de condensation de l'azote met en ébullition l'oxygène liquide contenu dans les passages 8 A-1, ce qui provoque une circulation ascendante de l'oxygène liquide dans ces passages par effet de thermo- siphon Des bulles d'oxygène gazeux se forment progressi- vement de bas en haut des mêmes passages, de sorte que c'est un mélange diphasique qui déborde à l'extrémité supérieure de ces passages. L'oxygène liquide ne pouvant descendre ni dans les passages 8 A-2, o règne une circulation as- cendante, ni dans les passages 8 A-1, fermés en haut, descend dans les passages 8 B et, à l'extrémité inférieure de ceux-ci, pénètre dans la boîte 5, via leurs fenêtres latérales 17 B (Figure 4) Cet oxygène liquide coule ensuite le long de la boîte 5 jusqu'aux fenêtres 17 A d'entrée des passages 8 A-2 (Figure 3), de sorte que ceux- ci sont alimentés en oxygène liquide. Les passages 8 B assurent donc la recircula- tion de l'oxygène liquide en excès, la séparation des deux phases de l'oxygène, et un stockage d'oxygène liquide permettant d'alimenter sans à-coup et de manière uniforme en oxygène liquide les passages de vaporisation 8 A-2. Dans la plupart des passages 8 B, la circu- lation descendante de l'oxygène liquide n'est entravée par aucun phénomène de vaporisation, puisque ces passages ne sont pas en relation d'échange thermique avec les passages d'azote La situation est un peu différente pour le passage 8 B adjacent à la partie 2 A du corps 2, mais l'échange thermique y est réduit de façon importante d'une part par la proximité d'un passage 8 A-2, d'autre part par la plus grande épaisseur des passages 8 B et/ou par la moindre densité de l'onde 9 B, conduisant à un effet d'ailette réduit. La variante de la Figure 5 ne diffère de celle qui vient d'être décrite que par le fait que la partie 2 B du corps 2 est divisée en deux sous-parties 2 B- 1 et 2 B-2 encadrant la partie d'échange thermique 2 A. Ceci montre que les passages auxiliaires 8 B peuvent être répartis de différentes manières Toutefois, on préfère actuellement l'agencement de la Figure 1, o le chauffage des passages 8 B est minimal. Le mode de réalisation de l'échangeur de chaleur représenté aux Figures 6 à 8 diffère essen- tiellement du précédent par le fait que les parties 2 A et 2 B du corps 2 sont réparties non plus suivant l'é- paisseur de l'échangeur, mais suivant sa largeur, c'est- à-dire qu'une partie de chaque passage 8 sert à l'échange thermique et le reste aux fonctions annexes. Ainsi, un passage sur deux est constitué, sur la majeure partie de sa largeur (Figure 7), d'un passage de condensation d'azote 8 A-1 ayant la constitution décrite plus haut en regard de la Figure 2, et, sur le reste de sa longueur, d'un passage annexe 8 B-1 ouvert en haut et en bas et contenant une simple onde verticale 9 B, les passages 8 A-1 et 8 B-1 étant séparés de façon étanche sur toute la longueur du corps 2 par une barrette verti- cale 10. Les autres passages sont constitués (Figure 8) d'un passage de vaporisation d'oxygène 8 A-2 ouvert à ses deux extrémités, de même largeur que les passages 8 A- 1 et situé en regard de ceux-ci, ce passage 8 A-2 conte- nant une simple onde verticale, et d'un passage annexe 8 B-2 analogue aux passages 8 B-1, avec interposition d'une barrette verticale 10 entre les passages 8 A-2 et 8 B-2. La boîte 5 de la Figure 1, destinée à l'alimentation en oxygène liquide des passages 8 A-2, est supprimée et remplacée par un dôme inférieur 21 relié à joint étanche aux quatre côtés inférieurs du corps 2. Ainsi, les passages 8 A-2 sont alimentés en oxygène liquide directement par le bas. En variante (Figures 9 et 10), les passages 8 B-1 sont fermés en bas, et le dôme inférieur 21 est remplacé par des perforations 22 prévues dans la partie inférieure des plaques 7, dans les passages 8 B-1. L'oxygène liquide passe alors dans les passages de vaporisation 8 A-2 via une fenêtre latérale inférieure 17 A prévue à la base d'une barrette 10 sur deux, puis est réparti par une onde oblique 18 A sur la longueur des passages 8 A-2, de la même manière qu'à la Figure 3. Cette variante peut être modifiée de la manière illustrée aux Figures 11 et 12: les trous 22 sont supprimés; chaque passage 8 B-1 comporte à sa base une fenêtre de sortie 17 B-1 et une onde oblique 18 B comme aux Figures 1 à 4, et chacun des passages 8 B-2 comporte à sa base une fenêtre d'entrée 17 B-2 On retrouve la boîte 5 des Figures 2 à 4, qui coiffe toutes les fenêtres 17 B-1 et 17 B-2 De plus, la partie inférieure des passages 8 B-2 comporte une onde 23 à génératrices horizontales, par exemple, comme représenté, du type "serrated", c'est-à-dire comportant à intervalles réguliers des crevés décalés verticalement d'un quart de pas d'onde. En variante encore (Figures 13 et 14), les barrettes verticales 10 peuvent n'être prévues qu'entre les passages 8 A-1 et 8 B-1, aucune cloison ne séparant les passages 8 A-2 et 8 B-2, lesquels comportent seulement une onde commune verticale non perforée et, dans leur partie inférieure, une onde horizontale 24 de forme triangulaire qui s'étend sur toute la largeur de l'échangeur. Dans une telle variante, dans un passage sur deux, l'oxygène liquide suit un trajet descendant dans la zone 8 B-2, horizontal suivant l'onde 24 puis ascendant dans la zone 8 A-2 Dans cette dernière zone, l'oxygène liquide se trouve en relation d'échange thermique indirect avec l'azote qui se condense dans les passages 8 A-1, et les passages 8 B-1 sont des zones mortes, qui peuvent être ouvertes vers le haut et par conséquent emplies d'oxygène liquide, comme représenté, ou bien, en variante, fermées à leurs deux extrémités. La Figure 15 représente schématiquement une application d'un échangeur à plaques servant de dé- phlegmateur, par exemple pour produire de l'azote Dans un passage sur deux, l'air, introduit sous environ 6 bars absolus, est partiellement condensé en montant, comme illustré par les flèches 25, ce qui produit au bas de ces passages du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) LR et, en haut des mêmes passages, de l'azote gazeux NG. Pour assurer la condensation de l'air, le liquide riche est détendu vers 1 bar absolu dans une vanne de détente 26, ce qui produit un flash La partie supérieure des passages précités est utilisée pour séparer les deux phases, lesquelles sont ensuite re- combinées dans les passages restants, o le liquide riche basse pression diphasique frigorigène circule de haut en bas puis est évacué sous forme de liquide riche vaporisé LRV. La constitution de l'échangeur de chaleur est représentée sur les Figures 16 à 18. Un passage sur deux (Figure 17) est subdivisé en deux parties par une barrette horizontale 27: ( 1) Une partie principale d'échange thermique 28, s'étendant à partir du bas de l'échangeur, qui comporte, de bas en haut, une zone 29 de distribution d'air et de collection de liquide riche, une zone de déphlegmation 30 et une zone 31 de collection et d'éva- cuation d'azote gazeux La zone 29 contient une onde oblique 32 perforée débouchant sur une fenêtre latérale 33 d'entrée d'air et, sous cette onde, une onde verticale 34 qui débouche sur une fenêtre inférieure 35 de sortie de liquide riche La zone 30 contient une onde verticale 36, et la zone 31 contient une onde oblique 37 débouchant sur une fenêtre latérale 38 d'évacuation d'azote Des boîtes 39 d'entrée d'air, 40 de sortie de liquide riche et 41 de sortie d'azote communiquent respectivement avec les fenêtres 33, 35 et 38. ( 2) Une partie annexe supérieure 42 formant séparateur de phases Cette partie contient, de bas en haut, une zone de faible hauteur, sans onde, o chaque plaque verticale présente une rangée horizontale de trous 43, une première zone contenant une onde verticale 44, une zone contenant une onde "serrated" 45 à génératrices obliques, communiquant avec une fenêtre latérale d'entrée 46, une seconde zone contenant une onde verticale 47, et une zone contenant une onde oblique 48 débouchant sur une fenêtre latérale de sortie 49 Des boîtes 50 d'entrée de liquide riche diphasique et 51 de sortie de liquide riche vaporisé recouvrent les fenêtres 46 et 49 respectivement. Les passages restants 60 (Figure 18) compor- tent, de haut en bas, une zone d'entrée de liquide riche vaporisé communiquant avec une fenêtre latérale d'entrée il 52 et contenant une onde oblique 53, une zone contenant une onde verticale 54, une zone sans onde, de faible hauteur, dans laquelle débouchent les trous 43, une zone d'échange thermique à onde verticale 55, et une zone de sortie de liquide riche vaporisé contenant une onde oblique 56 qui débouche sur une fenêtre de sortie 57 La boîte 51 communique également avec les fenêtres 52, et une boîte de sortie 58 communique avec les fenêtres 57. Lorsque le liquide riche détendu pénètre sous forme diphasique dans la boîte 50 puis dans les zones 42 de la Figure 17, il y rencontre une forêt de petits obstacles créés par les crevés de l'onde "serrated" 46. Ceci provoque la séparation de ses deux phases La phase liquide se rassemble sur la barrette 27 et, en traversant les trous 43, pénètre, sous la forme d'autant de jets, dans les passages 60 adjacents de la Figure 18 En même temps, la phase vapeur est renvoyée par la boîte 51 dans les fenêtres 52 de ces passages adjacents, de sorte que cette vapeur circule vers le bas le long des ondes 54 et se recombine avec le liquide au niveau des trous 43, pour former un fluide diphasique frigorigène qui se vaporise en descendant le long des ondes 55. Dans une variante non représentée, on peut utiliser la zone de séparation de phases 42 pour renvoyer la phase vapeur séparée, via la boîte 51 et les passages contenant l'onde 54, à un niveau différent de l'échan- geur, par exemple à son extrémité inférieure Dans ce cas, la phase vapeur est sortie latéralement audit niveau, reprise par une boîte de sortie et envoyée par celle-ci dans d'autres passages de l'échangeur. REVENDICATIONS 1 Echangeur de chaleur indirect, du type comprenant une série de plaques parallèles ( 7) délimitant entre elles des passages ( 8 A, 8 B; 28, 42, 60) de forme générale plate contenant des ondes-entretoises ( 9; 32, 34, 36, 37, 44, 47, 48, 53 à 56), un premier ensemble ( 8 A; 28, 60) de ces passages, constituant des passages d'échange thermique, comportant des moyens ( 3 à 5; 39 à 41, 51) d'entrée/sortie de fluides destinés à échanger entre eux de la chaleur, caractérisé en ce qu'il com- prend, sur au moins une partie de sa longueur et de sa largeur, des passages annexes ( 8 B; 42), en relation d'échange thermique réduite ou à peu près nulle avec les passages d'échange thermique ( 8 A; 28, 60) et agencés pour remplir au moins une fonction annexe de l'échangeur de chaleur, notamment une fonction de stockage de liquide et/ou de recirculation de liquide et/ou de séparation li- quide/vapeur. 2 Echangeur de chaleur suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que les passages annexes ( 8 B; 42) sont plus épais que les passages d'échange thermique ( 8 A; 28, 60). 3 Echangeur de chaleur suivant la reven- dication 1 ou 2, caractérisé en ce que les passages annexes ( 8 B; 42) contiennent des ondes ( 9) moins denses que celles des passages d'échange thermique ( 8 A; 28, 60). 4 Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que tous les passages annexes ( 8 B) sont adjacents les uns aux autres. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les passages annexes ( 8 B) sont distincts des passages d'échange thermique ( 8 A) et, de même que ces derniers, s'étendent chacun sur toute la longueur et sur toute la largeur de l'échangeur. 6 Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins certains passages de l'échangeur constituent sur une partie de la largeur de celui-ci un passage d'échange thermique ( 8 A) et sur le reste de sa largeur un passage annexe ( 8 B). 7 Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins certains passages de l'échangeur constituent sur une partie de la longueur de celui-ci un passage d'échange thermique ( 8 A) et sur le reste de sa longueur un passage annexe ( 8 B). 8 Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les passages annexes comprennent des passages de séparation liquide/vapeur ( 42), caractérisé en ce que ces passages de séparation contiennent un garnissage ( 45) de sépara- tion liquide/vapeur disposé en regard d'une fenêtre ( 46) d'entrée de fluide diphasique. 9 Echangeur de chaleur suivant la revendi- cation 8, caractérisé en ce que le garnissage ( 45) est constitué par une onde à génératrices obliques comportant des crevés à intervalles réguliers. 10 Echangeur de chaleur suivant la reven- dication 8 ou 9, caractérisé en ce que les passages de séparation liquide/vapeur ( 42) comportent à leur extré- mité supérieure une fenêtre ( 49) de sortie de vapeur coiffée par une boîte de sortie ( 51), cette dernière com- muniquant avec des passages de renvoi de vapeur à un niveau différent de l'échangeur.