Brevet FR2716961A1 — publié le 19950908

La présente invention a pour objet un dispositif d'injection d'un fluide sous pression dans un faisceau à plaques d'un échangeur thermique. Les échangeurs thermiques sont généralement de deux types. Le premier type d'échangeur thermique comporte un faisceau de tubes en forme de "U" ou un fais- ceau de tubes droits, dans lequel circule un fluide. Mais ce type d'échangeurs est d'une concep- tion coûteuse et le rendement thermique est limité compte tenu que le nombre de tubes dépend de la place disponible qui est dans la plupart des cas restreinte. Le second type d'échangeur thermique, comporte un faisceau de plaques disposées jointivement et parallèlement les unes aux autres. Les plaques constituées de tôles fines, le plus souvent en acier inoxydable, comportent des bords à surface lisse et une partie centrale munie d'ondula- tions par lesquelles elles sont en contact les unes sur les autres et par lesquelles elles délimitent des canaux formant un double circuit de circulation de fluides indépendants et à contre-courant d'une extrémité à l'autre de l'échangeur thermique. Ce type d'échangeurs thermiques à faisceau de plaques fonctionne avec divers fluides, en simple phase ou en double phase. Dans le cas o la charge à réchauffer est introduite dans l'échangeur sous double phase, il convient d'assurer un mélange intime du liquide et du gaz afin d'assurer une distribution régulière du mélange dans la totalité du faisceau de plaques de l'échangeur thermique. Pour assurer le mélange intime du liquide et du gaz, on utilise un dispositif d'injection de la phase liquide seule. Ce dispositif d'injection consiste en une ou plusieurs tubulures s'étendant sur toute la largeur du faisceau à plaques et munies d'une première extrémité ouverte reliée à des moyens d'alimentation du fluide sous pression et d'une seconde extrémité fermée. La tubulure est généralement placée à la partie inférieure du faisceau à plaques et son axe est perpendiculaire aux canaux dudit faisceau à plaques. Par ailleurs, la tubulure comporte des orifices calibrés de pulvérisation du liquide dans les canaux du faisceau à plaques, le long de génératrices et sur toute la longueur de ladite tubulure. Le liquide sous pression entre dans la tubulure à une extrémité, et est pulvérisé vers le haut à travers l'ensemble des canaux du faisceau à plaques. Ce liquide sous pression est alors pris en charge par le gaz qui circule à grande vitesse à l'entrée du fasiceau, se mélange intimement à lui, et circule dans le faisceau à plaques mélangé audit gaz. La double phase mixte ainsi créée se distri- bue avantageusement dans toute la largeur des canaux et est ensuite entrainée par le gaz jusqu'au sommet du faisceau à plaques. Ce type de dispositif d'injection utilisé jusqu'à présent remplit parfaitement la fonction prin- cipale pour laquelle il a été conçu, à savoir assurer un mélange intime entre le liquide et le gaz et par consé- quence, créer les conditions d'une distribution homogène et régulière de la double phase dès son entrée dans le faisceau à plaques. Par contre, un inconvénient majeur se produit parfois, soit dès la mise en service, soit accidentelle- ment en marche permanente. En effet, les orifices calibrés, de petits diamètres, se bouchent partiellement ou totalement et ce malgré la présence de filtres à mailles fines à l'entrée de la tubulure et l'installation doit être périodiquement arrêtée pour retirer les tubulures et les nettoyer. Le bouchage des orifices calibrés de la tubulure est provoqué par de fines particules, par exemple des oxydes de fer ou autres, qui proviennent d'une accumulation et d'une stagnation de ces particules au fond de la tubulure, à l'extrémité opposée de l'en- trée. En effet, les particules qui pénètrent dans la tubulure sont entrainées à grande vitesse vers le fond de cette tubulure, pratiquement en ligne droite, o elles s'écrasent, perdent leur vitesse, et tombent à la partie inférieure de la tubulure o elles s'accumulent. Ainsi, il se forme un bouchon de particules qui part lentement du fond de la tubulure et gagne peu à peu l'avant de cette tubulure cachant de plus en plus d'orifices calibrés, jusqu'à l'obturation totale. L'invention a pour but d'éviter cet incon- vénient tout en conservant au dispositif d'injection son efficacité. L'invention a donc pour objet un dispositif d'injection d'un fluide sous pression dans un faisceau à plaques d'un échangeur thermique comportant des canaux de circulation dudit fluide, ledit dispositif comprenant au moins une tubulure s'étendant sur toute la largeur du faisceau à plaques et munie d'une première extrémité ouverte reliée à des moyens d'alimentation du fluide sous pression et d'une seconde extrémité fermée, ladite tubulure comportant des orifices calibrés de pulvérisa- tion dudit fluide dans les canaux du faisceau à plaques, répartis le long de génératrices et sur toute la longueur de la tubulure, caractérisé en ce que la tubulure comporte des moyens de maintien du fluide à une vitesse non nulle sur toute sa longueur et des moyens de vidange de ladite tubulure. Selon d'autres caractéristiques de l'inven- tion: - les moyens de maintien à une vitesse non nulle du fluide sont formés par tout ou partie de la tubulure de section progressivement décroissante par rapport au sens de circulation du fluide, - la partie de la tubulure de section progressivement décroissante est formée par une portion en rampe disposée à l'opposé des orifices calibrés et à proximité de l'extrémité fermée de la tubulure, - la portion en rampe représente environ 20 à 50% de la longueur de la tubulure, - la portion en rampe s'étend sur toute la longueur de la tubulure, - les moyens de vidange de la tubulure sont formés par une vanne d'isolement étanche disposée à l'extrémité de la tubulure opposée à l'extrémité ouverte. Les caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig. 1 est une vue schématique partielle et en perspective d'un échangeur thermique muni du dispositif d'injection d'un fluide sous pression selon l'invention, - la Fig. 2 est une vue schématique partiel- lement en coupe selon la ligne 2-2 de la Fig. 1, - la Fig. 3 est une vue schématique montrant un exemple de raccordement d'une tubulure du dispositif d'injection d'un fluide avec les moyens de vidange de cette tubulure. Sur les Figs. 1 et 2 on a représenté sché- matiquement une partie d'un échangeur thermique qui se compose d'un faisceau à plaques i disposé à l'intérieur d'une calandre 2. De manière classique, le faisceau à plaques 1 est formé d'une multitude de plaques 10, disposées jointivement et parallèlement les unes aux autres. Les plaques 10 constituées de toles fines, le plus souvent en acier inoxydable, comportent des bords à surface lisse et une partie centrale munie d'ondula- tions par lesquelles elles sont en contact les unes sur les autres et par lesquelles elles délimitent un double circuit de circulation de fluides indépendants et à contre-courant d'une extrémité à l'autre de l'échangeur. Le faisceau à plaques comporte, à son extré- mité inférieure, un collecteur 11 de sortie d'un fluide caloporteur, raccordé, d'une part, à l'un des circuits dudit faisceau à plaques 1, et d'autre part, à une conduite 12 d'évacuation dudit fluide. Ce fluide caloporteur est introduit dans le circuit correspondant du faisceau à plaques 1 par l'extrémité supérieure dudit faisceau à plaques. Le fluide à réchauffer qui dans le cas présent est constitué par un mélange de liquide et de gaz, est introduit par l'extrémité inférieure du faisceau à plaques 1. Ce fluide à réchauffer circule dans l'autre circuit du faisceau à plaques 1 et à contre-courant du fluide à refroidir. A cet effet, la calendre 2 est raccordée à une conduite 14 d'introduction du gaz dans le circuit correspondant du faisceau à plaques 1. L'échangeur thermique comporte un dispositif 20 d'injection du li- quide dans ce circuit. La conduite 14 amène le gaz à l'intérieur de l'enceinte et dans le circuit charge du faisceau à plaques 1. Le dispositif d'injection 20 du liquide comporte, dans l'exemple de réalisation représenté sur les Figs. 1 et 2, des tubulures 21 parallèles et dispo- sées de part et d'autre du collecteur 11. Dans ce qui suit, on ne décrira qu'une tubulure 21, l'autre tubulure étant identique. La tubulure 21 a son axe perpendiculaire aux canaux du circuit correspondant du faisceau à plaques 1 et s'étend sur toute la largeur dudit faisceau à plaques 1. La tubulure 21 comporte une première extrémité ouverte 21a reliée à des moyens d'alimentation du liquide sous pression, non représentés, et une seconde extrémité fermée 22b. Cette tubulure 21 comporte des orifices calibrés 22 de pulvérisation du liquide sous pression dans les canaux du circuit correspondant du faisceau à plaques 1, répartis le long de génératrices et sur toute la longueur de ladite tubulure. Le liquide sous pression entre dans la tubulure 21 par son extrémité 21a, et est pulvérisé vers le haut à travers l'ensemble des orifices calibrés 22. Ce liquide sous pression est alors pris en charge par le gaz qui circule à grande vitesse à l'entrée du faisceau à plaques 1, se mélange intimement à lui, et circule dans les canaux du circuit correspondant du faisceau à plaques 1, mélangé intimement au gaz. La double phase mixte ainsi créée se dis- tribue avantageusement sur toute la largeur de ces canaux et est ensuite entraînée par le gaz jusqu'au sommet du faisceau à plaques 1. La tubulure 21 comporte des moyens de maintien du liquide à une vitesse non nulle sur toute sa longueur et des moyens de vidange de ladite tubulure 21. En effet, une analyse en laboratoire du phénomène de bouchage des orifices calibrés 22 des tubulures 21 a montré que ce bouchage par de fines particules, souvent des oxydes de fer ou autres, provient d'une accumulation et d'une stagnation desdites particu- les au fond de la tubulure 21 à l'opposé de l'extrémité ouverte 21a. Cette accumulation est due au profil des vitesses, qui est nul au fond de la tubulure 21. Les particules qui y pénètrent sont entraî- nées à grande vitesse vers le fond, pratiquement en ligne droite, o elles s'écrasent, perdent leur vitesse, et tombent à la partie inférieure de la tubulure o elles s'accumulent. Il se forme ainsi un bouchon de débris qui part lentement du fond de la tubulure 21 et gagne peu à peur vers l'avant, cachant de plus en plus d'orifices calibrés 22 jusqu'à l'obturation généralisée. Grâce aux moyens de maintien du liquide à une vitesse non nulle sur toute la longueur de la tubulure 21, les fines particules sont constamment entraînées et suivent les filets fluides jusqu'à leur évacuation à travers les orifices calibrés 22. Comme représenté sur les Figs. 1 et 3, ces moyens de maintien à une vitesse constante du liquide sont formés par tout ou partie de la tubulure 21 de section progressivement décroissante par rapport au sens de circulation du liquide dans ladite tubulure 21. La partie de la tubulure 21 de section progressivement décroissante est formée, par exemple, par une portion en rampe 23 disposée à l'opposé des orifices calibrés 22 et à proximité de l'extrémité fermée 21b de la tubulure 21. A titre d'exemple, la tubulure 21 a une longueur comprise entre 1 et 1,3 m, un diamètre compris entre 5 et 15 cm et la portion en rampe 23 représente environ 20 à 50% de la longueur de la tubulure 21. Selon une variante, la portion en rampe 23 peut s'étendre sur toute la longueur de la tubulure 21. Grâce à la portion en rampe 23, les fines particules sont constamment entraînées à vitesse non nulle et suivent les filets fluides jusqu'à leur éva- cuation à travers les orifices calibrés 22. I1 ne se produit donc plus d'accumulation de fines particules dans la tubulure 21, spécialement à l'extrémité 21b opposée à l'entrée 21a du liquide dans ladite tubulure 21. Mais, il peut arriver que les filtres placés en amont de la tubulure 21 soient partiellement détruits. Dans ce cas, le liquide n'est plus filtré, et certains débris de filtre se retrouvent dans la tubulure 21. Ces débris de diamètre supérieur au diamètre des orifices calibrés 22 s'accumulent au fond de la tubulure 21 et obturent les orifices calibrés 22. Il convient donc de pouvoir les évacuer au cours du fonctionnement de l'échangeur thermique. A cet effet, l'extrémité 21b de la tubulure 21 est équipée de moyens de vidange de ladite tubulure 21 qui sont constitués par une vanne d'isolement étanche 24. Comme représenté à la Fig. 3, l'extrémité 21b de la tubulure 21 est raccordée à la vanne d'isolement étanche 24 située à l'extérieur de la calandre 2 par un conduit 25. Le conduit 25 est relié, d'une part, à l'extrémité 21b de la tubulure 21 par une bride 26 et un système à baïonnette 27 et, d'autre part, à la vanne d'isolement 24 par une bride 28. Le conduit 25 peut être réalisé, soit à l'aide d'un flexible, soit à l'aide d'une conduite rigide munie de deux compensateurs de dilatation 29. L'aval de la vanne d'isolement 24 est connecté à un circuit de décharge, non représenté. En cas d'obturation de la tubulure 21 par de gros débris, on constate une augmentation de la perte de charge à travers la tubulure 21. Dans ce cas, on ouvre alors rapidement la vanne d'isolement 24 pendant un temps très court et sous l'effet de la pression, le bouchon de débris est aussitôt évacué. Ensuite, la vanne d'isolement 24 est immé- diatement refermée, dès que la perte de charge dans la tubulure 21 revient à sa valeur normale. Le dispositif d'injection selon l'invention permet d'éviter une accumulation de débris à l'intérieur de la tubulure, tout en conservant à cette tubulure son efficacité. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection d'un fluide sous pression dans un faisceau à plaques (1) d'un échangeur thermique comportant des canaux de circulation dudit fluide, ledit dispositif comprenant au moins une tubulure (21) s'étendant sur toute la largeur du faisceau à plaques (1) et munie d'une première extrémité (21a) ouverte reliée à des moyens d'alimentation du fluide sous pression et d'une seconde extrémité (21b) fermée, ladite tubulure (21) comportant des orifices calibrés (22) de pulvérisation dudit fluide dans les canaux du faisceau à plaques (1), répartis le long de génératrices et sur toute la longueur de la tubulure (21), caractérisé en ce que la tubulure (21) comporte des moyens (23) de maintien du fluide à une vitesse non nulle sur toute sa longueur de la tubulure (21) et des moyens (24) de vidange de ladite tubulure. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (23) de maintien à une vitesse non nulle du fluide sont formés par tout ou partie de la tubulure (21) de section progressivement décroissante par rapport au sens de circulation du fluide. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie de la tubulure (21) de section progressivement décroissante est formée par une portion en rampe (23) disposée à l'opposé des orifices calibrés (22) et à proximité de l'extrémité (21b) fermée de la tubulure (21). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la portion en rampe (23) représente environ 20 à 50% de la longueur de la tubulure (21). 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la portion en rampe (23) s'étend sur toute la longueur de la tubulure (21). il 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de vidange de la tubulure (21) sont formés par une vanne d'isolement étanche (24) disposée à l'extrémité (21b) de la tubulure (21) opposée à l'extrémité (21a) ouverte.