Brevet FR2718836A1 — publié le 19951020

La présente invention est relative aux échangeurs de chaleur à plaques brasées et à circulation essentiellement longitudinale de fluides, du type comprenant un empilage de plaques parallèles et, entre ces plaques, d'ondes-entretoises, chaque paire de plaques définissant un passage de fluide de forme générale plate. Elle s'applique en particulier aux échangeurs de chaleur cryogéniques utilisés dans les installations de distillation d'air. Lorsque, dans un procédé industriel faisant intervenir un échangeur de chaleur à plaques brasées, il faut faire circuler un fluide sur une partie seulement de la longueur de l'échangeur, et que le procédé n'implique pas la circulation d'un autre fluide sur la gamme de températures complémentaires de l'échangeur, on est confronté au choix suivant : soit on accepte que la partie complémentaire de la longueur des passages correspondants constitue un espace thermiquement inactif de l'échangeur, ce qui en diminue les performances globales, soit on fait circuler dans cet espace un autre fluide, que l'on ramène à une section d'écoulement plus petite dans la gamme de températures intéressées par le premier fluide. Cette seconde solution est plus satisfaisante du point de vue thermique, mais, dans la technique actuelle, elle suppose une complication importante de la structure de l'échangeur, avec notamment l'ajout de nombreuses boîtes latérales d'entrée/sortie de fluides. L'invention a pour but de permettre d'opter à moindre coût pour la seconde solution ci-dessus. A cet effet, suivant un premier mode de réalisation, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur à plaques brasées et à circulation essentiellement longitudinale de fluides du type précité, caracté risé en ce qu'au moins un premier passage est obturé en un premier emplacement intermédiaire de la longueur de l'échangeur et, juste à côté de cet emplacement, communique directement avec au moins un deuxième passage. Ledit deuxième passage peut être obturé en un second emplacement intermédiaire de la longueur de l'échangeur, situé au-delà dudit premier emplacement intermédiaire par rapport au point de communication entre les premier et deuxième passages, les premier et deuxième passages communiquant alors également entre eux juste audelà de ce second emplacement intermédiaire. Dans une première variante, lesdits premier et deuxième passages sont contigus et communiquent entre eux via une série d'ouvertures. Dans une seconde variante, au contraire, lesdits premier et deuxième passages sont séparés par un troisième passage servant à la circulation d'un autre fluide et communiquent entre eux via une série de tubes qui traversent ce troisième passage. Suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'échangeur de chaleur à plaques brasées et à circulation essentiellement longitudinale de fluides, du type indiqué plus haut, est caractérisé en ce qu'au moins un passage est subdivisé dans son épaisseur, entre deux emplacements intermédiaires de sa longueur, en deux sous-passages séparés par une plaque intermédiaire, un premier sous-passage étant obturé audit premier emplacement intermédiaire et débouchant librement dans ledit passage audit second emplacement intermédiaire, tandis que le second sous-passage est obturé audit second emplacement intermédiaire et débouche librement dans ledit passage audit premier emplacement intermédiaire. Suivant un troisième mode de réalisation de l'invention, l'échangeur de chaleur à plaques brasées et à circulation essentiellement longitudinale de fluides, du type mentionne plus haut, est caractérisé en ce qu'au moins un passage est subdivisé dans sa largeur en deux sous-passages dont l'un est obturé en un premier emplacement intermédiaire de la longueur de l'échangeur. Dans ce cas, l'autre sous-passage peut être obturé en un second emplacement intermédiaire de la longueur de l'échangeur, décalé par rapport au premier emplacement intermédiaire, de sorte que ledit passage comporte dans une région intermédiaire de sa longueur une paroi de séparation en forme générale de S. Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels - la Figure 1 représente schématiquement une installation de distillation d'air à laquelle s'applique l'invention; - la Figure 2 représente schématiquement une partie de l'échangeur de chaleur principal de cette installation, suivant la construction habituelle; - la Figure 3 représente schématiquement la même partie de l'échangeur, mais agencée suivant le premier mode de réalisation de la présente invention; - la Figure 4 est une vue analogue d'une variante; - la Figure 5 est une vue analogue correspondant au deuxième mode de réalisation de l'invention; - la Figure 6 est une vue schématique correspondante en perspective; - la Figure 7 illustre le troisième mode de réalisation de l'invention; et - la Figure 8 est une vue analogue à la Figure 3, relative à une autre partie de l'échangeur de chaleur. L'installation représentée à la Figure 1 est pour l'essentiel telle que décrite dans le FR-A-2 688 052, Figure 1. Cette installation est destinée à produire de l'oxygène gazeux sous une pression élevée, par exemple de l'ordre de 40 bars. Elle comprend essentiellement une double colonne de distillation 1 constituée d'une colonne moyenne pression 2, fonctionnant sous environ 6 bars absolus, surmontée d'une colonne basse pression 3, fonctionnant sous une pression légèrement supérieure à 1 bar absolu, une ligne d'échange thermique 4, un sousrefroidisseur 5, une pompe à oxygène liquide 6, une soufflante froide 7, une première turbine 8 dont la roue est montée sur le même arbre que celle de la soufflante froide, et une deuxième turbine 9 freinée par un frein approprié 10 tel qu'un alternateur. La ligne d'échange 4 est constituée par un échangeur de chaleur unique du type à plaques brasées. Comme il est bien connu, un échangeur de chaleur à plaques brasées est constitué d'un empilage de plaques parallèles, généralement rectangulaires et toutes identiques, qui définissent deux à deux une multitude de passages plats. Les dimensions des plaques peuvent être importantes; par exemple, pour un échangeur de chaleur d'une installation de distillation d'air, elles peuvent avoir jusqu'à 6 m environ de longueur pour 1,40 m environ de largeur. En revanche, l'épaisseur des passages est très petite, typiquement de l'ordre du 5 à 10 mm. Le nombre de passages peut être de l'ordre de 120 à 150. L'espacement mutuel des plaques est assuré par des ondes-entretoises qui remplissent également la fonction d'ailettes thermiques. Ces ondes peuvent être constituées de tôle ondulée perforée ou à crevés sur leurs flancs (ondes dites "serrated"), et avoir une section d'ondes carrée, rectangulaire, sinusoïdale, etc. Les passages sont fermés hermétiquement sur tout leur pourtour par des barres longitudinales et transversales, toutes de même épaisseur égale à la hauteur des ondes, à l'exception de régions limitées débouchant vers l'extérieur. Ces régions forment des séries de fenêtres d'entrée/sortie de fluides, alignées verticalement, et chaque série de fenêtres est coiffée hermétiquement par une boîte d'entrée/sortie de fluide, typiquement semi-cylindrique, munie d'une conduite d'introduction ou de soutirage de fluide. Les fenêtres associées à une boîte donnée n'intéressent bien entendu qu'un certain nombre de passages, réservés au fluide correspondant. Pour les fluides circulant d'une extrémité à l'autre, dans le sens longitudinal, de l'échangeur, les boîtes sont adjacentes aux deux extrémités de celui-ci, et il est prévu des boîtes supplémentaires le long de l'échangeur, dans cet exemple pour l'entrée/sortie de fluides à des températures intermédiaires. Les plaques, les ondes et les barres de fermeture sont typiquement en aluminium ou en alliage d'aluminium et sont assemblées de façon étanche en une seule opération, par brasage au four. Les boîtes d'entrée/sortie sont ensuite rapportées par soudage. Sous la réserve indiquée plus loin en regard de la Figure 5, chaque passage a la même épaisseur sur toute son étendue. On reconnait sur le dessin les conduites classiques de la double colonne, à savoir : une conduite 11 de remontée en un point intermédiaire de la colonne 3, après sous-refroidissement en 5 et détente à la basse pression dans une vanne de détente 12, du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve de la colonne 2; une conduite 13 de remontée en tête de la colonne 3, après sous-refroidissement en 5 et détente à la basse pression dans une vanne de détente 14, de "liquide pauvre" (azote à peu près pur) soutiré en tête de la colonne 2; et une conduite 15 de production d'azote impur, constituant le gaz résiduaire de l'installation, cette conduite traversant le sous-refroidisseur 5 puis se raccordant à des passages 16 de réchauffement d'azote de la ligne d'échange 4. L'azote impur ainsi réchauffé jusqu'à la température ambiante est évacué de l'installation via une conduite 17. La pompe 6 aspire l'oxygène liquide sous environ 1 bar absolu en cuve de la colonne 3, le porte à la pression de production désirée et l'introduit dans des passages 18 de vaporisation-réchauffement d'oxygène de la ligne d'échange. L'air à distiller arrive sous une pression typiquement de 12 à 17 bars absolus via une conduite 19 et pénètre dans deux séries de passages 20, 20' de refroidissement d'air de la ligne d'échange. A une température intermédiaire T1 inférieure à la température ambiante et voisine de la température TV de vaporisation de l'oxygène (ou de pseudo-vaporisation si la pression de production de l'oxygène est supercritique), une partie de cet air, à savoir celle véhiculée par les passages 20, est sortie de la ligne d'échange via une conduite 21 et amenée à l'aspiration de la soufflante froide 7. Celle-ci porte cet air à une pression de 19 à 25 bars absolus et, via une conduite 22, l'air ainsi surpressé est renvoyé dans la ligne d'échange, à une température T2 supérieure à T1, et poursuit son refroidissement dans des passages d'air surpressé 23 de cette dernière. Une partie de l'air véhiculé par les passages 23 est de nouveau sorti de la ligne d'échange à une deuxième température intermédiaire T3 inférieure à T1, et détendu à la moyenne pression (5 à 6 bars absolus) dans la turbine 8. L'air qui s'échappe de cette turbine passe dans un séparateur de phases 24, puis est envoyé en partie en cuve de la colonne 2. Une partie de la phase vapeur issue du séparateur 24 est partiellement réchauffée, jusqu'à une température intermédiaire T4 inférieure à T3, dans des passages 25 de la partie froide de la ligne d'échange, puis détendu à la basse pression dans la turbine 9 et insufflé en un point intermédiaire de la colonne 3 via une conduite 26. L'air véhiculé par la conduite 20' poursuit son refroidissement jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, en étant liquéfié puis sous-refroidi. Il est ensuite détendu à la moyenne pression dans une vanne de détente 27 et envoyé quelques plateaux au-dessus de la cuve de la colonne 2. De même, l'air véhiculé par les passages 23 et non turbiné est refroidi jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, puis détendu à la moyenne pression dans une vanne de détente 28 et envoyé quelques plateaux au-dessus de la cuve de la colonne 2. Ainsi, la compression d'une partie au moins de l'air entrant de la température intermédiaire T1, qui est voisine du palier de vaporisation de l'oxygène, à la température T2 introduit dans la ligne d'échange, entre ces deux températures, une quantité de chaleur qui compense sensiblement l'excédent de froid produit par cette vaporisation. On remarque qu'entre T2 et T1, l'oxygène échange de la chaleur avec la totalité de l'air à 12-17 bars et avec l'air surpressé à 19-25 bars. On peut ainsi obtenir un diagramme d'échange thermique (enthalpie en ordonnées, température en abscisses) très favorable, avec un faible écart de température, de l'ordre de 2 à 3"C, au bout chaud de la ligne d'échange. La soufflante 7 qui assure cette compression est entraînée par la turbine 8, de sorte qu'aucune énergie extérieure n'est nécessaire. Compte-tenu des pertes mécaniques, la quantité de froid produite par cette turbine est légèrement supérieure à la chaleur de compression, et l'excédent contribue au maintien en froid de l'installation. Le solde des frigories nécessaires pour ce maintien en froid est fourni par la turbine 9. On voit que, dans le schéma de la Figure 1, se pose à deux reprises le problème de la circulation d'un fluide sur une fraction seulement de la longueur de l'échangeur : d'une part, pour les passages 23 d'air surpressé, entre les deux emplacements intermédiaires de la longueur de l'échangeur 4 qui correspondent respectivement aux températures T2 et T1, et d'autre part pour les passages 25 de réchauffement d'air moyenne pression, qui ne s'étendent que du bout froid de l'échangeur à l'emplacement intermédiaire de sa longueur qui correspond à la température T4. On s'intéressera tout d'abord aux passages 23, en regard des Figures 2 à 7. Pour éviter la présence d'espaces thermiquement inactifs dans l'échangeur dus à l'existence des passages 23 entre les températures T2 et T1, on est amené, dans la technique classique, à procéder comme schématisé sur la Figure 2. On introduit la fraction de l'air haute pression destiné à être surpressée dans une double série de passages 20-1 et 20-2, via une ou deux boîtes d'entrée 28. Les passages 20-1 et 20-2 sont interrompus en deux emplacements intermédiaires, correspondant respectivement aux températures T2 et T1, par des barres transversales 29 et 30. A la température T2, on sort l'air via une boîte latérale 31, et on le réintroduit dans les seuls passages 20-1 via une boîte latérale 32, les boîtes 31 et 32 étant situées de part et d'autre de la barre 29. A partir de cette dernière, les passages 20-2 sont supprimés et deviennent des passages 23. Juste avant la barre 30 (température T1), l'air haute pression est sorti des passages 20-1 via une boîte latérale 33, surpressé par la soufflante 7 et introduit dans les passages 23 via une boîte latérale 34 voisine de la barre 29. Juste avant la barre 30, cet air surpressé est sorti via une boîte latérale 35 et est réintroduit juste après la barre 30, via une boîte latérale 36, à la fois dans des passages 23-1 qui prolongent les passages 20-1 et dans des passages 23-2 qui prolongent les passages 20-2 et 23. Comme on le voit, la suppression des espaces thermiquement inactifs nécessite la présence de six boîtes latérales d'entrée/sortie 31 à 36. La Figure 3, limitée aux passages 20-1 et 202 de l'échangeur, montre comment, suivant l'invention, on arrive au même résultat en utilisant seulement deux boîtes d'entrée/sortie latérales. La barre 29 n'obstrue que les passages 20-1, tandis que la barre 30 n'obstrue que des passages 20-2. Le prolongement des passages 20-1 comporte une fenêtre d'entrée latérale coiffée d'une boîte d'entrée latérale 37, juste après la barre 29, tandis que les passages 20-2 comportent une fenêtre de sortie latérale coiffée d'une boîte de sortie latérale 38 juste avant la barre 30. La soufflante 7 est reliée en amont à la boîte 38, et en aval à la boîte 37. Les passages 20-1 communiquent avec les passages 20-2 par une série d'ouvertures 39 situées juste avant la barre 29, et le prolongement des passages 20-1 communique avec celui des passages 20-2 par une autre série d'ouvertures 40 situées juste après la barre 30. En comparant les Figures 2 et 3, on voit que les passages 23 sont les passages situés dans le prolongement des passages 20-1, entre les barres 29 et 30, et qu'après la barre 30 on retrouve les passages 23-1 et 232 d'air surpressé. On a également schématisé sur la Figure 3 une onde distributrice 41 associée à la boîte 37 et une onde collectrice 41 analogue associée à la boîte 38. Ces ondes ont la structure partiellement oblique bien connue dans la technique des échangeurs à plaques brasées, cette structure permettant de répartir sur toute la largeur de l'échangeur un fluide introduit latéralement ou bien de rassembler vers une fenêtre de sortie latérale un fluide s'écoulant sur toute la largeur du passage considéré. Des ondes distributrices/collectrices analogues sont bien entendu présentes en association avec les boîtes d'entrée/sortie 28 et 31 à 36 de la Figure 2. Comme on le voit sur la Figure 3, la communication directe entre les passages 20-1 et 20-2 ou 23-1 et 23-2 assurée par les ouvertures 39 et 40 suppose sur les passages 20-1 et 20-2 sont contigus. Ceci présente l'inconvénient que ces passages n'échangent de la chaleur avec des fluides en cours de réchauffement que par l'une de leurs deux faces. Pour éviter cet inconvénient, on peut utiliser l'agencement de la Figure 4, dans lequel chaque passage 20-1 ou 20-2 est agencé en sandwich entre deux passages 42 dans lesquels circulent un fluide en cours d'échauffement issu de la double colonne 1. La mise en communication des passages 20-1 et 20-2 d'une part, 23-1 et 23-2 d'autre part, est alors obtenue au moyen de tubes 39A, 40A débouchant dans les ouvertures 39, 40 et munis à chaque extrémité d'une collerette extérieure 43 brasée autour de l'ouverture correspondante. Les Figures 5 et 6 représentent un autre agencement permettant de n'utiliser que deux boîtes latérales 37 et 38 dans la même application. Dans ce cas, il n'y a qu'une série de passages 20. De la température T2 à la température T1, chacun de ces passages est subdivisé dans son épaisseur en deux sous-passages par une plaque intermédiaire 44. Une barrette transversale 29A obture un seul des sous-passages à son extrémité chaude (correspondant à la température T2), et une autre barrette transversale 30A obture seulement l'autre souspassage à son extrémité froide (correspondant à la température T1). Le premier sous-passage débouche latéralement, juste après la barrette 29A, par une fenêtre d'entrée coiffée par la boîte d'entrée latérale 37, et le deuxième sous-passage débouche latéralement, juste avant la barrette 30A, par une fenêtre de sortie coiffée par la boîte de sortie latérale 38. Chaque souspassage contient une onde-entretoise d'épaisseur correspondante, complétée en regard de la boîte 37, 38 par une onde distributrice, respectivement collectrice, 41A. Ainsi, dans le mode de réalisation des Figures 5 et 6, les passages 20 ont une épaisseur réduite de T2 à T1, le reste de leur épaisseur étant occupé par les passages 23. Ces derniers retrouvent la pleine épaisseur des passages 20 au-delà de la barrette aval 30A. Dans le mode de réalisation de la Figure 7, on a de nouveau recours à une subdivision des passages 20 entre les températures T2 et T1, mais cette subdivision s'effectue dans la largeur de ces passages, au moyen de trois barres successives qui constituent ensemble une paroi de séparation en forme générale de S : une barre 45 qui s'étend en oblique d'un bord latéral de l'échangeur jusqu'au milieu de sa largeur; une barre longitudinale 46; et une barre 47 parallèle à la barre 45 et s'étendant de l'extrémité froide de la barre 46 à l'autre bord latéral de l'échangeur. Une onde oblique triangulaire 48, accolée au côté amont de la barre 45, guide l'air contenu dans le passage 20 d'un seul côté de la barre 46 (au-dessous de celle-ci sur le dessin), jusqu'à l'onde collectrice 41B associée à la boîte de sortie latérale 38, laquelle se trouve juste avant la barre 47. De même, la boîte d'entrée latérale 37 se trouve juste après la barre 45, avec son onde distributrice 41B. L'air surpressé par la soufflante 7 circule tout d'abord dans le demi-passage restant (au-dessus de la barre 46 sur le dessin), puis est redistribué sur toute la longueur de l'échangeur par une deuxième onde oblique triangulaire 49 accolée au côté aval de la barre 47. Le mode de réalisation de la Figure 7 présente sur celui des Figures 5 et 6 l'avantage d'une plus grande simplicité de réalisation, d'un coût réduit et d'une plus faible perte de charge entre les températures T2 et T1. La Figure 8 illustre l'application de l'invention, sous sa forme de réalisation de la Figure 3, au réchauffement d'air moyenne pression issu de la turbine 8 de la Figure 1, du bout froid de l'échangeur 4 jusqu'à la température T4 : les passages de réchauffement 25 sont obturés à cette température T4 par une barre transversale 50, flanquée du côté froid par une onde collectrice 51 et une boîte de sortie latérale 52, cette dernière étant reliée à l'aspiration de la turbine 9 de la Figure 1. Un autre fluide en cours de réchauffement, qui est de préférence un fluide basse pression issu de la double colonne 1, circule dans des passages 53 contigus aux passages 25 et communiquant, via des ouvertures 54 situées juste après la barre 50 (en considérant l'écoulement de ce fluide), avec le prolongement 55, côté chaud, des passages 25. La sortie à température intermédiaire de l'air moyenne pression sans création d'espaces thermiquement inactifs dans l'échan- geur peut ainsi s'effectuer avec une seule boîte latérale 52, alors que trois boîtes latérales seraient nécessaires avec la conception classique des échangeurs à plaques brasées. Bien entendu, la variante de la Figure 4 et les modes de réalisation des Figures 5-6 et 7 peuvent également être utilisés dans l'application concernée par la Figure 8. REVENDICATIONS 1 - Echangeur de chaleur à plaques brasées et à circulation essentiellement longitudinale de fluides, du type comprenant un empilage de plaques parallèles et, entre ces plaques, d'ondes-entretoises, chaque paire de plaques définissant un passage de fluide de forme générale plate, caractérisé en ce qu'au moins un premier passage (20-1; 25) est obturé en un premier emplacement intermédiaire de la longueur de l'échangeur (en 29; 50) et, juste à côté de cet emplacement, communique directement (en 39; 39A; 54) avec au moins un deuxième passage (20-2; 53). 2 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit deuxième passage (20-2) est obturé en un second emplacement intermédiaire de la longueur de l'échangeur (en 30), situé au-delà dudit premier emplacement intermédiaire par rapport au point de communication (39; 39A) entre les premier et deuxième passages, et en ce que les premier et deuxième passages communiquent également entre eux (en 40; 40A) juste au-delà de ce second emplacement intermédiaire. 3 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les premier et deuxième passages (20-1, 20-2; 25, 53) sont contigus et communiquent entre eux via une série d'ouvertures (39; 54). 4 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les premier et deuxième passages (20-1, 20-2) sont séparés par un troisième passage (42) servant à la circulation d'un autre fluide et communiquent entre eux via une série de tubes (39A, 40A) qui traversent ce troisième passage. 5 - Echangeur de chaleur à plaques brasées et à circulation essentiellement longitudinale de fluides, du type comprenant un empilage de plaques parallèles et, entre ces plaques, d'ondes-entretoises, chaque paire de plaques définissant un passage de fluide de forme générale plate, caractérisé en ce qu'au moins un passage (20) est subdivisé dans son épaisseur, entre deux emplacements intermédiaires de sa longueur (en 29A, 30A), en deux sous-passages séparés par une plaque intermédiaire (44), un premier sous-passage étant obturé audit premier emplacement intermédiaire (en 29A) et débouchant librement dans ledit passage audit second emplacement intermédiaire, tandis que le second sous-passage est obturé audit second emplacement intermédiaire (en 30A) et débouche librement dans ledit passage audit premier emplacement intermédiaire. 6 - Echangeur de chaleur à plaques brasées et à circulation essentiellement longitudinale de fluides, du type comprenant un empilage de plaques parallèles et, entre ces plaques, d'ondes-entretoises, chaque paire de plaques définissant un passage de fluide de forme générale plate, caractérisé en ce qu'au moins un passage (20) est subdivisé dans sa largeur (en 46) en deux souspassages dont l'un est obturé en un premier emplacement intermédiaire de la longueur de l'échangeur (en 45). 7 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'autre sous-passage est obturé en un second emplacement intermédiaire de la longueur de l'échangeur (en 47), décalé par rapport au premier emplacement intermédiaire, de sorte que ledit passage comporte dans une région intermédiaire de sa longueur une paroi de séparation en forme générale de S (45 à 47).