Brevet FR2728670A1 — publié le 19960628

La présente invention est relative à une chambre d'entrée/sortie d'un fluide pour une partie de corps d'un appareil dans lequel ce fluide circule, cette partie de corps comportant une face d'entrée ou de sortie dudit fluide, la chambre étant destinée à être reliée à joint étanche à cette face. L'invention s'applique en particulier aux échangeurs de chaleur, du type thermosiphon ou du type à film ruisselant, traitant notamment au moins un fluide diphasique, tels que les vaporiseurs-condenseurs des installations de distillation d'air, les évaporateurs des groupes frigorifiques, les rebouilleurs des colonnes à distiller, ou encore à certains échangeurs de chaleur disposés dans des espaces réduits, tels que les échan- geurs inter-étages de certains compresseurs. L'invention a pour but de fournir une chambre d'entrée/sortie facile à raccorder à des contours rectangulaires ou carrés, résistant particulièrement bien à la pression intérieure et offrant une souplesse de raccordement de conduites d'amenée ou d'évacuation de fluide. A cet effet, l'invention a pour objet une chambre d'entrée/sortie telle que définie ci-dessus, caractérisée en ce qu'une partie au moins de la chambre est constituée par au moins une portion de sphère ou d'ellipsoïde et par des secteurs de cônes tangents à cette portion de sphère ou d'ellipsoïde. En particulier, la chambre d'entrée/sortie peut être destinée à être reliée à la totalité du pourtour de ladite face. Dans ce cas, lorsque ladite face est rectangulaire ou carrée, la chambre peut notamment comprendre, d'une part, deux premières surfaces en forme de portions de sphère ou d'ellipsoïde, ces premières surfaces étant sensiblement tangentes à deux côtés opposés du rectangle ou du carré, et d'autre part quatre secondes surfaces en forme de secteurs de cônes dont les sommets se trouvent sur les quatre coins de ladite face, respectivement, et tangents deux à deux aux deux premiè- res surfaces. Dans un mode de réalisation, lesdites portions de sphère ou d'ellipsoide sont des quarts de sphère ou d'ellipsoide dont un plan méridien est contenu dans ladite face, et les secteurs de cônes sont des demi- cônes ayant une ouverture de 90 . Dans un mode de réalisation, dans le cas o ladite face est carrée, les deux premières surfaces sont réunies en une surface sphérique unique. Dans un autre mode de réalisation, dans le cas o ladite face comporte deux petits côtés et deux grands côtés, lesdits côtés opposés sont les petits côtés, et la chambre comporte en outre une surface cylindrique reliée aux bords circulaires, perpendiculai- res à ladite face, des deux premières surfaces. La chambre d'entrée/sortie peut par ailleurs comporter un tuyau d'alimentation ou d'évacuation piqué sur la portion de sphère ou d'ellipsoïde, soit directe- ment, soit par l'intermédiaire d'une surface de transi- tion en forme de tronc de cône, notamment tangente à la portion de sphère ou d'ellipsoïde. Dans un mode de réalisation, la chambre d'entrée/sortie fait saillie, par rapport à ladite partie de corps, au-delà de ladite face, et est également destinée à être reliée à joint étanche à la face adja- cente de ladite partie de corps. Dans ce cas, suivant un mode de réalisation, la portion de sphère ou d'ellipsoïde est une demi-sphère ou un demi-ellipsoïde coiffant l'arête de jonction des deux faces, et la chambre comprend en outre une autre partie formée de trois surfaces cylindriques à axes perpendiculaires entre eux. Suivant un mode de réalisation avantageux, la chambre est entièrement constituée de surfaces, notam- ment sphériques ou ellipsoidales, coniques et cylindri- ques, qui se raccordent tangentiellement les unes aux autres. L'invention a également pour objet un appareil à circulation de fluide comprenant une partie de corps qui comporte une face d'entrée ou de sortie de fluide, et une chambre d'entrée/sortie telle que définie ci-dessus, reliée à joint étanche à cette face. Lorsque ladite partie de corps est formé d'un empilement de plaques parallèles définissant entre elles des passages plats, d'ondesentretoises disposées entre ces plaques, et de barres de fermeture des passages, les barres correspondant audit fluide laissant libre une entrée ou une sortie de ce fluide, dans un mode de réalisation qui est particulièrement avantageux dans le cas o ledit fluide est sous pression, la chambre n'est reliée à ladite partie de corps que sur des zones de celle-ci formées par des tranches d'extrémité de plaques et par des barres de fermeture. Dans un mode de réalisation de l'appareil, la chambre se raccorde tangentiellement à ladite partie de corps. Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 est une vue partielle de côté d'un échangeur de chaleur suivant l'invention; - la Figure 2 est une vue de dessus de cet échangeur; - les Figures 3 et 4 sont des vues respecti- vement analogues aux Figures 1 et 2 mais correspondant à une variante; - la Figure 5 est une vue, prise en regardant suivant la flèche V de la Figure 6, d'un autre échangeur de chaleur suivant l'invention; - la Figure 6 est une vue de dessus de l'échangeur de la Figure 5; - la Figure 7 est une vue prise suivant la flèche VII de la Figure 6; - la Figure 8 est une vue prise suivant la flèche VIII de la Figure 6, illustrant une variante; - la Figure 9 est une vue analogue à la Figure 5 d'une autre variante; - la Figure 10 est une vue de dessus d'un autre échangeur de chaleur suivant l'invention; et - la Figure 11 est une vue prise suivant la flèche XI de la Figure 10. Les Figures 1 et 2 représentent schématique- ment la partie supérieure d'un corps d'échangeur 1 de forme parallélépipédique allongé dans le sens vertical, du type à plaques brasées. Il s'agit par exemple du vaporiseur-condenseur principal d'une double colonne de distillation d'air, du type thermosiphon, destiné à vaporiser de l'oxygène liquide sous la pression atmosphé- rique ou sous une pression plus élevée, pouvant aller jusqu'à 5 bars absolus ou davantage, par condensation d'azote. Dans la suite, on se référera à cet exemple. Plus particulièrement, le corps 1 est constitué d'un empilement de plaques rectangulaires 2, verticales et parallèles, entre lesquelles sont interpo- sées des ondes-entretoises formant également ailettes thermiques. Chaque paire de plaques 2 délimite un passage de forme générale plate. I1 existe au moins deux séries de passages, dont l'une est réservée à la circulation de l'oxygène, constituant le fluide traité, tandis que l'autre sert à faire circuler l'azote, qui constitue le fluide auxiliaire calorigène en cours de condensation. Sur leur périphérie, les passages sont fermés par des barres. Les barres correspondant au fluide traité sont toutefois supprimées sur la face supérieure 3 du corps 1, et également sur sa face inférieure.L'échangeur fonctionne ainsi en thermosiphon, avec une circulation ascendante d'oxygène vaporisé, entraînant de l'oxygène liquide. Le mélange diphasique sort du corps 2 par sa face supérieure 3. Les barres de fermeture sont par ailleurs agencées de façon à laisser libres, sur les faces latérales verticales du corps 1, des rangées horizontales de fenêtres d'entrée/sortie de l'azote. Ces fenêtres sont coiffées par des boîtes d'entrée/sortie de forme générale cylindrique, telle que la boîte 4 représentée au dessin, prévue à la partie supérieure du corps et servant à l'entrée d'azote gazeux dans les passages d'azote, laquelle boîte est alimentée par une conduite 5. Le corps 1 est complété par un ballon 6 qui sera décrit en détail plus loin. Le corps 1 est réalisé par empilement des plaques, entretoises et barres, et brasage au four en une seule étape. Les boîtes d'entrée- sortie telles que la boîte 4 sont rapportées sur le corps 1 par soudage, de même que la chambre 6. le ballon 6 chevauche l'arête supérieure 7 du corps 1 opposée à la boîte 4. Il présente une large ouverture d'un seul tenant dont le bord, situé dans deux plans perpendiculaires l'un à l'autre, est relié à joint étanche par soudage à la face 3 le long de l'arête supérieure 8 du corps opposée à l'arête 7, et le long des deux autres arêtes supérieures 9 et 10 du corps 1. Le bord du ballon 6 est de plus relié à joint étanche par soudage à la face verticale 11 du corps 1 adjacente à la face 3 du côté de l'arête 7. Cette face 11 sera désignée dans la suite par "face avant", pour plus de commodité. Le ballon 6 comporte une partie arrière 12 en demi-dôme, constituée de trois tôles: - une tôle médiane 13 en quart de cylindre, à axe horizontal 14 contenu dans la face supérieure 3 du corps d'échangeur 1 et parallèle aux arêtes 7 et 8, cette tôle 13 partant de l'arête arrière 8, et - deux tôles latérales cylindriques 15, 16 de même rayon que la tôle 13, d'axe commun 17 contenu dans la face 3 et perpendiculaire en son milieu à l'arête 7, ces deux tôles partant respectivement des deux arêtes latérales 9, 10 de la même face 3. Les trois tôles 13 et 15 sont soudées les unes aux autres le long de leur double courbe d'insertion 18, qui a une forme en V à angle droit en vue de dessus (Figure 2). Le ballon 6 est complété par une partie avant 19 sphéro-conique. Plus précisément, cette partie avant comprend essentiellement une demi- sphère 20 tronquée qui part vers l'avant du demi-cercle limite 21 des tôles 15 et 16, lequel est situé à l'aplomb de l'axe 14, et qui chevauche l'arête supérieure avant 7 du corps 1. De chaque côté, il est prévu une tôle 22 en trois-quarts de cône dont le sommet se trouve sur le coin supérieur avant correspondant du corps 1, ces cônes ayant une ouverture telle qu'ils se raccordent tangentiellement à la demi- sphère, le long d'un cercle 23, et qu'ils aient une génératrice confondue avec l'arête 9, 10 respective. Les portions de la demi-sphère situées dans les cercles 23 sont retirées. Grâce à cet agencement, il est possible d'effectuer des soudures linéaires du bord du ballon le long des trois arêtes supérieures 8 à 10 du corps d'échangeur, et de compléter la liaison étanche du ballon au corps sur la face avant 11. Cette liaison s'effectue le long des bords verticaux de la face 11, sur une longueur correspondant à la génératrice des cônes 22, puis le long d'un arc de cercle correspondant à l'intersection de la demi-sphère 20 et de la face 11. La variante des Figures 3 et 4 ne diffère de la précédente que par le fait que le sommet des cônes 22, 23 est ramené vers l'avant jusque dans le plan vertical tangent à la demi-sphère 20, de sorte que l'angle d'ouverture de ces cônes est 90 . On voit que le bord de l'ouverture du ballon est soudé le long de l'arête 8, qui est constituée de tranches d'extrémité supérieure des plaques 2 et de barres de fermeture, le long des arêtes 9 et 10, consti- tuées des tranches d'extrémité supérieure des plaques extrêmes 2A et 2B, et sur la face avant 11, constituée des tranches d'extrémité verticales des plaques 2 et de barres de fermeture. En fonctionnement, l'oxygène diphasique sortant de la face 3 du corps d'échangeur est recueillie dans le ballon 6, qui forme séparateur de phases et dont la partie en saillie vers l'avant par rapport au corps 1 forme une capacité de stockage de liquide. L'oxygène liquide est évacué, en vue de son recyclage à la base de l'échangeur, via un orifice de sortie de liquide 24 situé près du point bas du ballon, tandis que l'oxygène gazeux est évacué via un orifice de sortie de gaz 25 situé au voisinage du point haut du ballon. Les deux orifices 24 et 25 se trouvent sur la demi-sphère 20. Dans une variante non représentée, le ballon 6 pourrait être en saillie des deux côtés, avant et arrière, du corps 1. Pour cela, on remplacerait les tôles 13, 15 et 16 par une unique tôle semi- cylindrique d'axe 17, et on disposerait sur le côté arrière une partie de ballon identique à la partie 19, chevauchant l'arête 8 et reliée d'une part à la tôle semi-cylindrique et aux arêtes 9 et 10, d'autre part à la face arrière du corps d'échangeur. En variante encore, la largeur du ballon 6, c'est-à-dire sa dimension verticale sur la Figure 2, peut être inférieure à celle du corps 1. Dans ce cas, de préférence, une tôle semi-cylindrique d'axe 17 ou d'axe parallèle à cet axe 17 est interposée entre les parties 12 et 15 du ballon. Les Figures 5 à 7 représentent un dôme 6A d'entrée ou de sortie de fluide, relié par soudage le long de la totalité de la périphérie de la face supé- rieure 3 du corps d'échangeur 1, laquelle a une forme carrée. Ce dôme est constitué de cinq tôles: - une tôle centrale hémisphérique 20A, dont l'axe central vertical X-X est confondu avec celui de la face 3; et - quatre tôles 22A en demi-cônes d'ouverture 900. Chaque tôle 22A a son sommet sur un coin de la face 3, et est tangent à la tôle 20A le long d'un demi-cercle 26. Les portions de la demi-sphère délimitées par les demi-cercles 26 sont retirées, et les tôles 20A, 22A sont soudées ensemble le long de ces quatre demi-cercles. La liaison du dôme 6A au corps 1 est effectuée le long des huit génératrices inférieures des demi-cônes. Le dôme 6A, comme le ballon 6 des Figures 1 à 4, est facile à relier à un corps d'échangeur parallé- lépipédique. De plus, ils résistent particulièrement bien aux pressions internes, de sorte qu'on peut les utiliser dans de nombreuses applications o le fluide amené ou évacué à travers eux est sous pression. On a également représenté sur les Figures 5 à 7 une conduite cylindrique 27 d'amenée ou d'évacuation du fluide, reliée directement, le long d'un cercle 28, à la demi-sphère 20A, cette conduite étant d'axe X-X. La calotte supérieure de la tôle 20A située dans le cercle 28 est alors, bien entendu, retirée. Cependant, comme illustré sur la Figure 8, la conduite 27 peut être inclinée par rapport à l'axe X-X, d'autant plus que son diamètre est plus petit, l'essentiel étant que tout le pourtour de cette conduite coupe la demi-sphère. On voit ainsi que la constitution du dôme 6A offre une grande liberté de piquage des conduites d'amenée ou d'évacuation. Ceci, à son tour, permet de faciliter le raccordement du corps d'échangeur à des appareils disposant d'un espace relativement réduit, par exemple dans le cas de certains échangeurs de chaleur inter-étages de compresseurs. En variante (Figure 9), pour adoucir la transition entre la conduite 27 et la cavité du dôme, et par suite réduire les pertes de charge, une tôle de transition 29 en tronc de cône, d'axe confondu avec celui de la conduite et d'ouverture égale par exemple à 90 , peut être reliée par sa petite base à la conduite et par sa grande base à la tôle 20A. Les Figures 10 et 11 représentent une variante 6B du dôme 6A, adaptée au cas d'une face 3 rectangulaire, par exemple du fait que le corps 1 est constitué de deux corps d'échangeur identiques soudés côte à côte le long d'une ligne verticale de soudure 30. Dans ce cas, le dôme 6B est réalisé en divisant le dôme 6A en deux demidômes comprenant chacun un quart de sphère 20B et deux demi-cônes 22A, et en ajoutant une tôle supplémentaire 31 semi-cylindrique reliée par ses extrémités axiales aux demi-cercles limites 32 des tôles 20B et par ses bords aux arêtes latérales 9 et 10 du corps d'échangeur. On comprend qu'un tel agencement permet d'allonger à volonté le dôme, de sorte que la même structure peut également être utilisée pour constituer les boîtes d'entrée/sortie de l'échangeur, telles que la boîte 4 des Figures 1 et 2. Dans d'autres variantes non représentées, la forme de la chambre 6, 6A, 6B peut être modifiée par affinité, horizontale ou verticale, dans un sens ou dans l'autre, ce qui transforme les cylindres circulaires en cylindres circulaires ou elliptiques, les sphères en ellipsoïdes et les cônes en cônes. Par ailleurs, quelle que soit la forme de la chambre, celle-ci peut être réalisée à partir d'une tôle unique par déformation, en particulier par emboutissage, formage progressif du type forgeage, etc. On peut aussi partir d'un petit nombre de tôles, dont le découpage ne il correspond pas nécessairement aux différentes surfaces géométriques décrites plus haut. Dans tous les cas, la chambre suivant l'invention est constituée de surfaces tangentes les unes aux autres le long de leurs lignes de raccordement. Ceci apporte une continuité avantageuse du champ de contrain- tes qui se développe sous l'effet de la pression. REVENDICATIONS 1 - Chambre d'entrée/sortie d'un fluide pour une partie de corps (1) d'un appareil dans lequel ce fluide circule, cette partie de corps comportant une face (3) d'entrée ou de sortie dudit fluide, la chambre (6; 6A; 6B) étant destinée à être reliée à joint étanche à cette face, caractérisée en ce qu'une partie au moins de la chambre est constituée par au moins une portion de sphère ou d'ellipsoïde (20; 20A; 20B) et par des secteurs de cônes (22; 22A) tangents à cette portion de sphère ou d'ellipsoïde. 2 - Chambre d'entrée/sortie suivant la revendication 1, destinée à être reliée à la totalité du pourtour (8 à 10) de ladite face (3), caractérisée en ce que, dans le cas o ladite face est rectangulaire ou carrée, la chambre (6A; 6B) comprend, d'une part, deux premières surfaces (20A; 20B) en forme de portions de sphère ou d'ellipsoïde, ces premières surfaces étant sensiblement tangentes à deux côtés opposés du rectangle ou du carré, et d'autre part quatre secondes surfaces (22A) en forme de secteurs de cônes dont les sommets se trouvent sur les quatre coins de ladite face, respective- ment, et tangents deux à deux aux deux premières surfaces (20A; 20B). 3 - Chambre d'entrée/sortie selon la revendi- cation 2, caractérisée en ce que lesdites portions de sphère ou d'ellipsoide sont des quarts de sphère ou d'ellipsoide dont un plan méridien est contenu dans ladite face (3), et en ce que les secteurs de cônes (22A) sont des demi-cônes ayant une ouverture de 90 . 4 - Chambre d'entrée/sortie suivant la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que, dans le cas o ladite face (3) est carrée, les deux premières surfaces sont réunies en une surface sphérique unique (20A). - Chambre d'entrée/sortie suivant la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que, dans le cas o ladite face (3) comporte deux petits côtés et deux grands côtés, lesdits côtés opposés sont les petits côtés, et la chambre (6B) comporte en outre une surface cylindrique (30) reliée aux bords circulaires, perpendi- culaires à ladite face, des deux premières surfaces (20B). 6 - Chambre d'entrée/sortie suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un tuyau d'alimentation ou d'évacuation (24, 25; 27) piqué directement sur la portion de sphère ou d'ellipsoïde (20; 20A; 20B). 7 - Chambre d'entrée/sortie suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un tuyau d'alimentation ou d'évacuation (27) piqué sur la portion de sphère ou d'ellipsoïde (20A) par l'intermédiaire d'une surface de transition (28) en forme de tronc de cône, notamment tangente à la portion de sphère ou d'ellipsoïde. 8 - Chambre d'entrée/sortie suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle fait saillie, par rapport à ladite partie de corps (1), au-delà de ladite face (3), et est également destinée à être reliée à joint étanche à la face adja- cente (11) de ladite partie de corps. 9 - Chambre d'entrée/sortie suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la portion de sphère ou d'ellipsoïde (20) est une demi-sphère ou un demi-ellipsoïde coiffant l'arête (7) de jonction des deux faces (3, 11), et en ce que la chambre (6) comprend en outre une autre partie (12) formée de trois surfaces cylindriques (13, 15, 16) à axes perpendiculaires entre eux. - Chambre d'entrée/sortie suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle est entièrement constituée de surfaces, notamment sphériques ou ellipsoidales, coniques et cylindriques, qui se raccordent tangentiellement les unes aux autres. 11 - Appareil à circulation de fluide, comprenant une partie de corps (1) qui comporte une face (3) d'entrée ou de sortie de fluide, et une chambre d'entrée/sortie (6; 6A; 6B)suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, reliée à joint étanche à cette face. 12 - Appareil suivant la revendication 11, dans lequel ladite partie de corps (1) est formé d'un empilement de plaques parallèles (2) définissant entre elles des passages plats, d'ondes- entretoises disposées entre ces plaques, et de barres de fermeture des passa- ges, les barres correspondant audit fluide laissant libre une entrée ou une sortie de ce fluide sur ladite face (3), caractérisé en ce que la chambre (6; 6A; 6B) n'est reliée à ladite partie de corps (1) que sur des zones (3, 11; 3) de celle-ci formées par des tranches d'extrémité de plaques (2) et par des barres de fermeture. 13 - Appareil selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que la chambre (6A; 6B) se raccorde tangentiellement à ladite partie de corps (1).