Brevet FR2772468A1 — publié le 19990618

La présente invention a pour objet un échangeur thermique à plaques utilisé notamment pour réchauffer ou refroidir un premier fluide par échange thermique avec un second fluide. Les échangeurs thermiques à plaques sont généralement formés par une enceinte étanche de forme allongée et par un faisceau de plaques disposé dans ladite enceinte étanche et ménageant avec celle-ci un espace libre. Le faisceau de plaques est composé d'un empilement de plaques parallèles les unes aux autres et ménageant encre elles un double circuit de circulation de deux fluides indépendants. Les plaques constituées de tôles fines, le plus souvent en acier inoxydable, comportent des bords à surface lisse et une partie centrale munie d'ondulations par lesquelles elles sont en contact les unes sur les autres et par lesquelles elles délimitent des canaux formant lesdits circuits de circulation des fluides. Ce type d'échangeur thermique à faisceaux de plaques fonctionne avec divers fluides comme par exemple des liquides ou des gaz ou un mélange biphasique. Avec ce type d'échangeur thermique à plaques, faisant circuler les deux fluides dans les circuits respectifs, il se produit un échange thermique entre ces deux fluides ce qui permet de réchauffer l'un des fluides et de refroidir l'autre fluide ou inversement. Ce genre d'échangeur thermique comporte également des moyens d'entrée et de sortie des fluides dans les circuits correspondants du faisceau de plaques. Dans le cas où les fluides circulent à contrecourant dans le faisceau de plaques, les moyens d'entrée du premier fluide et de sortie du second fluide sont disposés à une extrémité dudit faisceau de plaques et sont formés par deux collecteurs de forme générale semi-cylindrique et disposés axialement l'un par rapport à l'autre. Ces collecteurs sont soudés sur l'extrémité correspondante du faisceau de plaques et communiquent avec les circuits dudit faisceau de plaques. Chaque collecteur est relié à un conduit rigide d'arrivée ou de sortie du fluide qui comporte un compensateur de dilatation. Chaque compensateur de dilatation a pour but de permettre le déplacement relatif des éléments mécaniques associés et notamment du collecteur correspondant et de l'extrémité du faisceau de plaques. L'efficacité de ces compensateurs de dilatation implique qu'ils soient positionnés dans le prolongement des canaux des circuits de circulation des fluides, c'est à diré selon l'axe vertical du faisceau de plaques. Mais, compte tenu de la disposition des deux collecteurs l'un dans l'autre, il s'avère que le conduit qui communique avec le collecteur interne est décalé par rapport à l'axe vertical du faisceau de plaques. Cette disposition ne favorise pas une distribution idéale du premier fluide à l'entrée du circuit correspondant du faisceau de plaques ce qui entraîne une perte de charge significative et pénalise le rendement général de l'échangeur thermique à plaques. Par ailleurs, afin de permettre une visite des extrémités des canaux des circuits de circulation des fluides dans le faisceau de plaques, chaque collecteur doit comporter une trappe de visite. Malgré cette disposition, le contrôle de cette partie du faisceau de plaques reste une opération de maintenance longue et délicate. L'invention a pour but d'éviter les inconvénients précédemment mentionnés en proposant un échangeur thermique à plaques qui permet d'améliorer la distribution des fluides dans les circuits correspondants du faisceau de plaques et d'éliminer toute perte de charge causée par des pièces de liaison de forme coudée, tout en améliorant l'accessibilité des entrées et des sorties des circuits de cir culation des fluides pour les différentes opérations d'inspection ou d'intervention. L'invention a donc pour objet un échangeur thermique à plaques, du type comprenant - une enceinte étanche de forme allongée, - un faisceau de plaques disposé à l'intérieur de cette enceinte et ménageant avec celle-ci un espace libre, ledit faisceau de plaques comprenant un empilement de plaques parallèles les unes aux autres et formant d'une extrémité à l'autre de ce faisceau de plaques un double circuit de circulation de fluides indépendants, - des moyens d'entrée et de sortie du premier fluide du circuit correspondant du faisceau de plaques, - et des moyens d'entrée et de sortie du second fluide du circuit correspondant du faisceau de plaques, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'obturation étanche de l'espace entre l'enceinte et le faisceau de plaques et délimitant une première chambre formant les moyens d'entrée de l'un des fluides et une seconde chambre formant les moyens de sortie dudit fluide. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - les moyens d'obturation sont formés par une cloison transversale solidaire et s'étendant sur toute la périphérie du faisceau de plaques et reliée à l'enceinte par un organe d'étanchéité annulaire, - l'organe d'étanchéité annulaire est formé par un joint métallique souple, de section incurvée et dont les bords s'appliquent sensiblement tangentiellement respectivement sur la cloison transversale et sur la paroi interne de l'enceinte, - les bords du joint métallique sont fixés respectivement sur la cloison transversale et sur la paroi interne de l'enceinte par un soudure continue et étanche, - le joint est en un matériau compatible avec, d'une part, les matériaux constituant la cloison transversale et l'enceinte à raccorder et, d'autre part, les fluides en contact avec ledit joint, - le joint est en acier inoxydable. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique partiellement en coupe longitudinale d'un échangeur thermique à plaques, conforme à l'invention, - la Fig. 2 est une vue schématique en perspective du faisceau de plaques de l'échangeur thermique, conforme à l'invention, - la Fig.3 est une vue schématique en coupe longitudinale de la partie supérieure de l'échangeur thermique; conforme à l'invention, - la Fig. 4 est une vue schématique en coupe et à plus grande échelle des moyens d'obturation étanche. Sur la Fig. 1, on a représenté schématiquement un échangeur thermique à plaques désigné dans son ensemble par la référence 1 et qui comprend, d'une part, une enceinte étanche 2 de forme allongée et, d'autre part, un faisceau de plaques 3 placé dans ladite enceinte 2 et ménageant avec celle-ci, autour dudit faisceau, un espace libre 4. Dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures, l'enceinte étanche 2 et le faisceau de plaques 3 sont disposés verticalement et l'enceinte étanche 2 présente une section circulaire. Le faisceau de plaques 3 de forme générale parallélépipédique est formé par un empilement de plaques 5 parallèles les unes aux autres et délimitant une multitude de canaux 6 qui s'étendent longitudinalement d'une extrémité à l'autre du faisceau de plaques 3. De manière classique, les plaques par exemple en acier inoxydable, comportent des bords à surface lisse et une partie centrale munie d'ondulations, non représentées, par lesquelles elles sont en contact les unes sur les autres et par lesquelles elles délimitent les canaux 6. Ce faisceau de plaques 3 est pressurisé et les plaques 5 sont placées entre des plaques externes 7 reliées entre elles par des organes appropriés non représentés. Les canaux 6 forment un premier circuit A pour un premier fluide circulant dans le faisceau de plaques 3 par exemple de haut en bas et un second circuit B pour un second fluide circulant dans ledit faisceau de plaques 3 par exemple de bas en haut, c'est à dire à contre-courant par rapport au premier fluide. Dans l'exemple de réalisation représenté sur les Figs.l et 2, le circuit A comporte, à la partie supérieure du faisceau de plaques 3, des entrées 10a pour le premier fluide et, à la partie inférieure dudit faisceau de plaques 3, des sorties lOb pour ce premier fluide. Le circuit B comporte à la partie inférieure du faisceau de plaques 3 des entrées lla pour le second fluide et, à la partie supérieure dudit faisceau de plaques 3, des sorties llb pour ce second fluide. Les entrées 10a du premier fluide dans le circuit A du faisceau de plaques 3 sont raccordées à des moyens d'entrée de ce premier fluide et les sorties lOb sont raccordées à des moyens de sortie de ce premier fluide du circuit A du faisceau de plaques 3. De même, les entrées lla du second fluide dans le circuit B du faisceau de plaques 3 sont raccordées à des moyens d'entrée de ce second fluide et les sorties llb sont raccordés à des moyens de sortie dudit second fluide du circuit B du faisceau de plaques 3. Comme représenté sur les Figs. 1 à 3, les moyens d'entrée du premier fluide dans le circuit A du faisceau de plaques 3 sont formés par un collecteur 12 de forme générale semi-cylindrique et communiquant avec les entrées 10a du circuit A. Ce collecteur 12 est fixé sur les bords des plaques 5 du faisceau de plaques 3 par soudage et est raccordé à un système d'alimentation du premier fluide par un conduit 13 sur lequel est disposé un compensateur de dilatation 14. Ce conduit 13 est positionné dans l'axe vertical du faisceau de plaques 3. Les moyens de sortie du premier fluide du circuit A sont formés par un collecteur 15 de forme générale semi-cylindrique et communiquant avec les sorties lOb du circuit A. Ce collecteur 15 est fixé sur les bords des plaques 5 par soudage et est relié à un système d'évacuation du premier fluide par un conduit 16 sur lequel est disposé un compensateur de dilatation 17. Le conduit 16 est positionné dans l'axe vertical du faisceau de plaques 3 et de préférence, dans l'axe du conduit 13 d'amené du premier fluide ce qui permet d'éviter les pertes de charge. Comme représenté plus particulièrement sur les Figs. 1 et 3, l'échangeur thermique à plaques 1 comporte des moyens 20 d'obturation étanche de l'espace 4 entre l'enceinte 2 et le faisceau de plaques 3 qui délimite une première chambre 21 formant les moyens d'entrée du second fluide dans le circuit B et une seconde chambre 22 formant les moyens de sortie dudit second fluide. A cet effet, la première chambre 21 qui communique avec les entrées lla du second fluide dans le circuit B du faisceau de plaques 3 est raccordée à un conduit 23 d'amenée du second fluide dans ladite première chambre 21. De même, la seconde chambre 22 qui communique avec les sorties llb du second fluide du circuit B du faisceau de plaques 3 est raccordée avec un conduit 24 de sortie de ce second fuide de ladite seconde chambre 22. Ainsi que représenté sur les Figs. 3 et 4, les moyens 20 d'obturation sont formés par une cloison transversale 25 solidaire et s'étendant sur toute la périphérie du faisceau de plaques 3. Cette cloison transversale 25 est reliée à l'en- ceinte 2 par un organe d'étanchéité annulaire. De préférence, cet organe d'étanchéité annulaire est constitué par un joint métallique 26 souple et de section incurvée. Ce joint 26 ayant la forme générale d'une couronne comporte un premier bord 26a qui s'applique sensiblement tangentiellement sur la cloison transversale 25 et un second bord 26b qui s'applique sensiblement tangentiellement sur la paroi interne de l'enceinte 2. Les bords 26a et 26b du joint 26 sont fixés respectivement sur la cloison transversale 25 et sur la paroi interne de l'enceinte 2 par une soudure continue et étanche. Selon un exemple de réalisation représenté à la Fig. 4, la soudure reliant le joint 26 avec la cloison transversale 25 est protégée par un déflecteur 27. Ainsi, grâce à la cloison transversale 25 et au joint 26, les chambres 21 et 22 sont totalement isolées l'une de l'autre. La différence de pression entre les deux chambres 21 et 22 est faible ce qui permet de réduire l'épais- seur de la cloison transversale 25. Le joint 26 est en un matériau compatible avec, d'une part, les matériaux constituant la cloison transversale 25 et l'enceinte 2 à raccorder et, d'autre part, les fluides en contact avec ce joint 26 et de préférence en acier inoxydable. Par ailleurs, la cloison transversale 25 et le joint 26 sont disposés à proximité de l'extrémité supérieure du faisceau de plaques 3. De préférence et ainsi que représenté à la Fig. 4, le bord 26b du joint 26 est fixé sur une piste circulaire 35 rapportée par soudure sur la paroi interne de l'enceinte 2. La piste circulaire est en un matériau identique au joint 26 et de préférence en acier inoxydable et permet de s'affranchir de la géométrie de la paroi interne de l'enceinte 2. Comme représenté à la Fig. 3, le faisceau de plaques 3 est maintenu à l'intérieur de l'enceinte 2 par au moins deux platines 30 opposées et ayant sensiblement la forme d'un demi-disque. Ces platines 30 sont soudées sur la paroi interne de l'enceinte 2 et comportent des entretoises de rigidification 31 également soudées sur chaque platine 30 et sur la paroi interne de ladite enceinte 2. De même, la cloison transversale 25 peut comporter des entretoises de rigidification, non représentées, soudées sur ladite cloison transversale 25 et sur la paroi externe du collecteur 12. L'enceinte 2 et le collecteur 12 sont chacun pourvus d'un trou d'homme, respectivement 33 et 34, permettant d'inspecter les entrées et les sorties des circuits A et B du faisceau de plaques 3 et de réaliser les différentes opérations de maintenance. Le second fluide par exemple le fluide haute pression à réchauffer est injecté dans la première chambre 21 de l'enceinte 2, pénètre dans le circuit B par les entrées lla, puis circule dans le faisceau de plaques 3 de bas en haut et sort de ce circuit B dans la seconde chambre 22 et est évacué de l'échangeur thermique par le conduit 24. Le premier fluide par exemple le fluide basse pression à refroidir est injecté dans le circuit A du faisceau de plaques 3 par le conduit 13 et le collecteur 12. Ce premier fluide circule dans le circuit A du faisceau de plaques 3 de haut en bas et sort de ce faisceau de plaques 3 par le collecteur 15 et le conduit 16. Au cours de la circulation des fluides dans le faisceau de plaques 3, il se produit un échange thermique entre ces fluides ce qui permet de réchauffer le second fluide. La partie basse de l'enceinte 2 est à la pression d'entrée du second fluide qui est généralement la pression la plus élevée, assurant ainsi la mise en compression du faisceau de plaques 3. La partie haute de l'enceinte 2 est à la pression de sortie du second fluide. La cloison transversale 25 est donc soumise à une pression différentielle faible égale à la perte de charge dans les canaux 6 des circuits du faisceau de plaques 3. Grâce à la suppression d'un collecteur, le conduit 13 d'amenée du premier fluide dans le circuit A du faisceau de plaques 3 peut être disposé selon l'axe vertical du faisceau de plaques 3 ce qui élimine toute dilatation différentielle radiale entre le piquage sur l'enveloppe et le piquage sur le collecteur et permet d'utiliser un compensateur à dilatation à simple train d'ondes et de diminuer de ce fait la longueur requise pour l'installation du compensateur de dilatation. De plus, la suppression de ce collecteur à la partie supérieure du faisceau de plaques et du conduit associé permet d'améliorer les conditions de travail dans cette zone de l'échangeur thermique et d'avoir une plus grande accessibilité au faisceau de plaques. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique à plaques, du type comprenant - une enceinte étanche (2) de forme allongée, - un faisceau de plaques (3) disposé à l'intérieur de cette enceinte (2) et ménageant avec celle-ci un espace libre (4), ledit faisceau de plaques (3) comprenant un empilement de plaques (5) parallèles les unes aux autres et formant d'une extrémité à l'autre dudit faisceau de plaques (3) un double circuit de circulation de deux fluides indépendants, - des moyens d'entrée (12,13) et de sortie (15, 16) du premier fluide du circuit correspondant du faisceau de plaques (3), - et des moyens d'entrée (21, 23) et de sortie (22, 24) du second fluide du circuit correspondant du faisceau de plaque (3), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (20) d'obturation étanche de l'espace (4) entre l'enceinte (2) et le faisceau de plaques (3) et délimitant une première chambre (21) formant les moyens d'entrée de l'un des fluides et une seconde chambre (22) formant les moyens de sortie dudit fluide. 2. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (20) d'obturation sont formés par une cloison transversale (25) solidaire et s'étendant sur toute la périphérie du faisceau de plaques (3) et reliée à l'enceinte (2) par un organe (26) d'étanchéité annulaire. 3. Echangeur thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe d'étanchéité annulaire est formé par un joint métallique (26) souple, de section incurvée et dont les bords (26a, 26b) s'appliquent sensiblement tangentiellement respectivement sur la cloison transversale 25 et sur la paroi interne (2). 4. Echangeur thermique selon la revendication 3,caractérisé en ce que les bords (26a, 26b) du joint métal lique (26) sont fixés respectivement sur la cloison transversale (25) et sur la paroi interne de l'enceinte (2) par une soudure continue et étanche. 5. Echangeur thermique selon la revendication 3 ou 4,caractérisé en ce que le joint (26) est en un matériau compatible avec, d'une part, les matériaux constituant la cloison transversale (25) et l'enceinte (2) à raccorder et, d'autre part, les fluides en contact avec ledit joint (26). 6. Echangeur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le joint (26) est en acier inoxydable.