Brevet FR2780494A1 — publié le 19991231

La présente invention concerne un échangeur de chaleur tubulaire antipollution à double paroi comportant deux tubes concentriques, I'anneau entre les deux tubes étant rempli d'un liquide assurant le transfert thermique entre le fluide circulant à l'intérieur du tube interne et le fluide circulant à l'extérieur du tube externe. On connaît déjà des échangeurs de chaleur à simple paroi destinés au chauffage ou au refroidissement de liquides contenus dans un réservoir. Ces échangeurs ne sont pas conformes aux règlements sanitaires dans le cas o le fluide de transfert est plus ou moins toxique. Ces échangeurs réalisés à l'aide de tubes cuivre ou acier présentent un certain nombre d'inconvénients comme la non-résistance à la corrosion et à l'entartrage. Certaines conceptions avec des tubes en titane permettent de résister à la corrosion, mais présentent l'inconvénient d'être très coûteux dans leur réalisation. On connaît également des échangeurs dits de sécurité à double paroi comportant deux tubes métalliques coaxiaux le tube intérieur étant serti à l intérieur du tube externe, le tube ls interne étant extérieurement muni d'aspérités pyramidales afin de transférer directement la chaleur au tube externe, qui est muni extérieurement d'ailettes extrudées. Ces échangeurs très coûteux présentent l'avantage d'être très performants sur le plan du coefficient d'échange thermique mais présentent par contre d'importantes dispositions à l'entartrage. C'est d'une manière générale un but de l'invention de fournir un échangeur de chaleur ne présentant pas les défauts des installations connues. C'est en particulier un but de l'invention de fournir un échangeur à double paroi constitué d'un tube externe en matériau plastique de type polymère polyéthylène, polypropylène, polychlorure de vinyle ou autre, en contact avec le fluide secondaire à 2s réchauffer ou à refroidir, assurant ainsi une protection totale contre la corrosion et une discontinuité électrique. La surface externe du tube extérieur sera lisse de préférence afin de ne pas permettre l'accrochage du tartre. C'est encore un but de l'invention de fournir un échangeur à double paroi comportant entre les deux tubes un anneau liquide rempli d'un fluide thermique intermédiaire tel de l'eau ou de l'huile alimentaire par exemple. L'échange thermique s'effectue du fluide primaire vers la paroi du tube interne puis à travers le liquide intermédiaire vers la paroi du tube externe et enfin du tube externe vers le fluide secondaire à réchauffer ou à refroidir. En cas de corrosion et de percement d'un des tubes, l'anneau liquide à pression atmosphérique va se remplir du liquide circulant dans le 2 2780494 tube percé le mettant en relation avec l'extérieur, avisant ainsi les utilisateurs du problème sans conduire au mélange des deux fluides primaire et secondaire. L'intérêt du procédé permet en outre: - D'être adapté au chauffage de l'eau chaude sanitaire -' D'être adapté au chauffage ou au refroidissement de liquides agro-alimentaires. - De ne pas être coûteux dans sa réalisation. L'invention sera bien comprise par la description qui suit faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est un schéma du dispositif de remplissage en fluide thermique et d'un exemple de système de traversée de cloison d'une installation selon l'invention. À La figure 2 représente la vue en coupe de l'un des tubes de l'échangeur, d'une installation selon l'invention. La figure 3 est représente un dispositif d'échange thermique selon l'invention. * La figure 4 est un exemple d'installation utilisant un dispositif d'échange thermique 1 5 selon l'invention. La figure 5 représente une bride d'un échangeur selon l'invention. La figure 6 représente un autre mode de réalisation d'un échangeur selon l'invention. Une installation selon l'invention, figure 3, comporte deux tubes coaxiaux (10) et (11) enroulés par exemple en forme de serpentin et traversant à ses deux extrémités une bride (16), l'étanchéité de la traversée de cloison étant assurée par collage, soudage, sertissage ou mécaniquement du tube (10) sur la bride (16). A l'intérieur du tube (11) circule un fluide thermique pénétrant par l'entrée (36) et sortant après échange thermique, par la sortie (37). L'enveloppe externe du tube (10) baigne dans un liquide (S) avec lequel il est en relation d'échange thermique. La bride (16) forme cloison étanche permettant au liquide (S) de ne pas s'écouler vers l'extérieur (A). Le tube (10) sera réalisé de préférence en matériau polymère, comme du polyéthylène haute densité par exemple, la bride (16) sera réalisée de préférence dans le même matériau afin de permettre le soudage des entrées et sorties du tube (10), par les soudures (32,33...). Des orifices (31i, 312,..31n) sont destinés à recevoir les dispositifs de fixation étanche de la bride (16). Un doigt de gant étanche (30) sera fixé sur la bride (16) par collage, soudage, sertissage ou mécaniquement, représenté à titre d'exemple par la soudure (34) sur la figure. Le doigt de gant (30) sera réalisé de 3 2780494 préférence dans le même matériau que la bride (16), il est destiné à recevoir la sonde de régulation qui sera glissée à l'intérieur et dont le rôle est de réguler la température du liquide (S). Le doigt de gant sera placé, comme représenté, au-dessus de l'échangeur, dans le cas de l'application du dispositif au chauffage du liquide (S). thais il sera placé en dessous dans le cas de l'application au refroidissement du liquide (S). Le tube intérieur (11) de l'échangeur sera réalisé de préférence en métal, tel du cuivre par exemple. Dans ce tube circule le fluide chauffant ou refroidissant, tel un fluide frigorigène à changement de phase comme du R-134a par exemple ou un liquide thermique. Afin de permettre un bon transfert de la chaleur du fluide circulant dans le tube (11) vers le tube extérieur (10), I'espace annulaire compris entre les deux tubes sera rempli par un liquide (12) de type alimentaire tel de l'huile ou de l'eau. Ce liquide (12) sera introduit par le réservoir extérieur (23) raccordé à l'une des extrémités de l'échangeur, I'espace annulaire de l'autre extrémité de l'échangeur sera obturée afin de ne pas laisser échapper le liquide (12). Le liquide (12) se trouve à la pression atmosphérique, de telle manière que si soit le tube (10), soit le tube (11) arrivaient à percer, par corrosion ou autre, il n'y aurait pas mélange entre le liquide (S) et le fluide circulant dans le tube (11) permettant ainsi une bonne sécurité car l'écoulement s'effectuerait à l'extérieur au niveau du réservoir (23). La longueur des tubes de l'échangeur à double paroi placé dans le milieu (S), sera fonction des puissances calorifiques à transmettre. Le nombre de tubes échangeur pourra également être multiple pour les fortes puissances. La figure 1 représente le détail d'un exemple de traversée de cloison (16) ainsi que le dispositif de remplissage (23) du liquide thermique intermédiaire (12). L'étanchéité entre le liquide (S) et l'ambiance extérieure (A) est assurée, dans cet exemple, par un raccord mécanique à compression composé d'un joint torique (22), en élastomère par exemple, d'une bague de compression (21) dont le rôle est de bloquer le tube (10) et de comprimer le joint (22), grâce à l'action de l'organe de serrage (20) qui comporte une partie filetée permettant de le visser directement ou indirectement sur le corps de la cloison (16). Sur I 'extrémité de l'échangeur représenté, est raccordé un petit réservoir (23) dont le rôle est de permettre le remplissage en liquide thermique (22) de l'espace annulaire compris entre les tubes (10) et (11), ainsi que d'assurer l'expansion des dilatations du liquide (12), dû aux variations de température du liquide (.12). L'extrémité du tube (10) est obturée par un bouchon (17) afin d'éviter les fuites 4 2780494 du fluide thermique (12). A l'intérieur (13) du tube (11) circule le fluide primaire (P), chauffant ou refroidissant, tel un fluide frigorigène à changement de phase comme du R-134a par exemple ou un liquide thermique. Le réservoir (23) comporte en partie supérieure, un bouchon (24) en plastique fin enfoncé simplement sur le réservoir (23), dont le rôle est d'éviter l'évaporation du liquide (12) et de permettre l'évacuation du fluide en cas de fuite. Un dispositif avertisseur de fuite (non représenté) pourra également être intégré au réservoir (23), il pourra s'agir d'un flotteur à contact électrique d'un pressostat ou d'un autre dispositif. La figure 2 est une vue en coupe des tubes de l'échangeur à double paroi, on y voit îo bien le fluide primaire (P) circulant à l'intérieur du tube (11). L'échange thermique s'effectue du fluide primaire (P) vers la paroi du tube interne (11), puis à travers le liquide intermédiaire (12) vers la paroi interne du tube externe (10) et enfin de la paroi externe du tube externe vers le fluide secondaire (S)à réchauffer ou à refroidir. La figure 4 est un exemple d'installation de production d'eau chaude sanitaire utilisant un dispositif d'échange thermique (ECH), selon l'invention. L'ensemble de l'échangeur (ECH) est fixé sur la contre bride (44) d'un réservoir (40) enfermant le liquide (S). L'ensemble échangeur est installé en partie basse du réservoir afin de profiter du phénomène de stratification. L'échange thermique entre les parois externes de l'échangeur et le liquide (S) s'effectue par convection naturelle. Le liquide froid à chauffer pénètre en partie basse du réservoir par la tuyauterie (42) et sort chaud par la tuyauterie (43) placée en partie haute du réservoir (40). Le réservoir (40) sera judicieusement calorifugé par une enveloppe (41) isolante thermiquement. Dans le cas de l'application au refroidissement d'un liquide, c'est l'inverse de la représentation de la figure 4 qui est appliqué, I'échangeur est alors placé en partie haute du réservoir, I'eau à refroidir pénètre en partie haute du réservoir (40) par la tuyauterie (43) et ressort refroidie en partie basse par la tuyauterie (42). La figure 5 représente le détail d'une bride (16) d'un échangeur selon l'invention. La bride est munie de trous de fixation (311, 312,...31n), destinés au montage du dispositif sur le réservoir à traiter. Le trait pointillé (50) représente le serpentin de tubes d'échange thermique. Le doigt de gant (30) est sur l'exemple placé en partie haute de la bride (16). L'échangeur thermique a ses entrées et sortie respectivement représentées par les orifices (36) et (37). La figure 6 représente un autre mode de réalisation d'un échangeur selon l'invention. Celui ci est incorporé dans une virole.(51) et constitué d'une série de tubes coaxiaux 2780494 à double paroi (551, 552,... 55,). Le liquide à chauffer ou à refroidir pénètre en (E2) par la tuyauterie (53) et sort de l'échangeur en (S2) par la tuyauterie (52). Les tubes externes sont soudés à leur extrémité sur la bride (60), assurant ainsi l'étanchéité entre le liquide (S) et l'extérieur (A). Les tubes intérieurs sont quant à eux soudés à leur entrée (581, 582....58n) afin de les raccorder sur le collecteur (56) o pénètre en (El) le fluide primaire, et à leur sortie (591, 592...59n) afin de les raccorder sur le collecteur (57) o sort en (Sl) le fluide primaire. L'espace entre la bride (60) et les collecteurs (56,57) est obturé sauf dans la partie supérieure afin de permettre le remplissage en fluide thermique intermédiaire (54) et lui permettre de pénétrer dans io les espaces annulaires des tubes coaxiaux (551, 552,...55,n). Dans une variante, les collecteurs (56) et (57) pourront être placés de part et d'autre de la virole (51) permettant ainsi de ne pas être contraints à cintrer les tubes (551, 552,-... 55n), comme dans le cas des échangeurs dits multitubulaires. La présente invention est d'une manière générale applicable à tous les systèmes is d'échange thermique entre deux fluides o tout risque de pollution doit être évité. Une application particulièrement intéressante est le chauffage de l'eau sanitaire, l'échangeur pouvant être utilisé aussi bien en condenseur de pompe à chaleur qu'en échangeur thermique avec un circuit de chaudière. La présence de plastique côté fluide secondaire permet de nombreuses autres applications tant dans le domaine de lI'agro-alimentaire que pour les condenseurs à eau de mer. Le dispositif trouve aussi son application dans l'industrie chimique. D'une manière générale et non limitative,!'invention s'applique partout o des risques de pollution, de corrosion permanentes ou temporaires sont à craindre ainsi que des risques d'entartrage, le tartre se déposant difficilement sur les surfaces en plastique. 6 2780494 REVENDICATIONS 1.Echangeur de chaleur ou de froid antipollution caractérisé en ce qu'il comprend une double paroi constituée de deux tubes concentriques (10, 11) I'anneau formé entre les deux tubes étant rempli d'un liquide (12) assurant le transfert thermique ' entre le fluide circulant à l'intérieur du tube interne (11) et le fluide circulant à l'extérieur du tube externe (10). 2. Installation selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'au moins le tube extérieur (10) est réalisé en matériau polymère ou plastique. 3. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'étanchéité au passage de la bride (16) des tubes (10) est assurée par collage, sertissage, soudage, ou au moyen d'un raccord mécanique (20, 21, 22). 4. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les tubes coaxiaux (10,11) de l'échangeur sont enroulés en serpentin. 5. Installation selon la revendications 1 caractérisée en ce que le dispositif comporte un réservoir (23) de fluide intermédiaire (12). 6. Installation selon la revendication 5 caractérisée en ce que le réservoir est équipé d'un dispositif avertisseur de fuite tel un flotteur à contact électrique, un pressostat ou autre. 7. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte un doigt de gant (30) destiné à recevoir une sonde de régulation. 8. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'échangeur (ECH) est fixé sur un réservoir (40) par une contre bride (44). 9. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le fluide (12) est un liquide alimentaire. 10.Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'échangeur à double paroi est placé dans une virole (51) et comporte un réservoir contenant le liquide (54), constitué par les parois de la bride (60) et les collecteurs (56, 57). 11.Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les collecteurs (56) et (57) sont placés de chaque côté de la virole (51).