Brevet FR2781562A1 — publié le 20000128

ECHANGEUR DE CHALEUR A PLAQUES ASSURANT LA FONCTION DE CONDENSEUR. L'invention se rattache au secteur technique des appareils échangeurs à plaques soudées en utilisation condenseur. On connaît les échangeurs à tubes et calandre (virole) ou dénommés On connaît l'utilisation d'échangeurs à plaques soudées du type compact dans une configuration parallélipipédique réalisant à la fois la surface d'échange et la calandre, décrit dans le brevet EP 0186592. Ces échangeurs forment de part leur conception même la calandre. On connaît également, par le brevet VICARB, l'empilage de plaques embouties tenues entre elles par les angles chantournés, soudées sur quatre 1 5 montants constituant un parallélépipède dont le sommet et le fond sont soudés, et dont les quatre côtés sont amovibles. On connaît également une autre solution FERNANDEZ-KAPP France utilisant des plaques planes agencées avec des moyens évitant les effets de fond. Dans ces différents échangeurs à plaques soudées, il est nécessaire de les agencer avec des portes d'accès pour permettre un contrôle et un nettoyage interne de la surface d'échange, ce qui entraîne des difficultés d'entretien, et des risques de corrosion du fait de l'existence de nombreuses zones de rétention à l'endroit des soudures et des angles non accessibles. Par ailleurs, de par leur conception sans calandre, leur surface d'échange est soumise à des efforts et des contraintes élevés qui à terme réduisent la durée de vie de l'appareil. L'objet de l'invention vise la conception d'un échangeur de chaleur à plaques soudées, assurant la fonction de condenseur. Les plaques ou faisceaux sont agencées de manière à permettre: a) une haute efficacité thermique assurant une section variable en différents points de la surface d'échange, de manière à avoir une vitesse constante et une perte de charge minimale " inférieure ou égale à 1 Torr ", en fonctionnement " condensation diphasique " sous vide poussé. b) de supprimer les contraintes dues aux dilatations différentielles que supportent les plaques constituant le faisceau bridé, par le fait d'une conception flottante du faisceau " type tube en U ". c) par le fait d'un démontage aisé du faisceau, d'accéder à la totalité de la surface d'échange pour assurer l'entretien de celle-ci et contrôler visuellement toutes les parties soudées. d) de supprimer les zones de rétention de produit, côté condensation. Ces buts et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description. Selon une première caractéristique, l'échangeur de chaleur à plaques assurant la fonction de condenseur est du type comprenant deux faisceaux de chambres plates parallèles définissant une structure à plaques installées dans une enceinte formant calandre cylindrique et disposées en opposition et tant susceptibles de s'intégrer l'un dans l'autre, une structure en forme de fourreau bordant le périmètre des deux faisceaux, étant solidarisé intérieurement à la calandre pour guider d'une extrémité à l'autre les vapeurs, caractérisé en ce que les chambres d'au moins un faisceau sont à épaisseur variable sur plusieurs longueurs définissant avec le profil des chambres de l'autre faisceau différentes sections de passage à la vapeur permettant d'obtenir une vitesse optimisée nécessaire à un transfert thermique et un transfert de matière dans le cas de fonctionnement et condensation diphasique au moyen d'une perte de charge minimale. Selon une autre caractéristique, l'échangeur est remarquable du fait que la structure à plaques est amovible de part et d'autre de la calandre. On obtient trois éléments distincts: une calandre cylindrique avec un fourreau intégré, deux faisceaux flottants. Ces trois éléments sont parfaitement visitables, nettoyables et réparables. 1 0 Pour fixer l'objet de l'invention illustré d'une manière non limitative aux figures des dessins o: * La figure 1 est une vue en perspective de l'échangeur de chaleur assurant la fonction de condenseur. * La figure 2 est une vue de dessus de l'échangeur de chaleur assurant 1 5 la fonction de condenseur. * La figure 3 représente en perspective l'échangeur de chaleur assurant la fonction de condenseur démontée en trois parties indissociables, à savoir: => une enceinte (E) > un premier faisceau démontable (F1) => un deuxième faisceau démontable (F2). * La figure 4 est une vue en perspective de l'enceinte (E). * La figure 5 est une vue de dessus de l'enceinte (E). * La figure 6 est une vue en perspective de la structure (S), partie soudée dans l'enceinte (E). * La figure 7 est une vue en perspective du deuxième faisceau démontable (F1). * La figure 8 est une vue de dessus du premier faisceau démontable (F1). * La figure 9 est une vue en perspective du premier faisceau démontable (F2). a La figure 10 est une vue de dessus du deuxième faisceau démontable (F2). * La figure 1 1 est une vue de dessus des faisceaux (Fl) et (F2) dans leur position de fonctionnement, l'enceinte (E) n'étant pas représentée. * La figure 12 illustre le schéma de principe de l'imbrication des faisceaux à section variable. Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative illustrée aux figures des dessins. 1 5 L'échangeur de chaleur assurant la fonction de condenseur est composé de trois éléments distincts et démontables: = une enceinte (E) formant calandre cylindrique. un premier faisceau démontable (Fl). > un deuxième faisceau démontable (F2). (cf. FIG 1. Avant démontage, FIG 3 après démontage) Lesdits faisceaux définissent une structure à plaques amovibles de part et d'autre de la calandre L'enceinte (E) est composée (cf. FIG.4 et FIG.5): d'une virole (1), d'une tubulure d'entrée vapeur (2), d'une tubulure de sortie vapeur (3), d'une tubulure d'évacuation des condensats (4), d'une bride de liaison (5), d'une autre bride de liaison (6), d'un disque soudé (7) et d'une structure (S). La structure (S) sera liée à la virole (1) par l'intermédiaire d'un disque (7). Le faisceau (Fl) est assemblé à la bride (5). La liaison du faisceau (Fl) à l'enceinte (E) sera faite par l'ensemble des brides (5) (5'), (cf FIG.2) Le faisceau (F2) est assemblé à la bride (6). La liaison du faisceau (F2) à l'enceinte (E) sera faite par l'ensemble des brides (6) et (6'), (cf. FIG.2). La structure (S) (cf. FIG.6) guide la vapeur dans l'enceinte de l'arrière vers l'avant. Elle contraint la vapeur à circuler dans les faisceaux (Fl et F2). Elle est constituée par deux plaques planes verticales (8, 9) et deux plaques planes horizontales (10, 11). Ces quatre plaques sont soudées sur le disque (7) et forment un caisson. Une zone d'entrée de la vapeur est bordée par le disque (7) et les plaques (8 et 9). La sortie des vapeurs est bordée par les tôles (8, 9 et 11). Les faisceaux (Fl et F2) sont constitués de chambres, celles-ci sont du genre tube plat, réalisés par des plaques embouties, soudées deux à deux sur trois de leurs quatre côtés. Ces chambres écartées entre elles deux à deux sont assemblées sous forme d'un parallélépipède. Elles réalisent un ensemble de canaux rectangulaires constituant la section de passage côté vapeur. Les chambres sont assemblées entre elles par une de leurs deux extrémités, et plus précisément du côté ouvert de ces dites chambres. Ainsi, on constitue deux faisceaux flottants ou chaque chambre peut recevoir le fluide de refroidissement, qui rentre et sort d'un même côté. Les références fléchées Al, A2, Al', A2' indiquent le sens de passage du fluide de refroidissement. La référence B1 est celle de l'entrée de la vapeur, la référence B2, celle de la sortie de la vapeur et B3 l'évacuation des condensats. Les circuits de passage des fluides réfrigérants ne sont pas directement représentés, n'étant pas de l'essence même de l'invention. L'homme de métier étant en mesure d'inclure l'objet de l'invention avec de telles dispositions connues en elles-mêmes. Les chambres du faisceau (F2, cf. FIG. 10) se distinguent de celles du faisceau (Fl) par le fait qu'elles sont à épaisseur variable. Sur la première longueur (L2) l'épaisseur des chambres (ep2) est la plus faible. Sur la deuxième longueur (L3), l'épaisseur des chambres (ep3) est supérieure à (ep2). Ainsi les deux faisceaux embrevés (cf. FIG 11) l'un dans l'autre imposent trois sections de passage à la vapeur. La vapeur entre dans la 1 0 section la plus importante, puis circule dans des sections décroissantes. La première section de passage (Sl) est définie par le faisceau (Fl) sur une longueur (LI) (cf. FIG. 11). L'écartement entre plaques (el) est celui du faisceau (Fl). La deuxième section de passage (S2) plus étroite que (SI) est définie par les faisceaux (Fl et F2) (nota: la surface d'échange est doublée) i 5 sur une longueur (L2). L'écartement entre plaques (e2) est égal à: (el-ep2) / 2. La troisième section de passage (S3) plus étroite que (S2) est définie par les faisceaux (Fl et F2) sur une longueur (L3). L'écartement entre plaques (e3) est égal à: (el-ep3) / 2. Le nombre de sections et de longueur des chambres du faisceau (F2) sont établis en fonction des caractéristiques de l'échangeur. Sans sortir de l'invention, les profils des chambres des faisceaux peuvent être ensembles à section variable dans une combinaison en nombre et en longueur complémentaires selon les besoins exigés par l'échangeur sélectionné. Ainsi selon l'invention, les chambres des deux faisceaux s'imbriquent les unes dans les autres et créent des canaux à section variable décroissante. La structure (S) en forme de fourreau borde le périmètre de ces deux faisceaux pour guider d'une extrémité à l'autre les vapeurs. Ces vapeurs se condensent et durant l'écoulement entre les chambres, il se produit une réduction de volume. Le fait de réduire la section de passage entre les chambres permet d'obtenir une vitesse optimisée, vitesse nécessaire au traitement thermique et au transfert de matière dans le cas de fonctionnement en " condensation diphasique " au moyen d'une perte de charge minimale. Plus on crée de perte de charge, plus on diminue la température de condensation du composant condensable en présence des composants non condensables enl'état de température et de pression, et donc on perd de l'efficacité. Les avantages ressortent bien de la description pour répondre aux différents buts recherchés précédemment rappelés. REVENDICATIONS -1- Echangeur de chaleur à plaques assurant la fonction de condenseur du type comprenant deux faisceaux (Fl, F2) de chambres plates parallèles définissant une structure à plaques, installées dans une enceinte (E) formant calandre cylindrique (E) et disposées en opposition étant susceptibles de s'intégrer l'un dans l'autre, une structure (S) en forme de fourreau bordant le périmètre des deux faisceaux, étant solidarisée intérieurement à la calandre pour guider d'une extrémité à l'autre les vapeurs, caractérisé en ce que les chambres d'au moins un faisceau (F2) sont à épaisseur variable sur plusieurs longueurs (Ll, L2, L3) définissant avec le profil des chambres de l'autre faisceau (Fl) différentes sections de passage à la vapeur permettant d'obtenir une vitesse optimisée nécessaire à un transfert thermique et un transfert de matière dans le cas de fonctionnement et condensation 1 5 diphasique au moyen d'une perte de charge minimale. -2- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte (E) est composée: d'une virole (1), d'une tubulure d'entrée vapeur (2), d'une tubulure de sortie vapeur (3), d'une tubulure d'évacuation des condensats (4), de brides de liaison (5-5') (6-6'), d'un disque soudé (7) et d'une structure (S), et en ce que ladite structure (S) est liée à la virole (1) par l'intermédiaire d'un disque (7), et en ce la liaison du faisceau (Fl) à l'enceinte (E) est faite par l'ensemble des brides (5) (5'), la liaison du faisceau (F2) à l'enceinte (E) est faite par l'ensemble des brides (6) et (6'), -3- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2,, caractérisé en ce que la structure (S) guidant la vapeur dans l'enceinte de l'arrière vers l'avant., en contraignant la vapeur à circuler dans les faisceaux (Fl et F2) est constituée par deux plaques planes verticales (8, 9) et deux plaques planes horizontales (10, 11), et en ce que ces quatre plaques sont soudées sur le disque (7) et forment un caisson, et en ce que la zone d'entrée de la vapeur est bordée par le disque (7) et les plaques (8 et 9) et la sortie des vapeurs est bordée par les tôles (8, 9 et 11). -4- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les faisceaux (F1 et F2) sont constitués de chambres, réalisés par des plaques embouties, soudées deux à deux sur trois de leurs quatre côtés, ces chambres étant écartées entre elles deux à deux et assemblées sous forme d'un parallélépipède, et en ce qu'elles réalisent un ensemble de canaux rectangulaires constituant la section de passage côté vapeur, et en ce que les chambres sont assemblées entre elles par une de leurs deux extrémités, et du côté ouvert de ces dites chambres, et ce que lesdites chambres du faisceau (F2) sont à épaisseur variable. -5- Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que sur la première longueur (L2) des chambres du faisceau (F2), l'épaisseur des chambres (ep2) est la plus faible, sur la deuxième longueur (L3), l'épaisseur des chambres (ep3) est supérieure à (ep2). -6- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 caractérisé en ce que les deux faisceaux embrevés l'un dans l'autre imposent trois sections de passage à la vapeur, celle-ci entrant dans la section la plus importante, puis circulant dans des sections décroissantes, et en ce que la première section de passage (S1) est définie par le faisceau (F1) sur une longueur (L1), l'écartement entre plaques (el) est celui du faisceau (F1), la deuxième section de passage (S2) plus étroite que (S1) est définie par les faisceaux (F1 et F2) sur une longueur (L2), la troisième section de passage (S3) plus étroite que (S2) est définie par les faisceaux (F 1 et F2) sur une longueur (L3). -7- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le nombre de sections et de longueur des chambres du faisceau (F2) sont établis en fonction des caractéristiques de l'échangeur. -8- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les profils des chambres des faisceaux peuvent être ensembles à section variable dans une combinaison en nombre et en longueur complémentaires selon les besoins exigés par l'échangeur sélectionné.