Brevet FR2790546A1 — publié le 20000908

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur du type comportant au moins un chenal de passage de fluide dans une première direction, pourvus d'ondes sensiblement parallèles à ladite première direction et comprenant au moins une zone de distribution avec au moins un collecteur latéral et au moins une zone de déviation de flux pourvue d'ondes de déviation s'étendant suivant au moins une deuxième direction formant un angle avec la première direction. La présente invention concerne plus particulièrement, quoique non exclusivement, les échangeurs de chaleur pour vaporisation de liquide sous pression, en particulier de liquides cryogéniques. Les appareils de séparation d'air dits "à pompe", produisent au moins un gaz de l'air sous forme liquide qui est mis sous pression par une pompe avant sa vaporisation, permettant ainsi d'éviter de comprimer les produits purs sous forme gazeuse par un compresseur, ce qui est particulièrement intéressant, économiquement et techniquement, et plus sûr avec l'oxygène. Le réchauffage et la vaporisation du liquide sous pression s'effectue dans une ligne d'échange qui est généralement constituée d'un ou plusieurs corps d'échangeurs, typiquement en aluminium brasé. A l'endroit, dans l'échangeur, o le liquide sous pression finit de se vaporiser, on assiste à des variations brutales du coefficient d'échange de ce fluide résultant de fluctuations d'écoulement faisant passer le produit d'un état de mélange diphasique, dont le coefficient d'échange est élevé, à un état purement gazeux, dont le coefficient d'échange est très inférieur. Il s'en suit, localement, une variation sensible de la température de la paroi et des ondes de l'échangeur. Lorsque la différence de température entre le fluide qui se vaporise et les fluides voisins est notable, pouvant dépasser largement 10 C, typiquement entre 100C et 30 C, la température locale de la paroi et des ondes peut varier rapidement et brutalement, typiquement de 5 à 15 C, ce qui est suffisant pour provoquer des phénomènes de fatigue thermique. Lorsque ces fluctuations se produisent dans une zone homogène de l'échangeur, la fatigue reste très limitée. En revanche, la fatigue devient importante lorsque le fluide finit de se vaporiser dans des ondes de déviation: les phénomènes sont en effet aggravés par les hétérogénéités thermiques et mécaniques de la structure, les ondes de distribution ou de déviation étant plus espacées et plus épaisses, et donc plus rigides que les ondes d'échange, afin d'offrir une résistance plus faible au passage de fluides tout en assurant la résistance mécanique voulue. Les ondes de déviation ont souvent un pas peu inférieur à la hauteur du passage o se trouvent ces ondes et sont relativement épaisses (jusqu'à 0,5 mm en aluminium), alors que les ondes d'échange ont classiquement un pas très inférieur à leur hauteur et sont relativement minces (de 0,15 à 0,3 mm en aluminium). Des phénomènes de fatigue sont également prévisibles dans les zones de distribution o un fluide finit de se vaporiser dans des zones d'ondes d'échange jouxtant des passages de fluide comprenant des ondes de déviation. La présente invention a pour objet de proposer une structure d'échangeur de chaleur comprenant au moins une zone de distribution évitant notamment les inconvénients évoqués en dernier ci-dessus. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, la zone de déviation occupe toute la largeur, transversalement à la première direction, de la zone de distribution, les ondes de déviation communiquant toutes avec des ondes d'échange. Selon une autre caractéristique de l'invention, une onde de déviation s'étend d'un bord latéral à l'autre bord latéral du chenal. Avec de tels agencements, il n'y a aucune zone morte dans la zone de distribution, ce qui empêche ainsi de laisser la surface de l'échangeur suivre seulement la température du fluide vaporisé. Selon une autre caractéristique de l'invention, les ondes de déviation ont sensiblement les mêmes proportions géométriques que les ondes d'échange, c'est-à-dire relativement peu rigides et offrant une bonne surface d'échange thermique. Dans ce contexte on proscrira l'utilisation d'une barre d'étanchéité interne habituellement disposée entre l'amont et l'aval d'une zone de distribution. Par contre, selon un aspect de l'invention, les ondes de déviation et les ondes d'échange peuvent être de types différents (perforées, et non perforées et/ou décalées ("serrated") et non décalées. Avec un tel agencement, la zone de distribution présente une rigidité comparable à celle du reste du passage, et l'échange thermique avec les fluides dont la température change le moins et le plus lentement est favorisé. La présente invention a pour objet de proposer une application d'un tel io échangeur à la vaporisation de liquides sous pression, typiquement à la vaporisation de liquides cryogéniques. C'est pourquoi, I'invention a pour autre objet un appareil de distillation d'air produisant au moins un liquide cryogénique sous pression et équipé d'au moins un tel échangeur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante d'un mode de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation d'une zone de redistribution d'un échangeur de chaleur selon l'invention; la figure 2 est une vue schématique d'une zone de distribution d'un autre mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention; et la figure 3 est une vue schématique d'encore un autre mode de réalisation d'une zone de redistribution d'un échangeur de chaleur selon I'invention. Dans la description qui va suivre, et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence, éventuellement indicés. Sur les dessins les proportions géométriques exactes ne sont pas respectées, pour en faciliter la lecture. Sur la figure 1 on a représenté, de façon très schématique, une paroi 1 d'un échangeur à plaques en métal brasé séparant deux passages de fluides dont l'un, comme représenté sur la partie gauche de la figure 1, se transforme par vaporisation d'un état liquide 2 à un état gazeux 3. Au niveau de la zone d'interface 4 o la phase liquide sous pression finit de se vaporiser, on a représenté une zone de distribution 5 d'o le fluide, circulant normalement le long de la paroi 1 dans le sens de circulation principal de l'échangeur (vertical sur la figure) est dévié latéralement vers un collecteur 6 pour être en partie extrait de l'échangeur (flèche E). Classiquement, la paroi 1 est munie d'ondes d'échange parallèles 7 relativement fines et à pas serré (beaucoup plus serré que représenté sur les figures pour ne pas surcharger celles-ci). Selon l'invention, dans le mode de réalisation de la figure 1, le flux est dévié de et vers le collecteur latéral 6 par des ondes de déviation 8, ayant sensiblement les mêmes caractéristiques géométriques (épaisseur, forme, densité) que les ondes d'échange 7, mais s'étendant ici orthogonalement à ces dernières. Comme on le voit sur la figure 1, les ondes 8 sont réparties suivant un volume prismatique à section en V s'étendant progressivement sur toute la section transversale du passage défini par les ondes d'échange 7, une onde médiane 8a séparant ainsi le passage en deux zones, l'une, supérieure, o la totalité du flux F de fluide descendant le long des ondes 7 est déviée vers le collecteur 6, I'autre inférieure, o une partie du fluide collecté dans le collecteur 6 est redistribué vers le bas du passage à ondes d'échange 7. Conformément à l'invention, un tel agencement permet d'éliminer les barres internes d'étanchéité qui constituent des inhomogénéité mécaniques ainsi que des zones mortes, isolées des passages de fluides et de ce fait seules sensibles aux variations de température de l'autre côté de la paroi. Avantageusement, pour améliorer la distribution du flux dans les ondes de déviation 8, on dispose en amont de ces dernières, comme représenté, et/ou en aval une résistance à l'écoulement ou perte de charge constituée typiquement d'une courte section d'ondes d'échanges 10 disposées en "hard way", c'est-à-dire orthogonalement au flux F et avec des passages décalés en chicane. La figure 2 représente un mode de réalisation o le débit dérivé E est présélectionné par déviation d'une partie prédéterminée du flux entrant F, dont une partie traverse directement, avec redistribution, la zone de distribution 5. Ici, les ondes de déviation 8 forment avec les ondes d'échange 7 un angle supérieur à celui de la diagonale de la surface de distribution dont la hauteur est définie par le collecteur 6. Une (8b) de ces ondes, qui se raccorde à une onde d'échange 7, définit la séparation entre le flux dévié dans le collecteur 6 et le flux traversant directement la zone de distribution 5. La figure 3 représente un mode de réalisation voisin de celui de la io figure 2 mais avec des ondes de déviation 8 cette fois parallèle, à la diagonale de la surface de distribution, qui est ici marquée par une onde de déviation médiane 8a s'étendant transversalement de bord à bord du passage principal de sorte que, de façon analogue au mode de réalisation de la figure 1, tout le flux entrant F soit dévié vers le collecteur droit 6d, une ligne extérieure 9 1 5 renvoyant une partie du flux extrait du collecteur droit 6d vers un collecteur gauche 6g alimentant la moitié du motif d'ondes 8 communiquant avec les ondes d'échange 7 au-dessous de la zone de dérivation 5. On notera que, ici encore, selon un aspect de l'invention, la zone de distribution 5 est totalement dépourvue de barre d'étanchéité interne, une légère fuite parasite interne entre les zones de part et d'autre de l'onde diagonale 8a ne soulevant pas de problèmes. Dans tous les cas, selon un aspect de l'invention, les ondes de déviation 8, de même type ou non que les ondes d'échange, sont morphologiquement analogues à ces dernières, avec des pas analogues (à + 50 %) et des épaisseurs également analogues (à + 50 %), typiquement entre 0,15 et 0,5 mm en aluminium. Comme sus-mentionné, de telles architectures d'échangeur- distributeur, réalisées typiquement par assemblage de sous-ensembles brasés, en aluminium ou au moins partiellement en acier inoxydable, trouvent une application privilégiée dans les appareils de distillation d'air cryogéniques produisant notamment de l'oxygène liquide mis sous pression par une pompe avant sa vaporisation, sous pression, dans lesdits échangeurs. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur, comportant au moins un chenal de passage de fluide dans une première direction, pourvu d'ondes d'échange (7) sensiblement parallèles à la première direction et comprenant au moins une zone de distribution (5) avec au moins un collecteur latéral (6) et au moins une zone de déviation de flux pourvue d'ondes de déviation (8) s'étendant suivant au moins une deuxième direction formant un angle avec la première direction, caractérisé en ce que la zone de déviation occupe toute la largeur, transversalement à la première direction, de la zone de distribution, les ondes de déviation (8) communiquant toutes avec des ondes d'échange (7). 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ondes d'échange (7) sont associées à une structure (10) génératrice de perte de charge en amont et/ou en aval de la zone de distribution (5). 3. Ensemble selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'une onde de déviation (8a) s'étend d'un bord latéral à l'autre bord latéral de la zone de distribution. 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que les ondes de déviation (8) sont orthogonales à la première direction. 5. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte deux collecteurs latéraux opposés (6d, 6g) en communication directe externe (9) I'un avec l'autre. 6. Ensemble selon l'une des revendication précédentes, caractérisé en ce que les ondes de déviation (8) ont sensiblement les mêmes caractéristiques géométriques que les ondes d'échange (7). 7. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que les ondes de déviation (8) sont d'un type différent de celui des ondes d'échange (7). 8. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone de distribution (5) est dépourvue de barre d'étanchéité interne. 9. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un assemblage de sous-ensembles brasés. 10. Application d'un échangeur selon l'une des revendications précédentes à la vaporisation de liquide sous pression. 11. Appareil de distillation d'air produisant au moins un liquide cryogénique sous pression et équipé d'au moins un échangeur selon l'une des revendications 1 à 9.