Brevet FR2804206A1 — publié le 20010727

L'invention concerne les échangeurs thermiques à courants croisés et notamment les réfrigérants à eau pour des gaz chauds pouvant être chargés de particules solides, du type comportant des tubes à ailette(s). De tels échangeurs réfrigérants sont mis en oeuvre par exemple dans les compresseurs de gaz isothermes multi-étages pour refroidir le gaz entre les étages afin d'en obtenir un bon rendement, dans les installations de séparation d'air ou de gaz, ou encore en sortie des soufflantes des hauts fourneaux. Ces échangeurs, qui doivent présenter une efficacité maximale tout en introduisant une perte de charge minimale, comportent une calandre extérieure dans laquelle est disposé un faisceau de tubes parallèles qui s'étendent dans une première direction et se succèdent dans une ou plusieurs directions perpendiculaires à la première direction en formant un ensemble de forme générale par exemple parallélépipédique. Les tubes sont parcourus intérieurement par un premier fluide, ici un liquide de réfrigération pouvant être de l'eau, parcourant le faisceau en une ou plusieurs passes. Le gaz ici à refroidir circule dans la calandre en léchant la paroi extérieure des tubes de manière sécante, et en s'écoulant généralement en une seule passe globalement dans la deuxième direction. Dans le faisceau, on utilise généralement des tubes comportant chacun des ailettes transversales ou une ailette hélicoïdale s'étendant extérieurement en saillie par rapport à leur pourtour, ou encore des tubes enfilés dans des ailettes communes chacune à plusieurs tubes. Ces tubes munis d'un tel moyen d'échange thermique en saillie présentent ainsi une surface d'échange thermique avec le gaz supérieure à celle d'un tube lisse de mêmes dimensions. II faut noter que ce sont les tubes à ailettes les plus en amont qui sont en contact avec le gaz le plus chaud ; ainsi, le fluide de refroidissement est notablement plus réchauffé dans ces tubes les plus en amont. De plus, si le gaz à refroidir contient des particules corrosives, les ailettes situées les plus en amont de son écoulement sont rapidement corrodées, et même l'existence de particules non corrosives a des conséquences fâcheuses car elle peut aboutir à des dépôts sur les ailettes parvenant à boucher certains espaces inter-ailettes et inter-tubes rendant impraticables certains trajets d'écoulement ; il en résulte alors une élévation de température irrégulière le long de certains tubes. L'un et l'autre de ces phénomènes sont susceptibles d'entraîner une caléfaction de l'eau dans les tubes ou la détérioration de produits de traitement qui peuvent être contenus dans cette eau, plus particulièrement si la température -du gaz est relativement élevée (ici de l'ordre de 200 C par exemple). Ce problème peut être aggravé par une circulation défectueuse du liquide. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients, et concerne à cette fin un échangeur thermique à courants croisés comportant un faisceau de tubes parallèles qui s'étendent dans une première direction et se succèdent dans au moins une deuxième direction perpendiculaire à la première direction, les tubes étant parcourus intérieurement par un premier fluide en circulation et la paroi extérieure des tubes parallèles étant léchée de manière sécante à la première direction par un deuxième fluide en circulation qui s'écoule globalement sur un trajet s'étendant au moins pour partie dans la deuxième direction, caractérisé en ce que, le long du trajet d'écoulement global, une première tranche du faisceau de tubes s'étendant sur toute la section d'écoulement du deuxième fluide et située en amont dans le trajet, présente un coefficient d'échange thermique global entre les deux fluides qui est inférieur au coefficient d'échange thermique global d'au moins une deuxième tranche du faisceau de tubes, s'étendant sur toute la section d'écoulement, et qui est située plus en aval dans le trajet. Grâce à ces caractéristiques, on adapte, le long de l'écoulement du deuxième fluide, le coefficient d'échange thermique aux températures respectives du deuxième et du premier fluides, et ainsi on réduit les risques de surchauffe à l'intérieur des tubes. L'échangeur peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - dans la première tranche du faisceau de tubes, la surface d'échange thermique globale des tubes avec le deuxième fluide est inférieure à la surface d'échange thermique globale des tubes avec le deuxième fluide dans une deuxième tranche qui a la même épaisseur que la première tranche ; - au moins dans la première tranche du faisceau de tubes, le faisceau comporte au moins un tube lisse ; - au moins dans la deuxième tranche du faisceau de tubes, le faisceau comporte au moins un tube muni extérieurement d'-au moins un moyen d'échange thermique en saillie extérieure, notamment au moins une ailette ; - le moyen d'échange thermique comprend plusieurs ailettes se succédant sur la longueur du tube ; - le moyen d'échange thermique comprend au moins une ailette hélicoïdale ; - le faisceau comporte plusieurs tubes munis d'au moins une ailette commune dans laquelle ils sont enfilés ; - le long du trajet d'écoulement global du deuxième fluide, les tranches du faisceau de tubes s'étendant sur toute la section d'écoulement du deuxième fluide se succèdent sans décroissance de leur coefficient d'échange thermique global respectif d'amont en aval ; - le long du trajet d'écoulement global du deuxième fluide, des tranches du faisceau de tubes s'étendant sur toute la section d'écoulement du deuxième fluide et de même épaisseur se succèdent d'amont en aval, et les tubes de ces tranches sont ailetés avec un pas d'ailetage décroissant d'amont en aval ; - le premier fluide est un liquide et le deuxième fluide est un gaz chaud à une température supérieure à la température d'ébullition de ce liquide ; - le faisceau de tubes comporte au moins un tube à ailette(s) présentant des pas différents sur sa longueur ; - dans le faisceau de tubes, le trajet d'écoulement global du deuxième fluide s'étend dans la deuxième direction ; et - dans le faisceau de tubes, le trajet d'écoulement global du deuxième fluide présente au moins deux tronçons approximativement parallèles en sens inverses. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, d'une forme de réalisation de l'invention donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins joints dans lesquels - la figure 1 est une section transversale schématique d'un échangeur selon l'invention, - la figure 2 est une vue de dessus schématique de l'échangeur de la figure 1 selon la flèche II de cette figure, - la figure 3 est une vue de dessus schématique d'un ensemble de faisceau de tubes équipant l'échangeur des figures 1 et 2, et - la figure 4 est une section transversale schématique d'une autre forme de réalisation d'un échangeur selon l'invention. L'échangeur thermique à courants croisés représenté sur les figures comporte une enveloppe extérieure ou calandre 1 de forme générale cylindrique constituée de deux demi-cylindres accolés par leur plan diamétral et fixés l'un à l'autre par des moyens de fixation non représentés. II comporte également, à l'intérieur de l'enveloppe 1, un ensemble de faisceau de tubes parallèles réalisé par exemple sous la forme d'un chariot 2 de manière à pouvoir être aisément mis en place et déposé d'un bloc, par exemple pour subir des opérations de nettoyage ou de dépannage. Cet ensemble de faisceau de tubes comporte une canalisation d'entrée 21 et une canalisation de sortie 22 pour un premier fluide destiné à parcourir intérieurement les tubes 23. La calandre 1 comporte une conduite d'entrée 11 et une conduite de sortie 12 pour un deuxième fluide destiné à parcourir le faisceau de tubes 23 parallèles de manière sécante en passant dans l'espace entre les tubes 23 en léchant extérieurement la paroi extérieure de ceux-ci ; les deux conduites 11, 12 sont portées respectivement par les deux demi-calandres, dans des régions d'extrémités opposées de celles-ci. L'échangeur est ici un réfrigérant dont le premier fluide, destiné à recevoir une partie de l'énergie calorifique du deuxième fluide, est de l'eau initialement au voisinage de la température ambiante, le deuxième fluide étant de l'air chaud à une température supérieure à la température d'ébullition de l'eau, de l'ordre de 200 C. L'ensemble de faisceau de tubes 23 comporte de manière connue et comme mentionné précédemment des tubes parallèles.qui s'étendent dans une première direction et se succèdent perpendiculairement à cette première direction. _ Une extrémité des tubes est portée par et débouche dans une boîte 24 de connexion à un circuit d'eau portant la canalisation d'entrée 21 et la canalisation de sortie 22. L'extrémité opposée des tubes est portée par et débouche dans une boîte 25 de liaison des tubes. La boîte 24 de connexion à un circuit d'eau est divisée en deux compartiments isolés l'un de l'autre de manière étanche et dans lesquels débouchent d'une part respectivement la canalisation d'entrée 21 et la canalisation de sortie 22, et d'autre part respectivement environ la moitié des tubes les plus en amont de l'écoulement d'air et environ la moitié des tubes les plus en aval de cet écoulement. L'eau circule donc dans le faisceau en deux passes, c'est-à-dire sur un trajet comportant deux tronçons de trajet approximativement parallèles en sens inverses reliés par le tronçon de trajet effectué dans la boîte 25 de liaison. Les tubes 23 peuvent se succéder en nappes, superposées les unes au-dessus des autres de telle sorte que les tubes eux-mêmes soient exactement les uns au-dessus des autres, ou qu'ils aient, en section transversale, une disposition en quinconce, ou autre. Dans l'exemple représenté, le faisceau de tubes présente une forme générale en parallélépipède, mais cette forme n'est pas obligatoire. L'ensemble de faisceau de tubes comporte également un séparateur 27 qui est un appareil destiné à grouper les gouttelettes de très faibles dimensions pouvant être contenues dans le courant d'air, en gouttelettes de plus grandes dimensions récupérables à la base de l'appareil par gravité pour être ensuite évacuées. Le séparateur s'étend parallèlement aux tubes 23, de la boîte de connexion au circuit d'eau, à la boîte de liaison des tubes, tout le long de la face de sortie pour l'air du faisceau ;les deux faces du faisceau qui relient sa face d'entrée et sa face de sortie pour l'air sont entièrement recouvertes par deux flasques respectifs 28 reliés chacun à la paroi latérale de l'enveloppe par une cloison 28' perpendiculaire, de telle sorte que l'air entrant dans l'échangeur par la conduite d'entrée 11 ne puisse pas en sortir par la conduite de sortie 12 directement sans avoir traversé le faisceau de tubes parallèles de manière sécante à la première direction en s'écoulant globalement dans la deuxième direction et traversé ensuite le séparateur 27 ; la figure 3 montre l'ensemble de- faisceau de tubes 23 sans son flasque 28 supérieur, pour plus de clarté. Pour adapter les coefficients d'échange entre l'air et l'eau de manière à éviter les surchauffes dans certaines parties des tubes, on joue sur les surfaces d'échange thermique relatives des tubes 23 du faisceau, les tubes présentant la plus faible surface d'échange thermique côté gaz étant placés en amont dans l'écoulement d'air. En effet, pour un tube lisse à l'intérieur et par exemple comportant une ou plusieurs ailettes extérieures, le coefficient d'échange global côté gaz Uh vérifie la relation avec hC coefficient d'échange côté eau, Ac : surface d'échange côté eau, Ah : surface d'échange côté gaz, R,,, : conductibilité thermique du tube, r1o,h : coefficient d'efficacité de la surface globale côté gaz, hh coefficient d'échange côté gaz. Ainsi, aTLW étant la variation de température, plus Uh est grand, plus la chaleur échangée = Uh. Ah. aTLW, est grande, c'est-à-dire plus l'eau s'échauffe sur le tronçon de tube considéré, et si Ah augmente, Uh augmente en vertu de l'équation (1). De manière générale, on peut donc faire en sorte que le long du trajet d'écoulement global du deuxième fluide dans le faisceau de tubes, ici le long de la deuxième direction, une tranche de faisceau de tubes 23, s'étendant sur toute la section d'écoulement de ce deuxième fluide et située en amont dans le trajet, ici dans la deuxième direction, présente un coefficient d'échange thermique .global entre les deux fluides qui est inférieur au coefficient d'échange thermique global d'au . moins une deuxième tranche du faisceau de tubes, s'étendant sur toute la section d'écoulement, qui peut avoir ou non la même épaisseur que la première tranche, et qui est située plus en aval dans le trajet, ici dans la deuxième direction. On peut naturellement concevoir un tel faisceau de tubes 23 dans lequel on définit plus de deux tranches de tubes s'étendant sur toute la section d'écoulement du deuxième fluide et de même épaisseur ou non, se succédant sans décroissance de leur coefficient d'échange thermique global respectif d'amont en aval. Plus particulièrement, dans le faisceau, au moins certains tubes sont munis d'au moins un moyen d'échange thermique plat s'étendant extérieurement en saillie par rapport au pourtour du tube. Par exemple, ces moyens d'échange plats sont des ailettes 29 se succédant sur la longueur du tube, parallèlement ou non ; ces ailettes 29 peuvent par exemple s'étendre dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du tube comme sur la figure 3 ; en variante, chaque tube peut être muni d'une ou plusieurs ailettes s'étendant hélicoïdalement autour de lui; une autre possibilité est que plusieurs tubes soient enfilés dans des ailettes communes chacune à plusieurs tubes. La surface extérieure, donc le coefficient, d'échange, augmente lorsque le pas des ailettes 29 ou de l'ailette hélicoïdale diminue ; en d'autres termes, pour augmenter la surface et le coefficient d'échange, il suffit d'augmenter le nombre d'ailettes par unité de longueur de tube donc réduire le pas des ailettes, ou de réduire le pas de l'hélice ou des hélices, toutes choses restant égales par ailleurs ; en revanche, les tubes de mêmes dimensions sans moyen d'échange thermique plat en saillie, c'est-à-dire les tubes lisses, présentent un plus faible coefficient d'échange thermique. Ainsi, ici, dans la première tranche du faisceau de tubes 23, la surface d'échange thermique globale des tubes avec le gaz est inférieure à la surface d'échange thermique globale des tubes avec le gaz dans une deuxième tranche de même épaisseur que la première. Par exemple, de l'amont à l'aval de l'écoulement de l'air, les tubes 23 se succèdent dans au moins une. deuxième direction perpendiculaire à la direction dans laquelle s'étendent les tubes, sans décroissance de la surface d'échange thermique avec le gaz d'un tube au suivant, un nombre prédéterminé des tubes les plus en amont présentant globalement une plus faible surface d'échange thermique avec le gaz que le même nombre des tubes les plus en aval. Par exemple, le tube ou les tubes les plus en amont présentent un pas d'ailette(s) plus grand que le tube ou les tubes les plus en aval dans l'écoulement d'air. Dans la forme de réalisation représentée, un groupe de tubes constitué par les trois rangées de tubes les plus en amont est constitué de tubes lisses ; puis, en allant vers l'aval, différents groupes se succèdent, constitués chacun de plusieurs rangées de tubes munis chacun d'ailettes perpendiculaires à l'axe longitudinal du tube, avec dans chaque groupe un pas d'ailettes qui diminue d'un groupe au groupe suivant. Naturellement, il est également possible de créer des faisceaux de tubes 23 dans lesquels, dans chaque nappe de tubes, un tube donné présente un coefficient d'échange thermique plus grand que le précédent et plus faible que le suivant. Dans ce cas, par exemple, le long de la deuxième direction, de multiples tranches du faisceau de tubes 23 s'étendant sur toute la section d'écoulement et de même épaisseur se succèdent d'amont en aval, et les tubes de ces tranches sont ailetés avec un pas d'ailetage décroissant d'amont en aval. A l'inverse, dans un cas extrême, le faisceau comporte seulement deux groupes de tubes, par exemple un groupe de tubes lisses et un groupe de tubes à ailette(s) 29 tous au même pas, ou encore un groupe de tubes à ailette(s) à pas élevé et un groupe de tubes à ailette(s) à pas plus faible, en allant de l'amont vers l'aval de l'écoulement d'air. Ainsi, lors du fonctionnement de l'échangeur, l'air traversant celui-ci communique à l'eau de refroidissement progressivement sa chaleur sans engendrer d'élévation excessive de la température de l'eau ; en outre, dans le cas de la forme de réalisation représentée sur les dessins, les tubes les plus exposés à une surchauffe et à aux éventuelles particules en suspension dans l'air à refroidir, sont des tubes lisses, donc plus faciles à changer. On notera qu'ici, tandis que l'eau parcourt le faisceau de tubes 23 de la canalisation d'entrée 21 à la canalisation de sortie 22 en -suivant deux tronçons de trajet parallèles longitudinaux en sens inverses reliés par un tronçon coudé, c'est-à-dire en deux passes, l'air parcourt le faisceau transversalement en une seule passe. Cependant, bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus, et on peut en prévoir d'autres sans sortir de son cadre. Ainsi par exemple, on peut prévoir des formes de réalisation ou l'on fait varier les coefficients d'échange thermique le long de la deuxième direction en positionnant convenablement des tubes de dimensions différentes ou en matériaux différents. II est également possible qu'au moins certains tubes présentent un coefficient d'échange thermique variable sur leur longueur, par exemple soient munis d'ailette(s) à des pas différents sur leur longueur, pour tenir compte d'une mauvaise distribution gazeuse dans l'échangeur. En outre, on pourra également prévoir des formes de réalisation dans lesquelles le gaz circule en deux passes (figure 4), c'est-à-dire le long d'un trajet présentant deux tronçons de trajet approximativement parallèles en sens inverses, ou plus. Par exemple, dans le cas de deux passes, avec une structure générale d'échangeur similaire à celle représentée sur les figures et visible plus particulièrement sur la figure 1, les deux faces du faisceau de tubes 23 recouvertes par des flasques 28 ne sont pas les faces horizontales de celui- ci, mais ses faces verticales, et là encore les flasques 28 sont reliés chacun à la paroi latérale de l'enveloppe par une cloison perpendiculaire 28', isolant cette fois la partie inférieure de l'échangeur extérieure au faisceau de tubes, de sa partie supérieure où débouchent les conduites 11, 12 d'entrée et de sortie de gaz ; en outre, la partie supérieure de l'échangeur ainsi que le faisceau sont cloisonnés par une cloison 28" s'étendant longitudinalement et verticalement entre la conduite d'entrée 11 et la conduite de sortie 12, approximativement médiane par rapport au faisceau, qui ne se prolonge pas ou se prolonge peu vers le bas au-delà du faisceau ; ainsi, le trajet du gaz à travers le faisceau de tubes et le séparateur 27 comprend un tronçon de trajet canalisé depuis la conduite d'entrée 11 vers le bas de l'échangeur, et un tronçon de trajet canalisé vers le haut de l'échangeur et la conduite de sortie 12, reliés par un tronçon de trajet inférieur de liaison s'étendant sous le faisceau ; la partie inférieure du faisceau peut être équipée d'une boîte de liaison similaire à la boîte de liaison 25 pour l'eau, dans laquelle débouche le tronçon de trajet descendant et d'où part le tronçon de trajet ascendant et délimitant le tronçon de trajet de liaison. L'éventuel séparateur 27 s'étend horizontalement, par exemple en sortie du tronçon de trajet ascendant. Naturellement, dans les formes de réalisation dans lesquelles le gaz circule en plusieurs passes comme dans la forme de réalisation à une seule passe, il existe le long du trajet du gaz dans le faisceau, une tranche du faisceau de tubes qui présente un coefficient d'échange thermique global inférieur à celui d'au moins une tranche qui est plus en aval, et la plupart des caractéristiques des formes de réalisation à une seule passe peuvent également s'appliquer à ces formes de réalisation à plusieurs passes. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique à courants croisés comportant un faisceau de tubes (23) parallèles qui s'étendent dans une première direction et se succèdent dans au moins une deuxième direction perpendiculaire à la première direction, les tubes étant parcourus intérieurement par un premier fluide en circulation et la paroi extérieure des tubes parallèles-étant léchée de manière sécante à la première direction par un deuxième fluide en circulation qui s'écoule globalement sur un trajet s'étendant au moins pour partie dans la deuxième direction, caractérisé en ce que, le long du trajet d'écoulement global, une première tranche du faisceau de tubes (23), s'étendant sur toute la section d'écoulement du deuxième fluide et située en amont dans le trajet, présente un coefficient d'échange thermique global entre les deux fluides qui est inférieur au coefficient d'échange thermique global d'au moins une deuxième tranche du faisceau de tubes, s'étendant sur toute la section d'écoulement, et qui est située plus en aval dans le trajet. 2. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans la première tranche du faisceau de tubes (23), la surface d'échange thermique globale des tubes avec le deuxième fluide est inférieure à la surface d'échange thermique globale des tubes avec le deuxième fluide dans une deuxième tranche qui a la même épaisseur que la première tranche. 3. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins dans la première tranche du faisceau de tubes (23), le faisceau comporte au moins un tube lisse. 4. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins dans la deuxième tranche du faisceau de tubes (23), le faisceau comporte au moins un tube muni extérieurement d'au moins un moyen d'échange thermique en saillie extérieure, notamment au moins une ailette. 5. Echangeur thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen d'échange thermique comprend plusieurs ailettes (29) se succédant sur la longueur du tube. 6. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le moyen d'échange thermique comprend au moins une ailette hélicoïdale. 7. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le faisceau comporte plusieurs tubes (23) munis d'au moins une ailette commune dans laquelle ils sont enfilés. 8. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, le long du trajet d'écoulement global du deuxième fluide, les tranches du faisceau de tubes (23) s'étendant sur toute la section d'écoulement du deuxième fluide se succèdent sans décroissance de leur coefficient d'échange thermique global respectif d'amont en aval. 9. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, le long du trajet d'écoulement global du deuxième fluide, des tranches du faisceau de tubes (23) s'étendant sur toute la section d'écoulement du deuxième fluide et de même épaisseur se succèdent d'amont en aval, et les tubes de ces tranches sont ailetés avec un pas d'ailetage décroissant d'amont en aval. 10. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le premier fluide est un liquide et le deuxième fluide est un gaz chaud à une température supérieure à la température d'ébullition de ce liquide. 11. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le faisceau de tubes (23) comporte au moins un tube à ailette(s) présentant des pas différents sur sa longueur. 12. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que, dans le faisceau de tubes (23), le trajet d'écoulement global du deuxième fluide s'étend dans la deuxième direction. 13. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que, dans le faisceau de tubes (23), le trajet d'écoulement global du deuxième fluide présente au moins deux tronçons approximativement parallèles en sens inverses.