Brevet FR2809805A1 — publié le 20011207

La présente invention concerne un procédé d'échange de chaleur dans un échangeur de chaleur à plaques brasées entre un premier fluide, ou fluide frigorigène, diphasique et au moins un deuxième fluide, ou fluide calorigène, l'échangeur étant du type comprenant, d'une part, des plaques parallèles définissant des passages de forme générale plate dédiés cha cun à la circulation d'un des fluides, les passages compre nant des premiers passages dédiés au premier fluide et des deuxièmes passages dédiés au deuxième fluide, chaque passage comprenant une région intermédiaire d'échange de chaleur, l'échangeur comprenant d'autre part, pour chaque fluide, des moyens distributeurs d'entrée disposés en amont des régions intermédiaires d'échange de chaleur des passages dédiés au dit fluide, et des moyens collecteurs de sortie disposés en aval de régions, procédé dans lequel ledit premier fluide, initialement liquide, est détendu au moins en partie dans l'échangeur de chaleur en amont des régions intermé diaires d'échange de chaleur desdits premiers passages, puis est mis en relation d'échange thermique avec ledit deuxième fluide. L'invention s'applique en particulier à la mise en oeuvre d'un cycle Joule-Thomson pour fournir source fri gorigène. Un tel cycle est utilisé dans de nombreux procédés tels que, par exemple, les procédés de liquéfaction au moins partielle de gaz de l'air, d'hydrocarbures ou de gaz natu rel, dits gaz process . Un cycle Joule-Thomson est un cycle qui utilise la détente Joule-Thomson d'un fluide. Une telle détente induit, sous la température d'inversion du fluide considéré, une baisse de température. Dans certains cycles Joule-Thomson, on liquéfie un fluide gazeux sous pression dans un échangeur de chaleur, puis on le détend en le vaporisant partiellement avant de l'introduire à nouveau dans l'échangeur de chaleur, pour former dans l'échangeur de chaleur un fluide diphasique fri gorigène qui se vaporise à contre-courant du gaz process à liquéfier et dudit fluide gazeux sous pression. Le gaz process et le fluide gazeux sous pression forment alors des deuxièmes fluides et le fluide dipha- sique forme le premier fluide , selon la terminologie utilisée ci-dessus. Dans le cas où on utilise un échangeur à plaques brasées, pour pouvoir assurer sur toute la largeur des pas sages homogénéité du fluide diphasique distribué, on ajoute pot séparateur de phases pour séparer la phase li quide et la phase vapeur du fluide détendu. On introduit suite separément chaque phase du fluide diphasique dans l'échangeur, où elles se combinent en assurant l'homogénéite de la distribution (voir par exemple FR-A-2 154 352). W0-94/14021 décrit un échangeur de chaleur permet tant de 'affranchir d'un pot séparateur pour faire circuler un fluide frigorigène diphasique dans les premiers passages d'un échangeur du type précité. Pour cela, l'échangeur com prend un tube, percé en regard de chaque premier passage dé dié au fluide frigorigène, et s'étendant orthogonalement à ceux-ci. Dans le procédé d'échange de chaleur mis en oeuvre par cet échangeur, le fluide frigorigène est détendu au tra vers des orifices du tube, puis introduit dans les premiers passages. Cet échangeur permet d'obtenir une répartition ho mogène du fluide frigorigène entre les différents premiers passages mais pas une répartition homogène sur la largeur des premiers passages. L'invention a pour but de fournir un procédé d'échange de chaleur tel que défini ci-dessus qui permette de s'affranchir des pots séparateurs de phases, tout en as surant une distribution sensiblement homogène du fluide di- phasique sur toute la largeur des passages qui lui sont dé diés. A cet effet, l'invention a pour obj un procédé d'échange de chaleur dans un échangeur de chaleur à plaques brasées entre un premier fluide, ou fluide frigorigène, di- phasique et au moins un deuxième fluide, ou fluide calori- gène, l'échangeur étant du type précité, caractérisé en ce que l' détend dudit au moins partiellement le premier fluide dans les premiers passages sensiblement sur toute leur largeur. Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristi ques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combi naisons techniquement possibles - on détend le premier fluide sensiblement unifor mément sur toute la largeur des premiers passages ; - les moyens distributeurs d'entrée du premier fluide comprennent des régions distributrices appartenant aux premiers passages, et, dans certains premiers passages au moins, on détend le premier fluide dans échangeur de chaleur en aval de ces régions distributrices ; - les moyens distributeurs d'entrée du premier fluide comprennent des régions distributrices appartenant aux premiers passages, et, dans certains premiers passages au moins, on détend le premier fluide dans l'échangeur de chaleur amont de ces régions distributrices ; et - on introduit le premier fluide dans un état di- phasique liquide/vapeur dans l'échangeur de chaleur. invention a également pour objet un échangeur de chaleur à plaques brasées pour échanger de la chaleur entre un premier fluide frigorigène et au moins un deuxième fluide, l'échangeur étant du type précité, caractérisé en ce que des moyens internes de détente sont disposés dans les premiers passages et s'étendent sur sensiblement toute leur largeur. Selon des modes particuliers de réalisation, l'échangeur peut comprendre l'une ou plusieurs des caracté ristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles - des moyens internes (30) détente sont adaptés pour détendre le premier fluide sensiblement uniformément sur sensiblement toute la largeur des premiers passages ; - les moyens distributeurs d'entrée du premier fluide comprennent des régions distributrices appartenant aux premiers passages, et des moyens internes de détente sont disposés en aval des régions distributrices d'au moins certains des premiers passages ; - les moyens distributeurs d'entrée du premier fluide comprennent des régions distributrices appartenant aux premiers passages, et des moyens internes de détente sont disposés en amont des régions distributrices d'au moins certains des premiers passages ; - des moyens de détente comprennent des pièces qui sont munies d'orifices calibrés et sont disposées entre les paires de plaques d'au moins certains des premiers pas- sages transversalement à la direction d'écoulement du pre mier fluide ; et - des moyens de détente comprennent des ondes per forées ou serrated qui sont disposées entre les paires de plaques d'au moins certains des premiers passages, la di rection longitudinale des ondes étant transversale à la di rection d'écoulement du premier fluide. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique illustrant la mise en oeuvre d'un procédé d'échange de chaleur selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en perspec tive, avec arrachement partiel, de l'échangeur de chaleur utilisé dans le procédé de la figure 1, - la figure 3 est une vue schématique en perspec tive des moyens internes de détente de l'échangeur de cha leur de la figure 2, - les figures 4 à 6 sont des vues analogues ' la figure 3, illustrant des variantes des moyens internes de détente de l'échangeur de la figure 2, et - la figure 7 est une vue schématique, partielle et de dessus d'un passage d'un échangeur de chaleur selon un autre mode de réalisation de l'invention. Dans ce qui suit, on désignera par la même refé rence chaque fluide et les passages de l'échangeur de cha leur qui lui sont dédiés. La figure 1 illustre un procédé d'échange de cha leur utilisant, comme source frigorigène, un premier fluide circulant dans des passages 2 d'un échangeur de chaleur 3 à plaques brasées. Ce premier fluide 2 est dans un état dipha sique équilibre liquide/vapeur comme décrit ci-après. Ce premier fluide diphasique est obtenu par re froidissement, liquéfaction et sous-refroidissement d'un deuxième fluide initialement gazeux et sous pression du bout chaud bout froid de l'échangeur de chaleur 3 ; éventuel lement prédétente Joule-Thomson du liquide sous-refroidi dans une vanne de détente 4A extérieure à l'échangeur ; et détente finale à l'intérieur de l'échangeur dans des moyens déprimogènes 4B qui seront décrits plus loin. Ce deuxième fluide circule dans des passages 5 de l'échangeur de chaleur, du bout chaud au bout froid à con tre-courant du premier fluide 2. Un autre fluide à refroidir, constitué par un fluide process , circule dans des passages 6 de l'échangeur de chaleur 3, du bout chaud au bout froid à con tre-courant du premier fluide 2. La vaporisation de la phase liquide du premier fluide dans les passages 2 assure le refroidissement la li quéfaction et le sous-refroidissement du deuxième fluide dans passages 5, ainsi que le refroidissement éven tuellement la liquéfaction partielle ou totale du fluide. Le deuxième fluide 5 est, par exemple, du butane, et le fluide 6 est, par exemple, un gaz naturel que du méthane. L'échangeur de chaleur 3 comprend essentiellement (figure 2) un empilage alterné de plaques parallèles 8, rec tangulaires et toutes identiques, et d'ondes -entretoises. Ces plaques 8 définissent deux à deux une multitude de pas sages plats 2, 5 et 6, seul un passage 2 étant visible sur la figure 2 grâce à l'arrachement. L'espacement mutuel des plaques 8 est assuré par les ondes-entretoises qui remplissent également la fonction d'ailettes thermiques. Ces ondes peuvent être constituées par tôles ondulées perforées ou à crevés sur leurs flancs (ondes dites serrated , et avoir une section d'onde carrée, rectangulaire, sinusoïdale, etc.). Les passages 2, 5 et 6 sont fermés sur leurs pour tours par des barres longitudinales 10 et transversales 11, toutes même épaisseur égale à la hauteur des ondes, à l'exception de zones limitées débouchant vers l'extérieur, dont trois, repérées par la référence 13, sont visibles sur la figure 2. Ces zones forment des séries de fenêtres d'entrée ou de sortie de fluide, alignées verticalement. Chaque série de fenêtres d'entrée est coiffée hermétiquement par une boîte 14 entrée, et chaque série de fenêtres de sortie est coiffée hermétiquement par une boîte 15 de sortie. De telles boîtes 14 et 15 sont typiquement semi-cylindriques, soudées sur le corps d'échangeur et munies d'une conduite d'introduction 16 ou de soutirage 17 de fluide. Les fenêtres associées à une boîte 14 ou 15 n'intéressent bien sûr qu'un certain nombre de passages réservés au fluide correspondant. Les boîtes 14 et 15 de l'échangeur de chaleur 3 sont fixées sur les tranches des petits côtés des plaques 8, de sorte que chacun des trois fluides est destiné à s'écouler dans les passages correspondants globalement selon la direction longitudinale de l'échangeur 3. La boîte 15 de sortie des passages 5 est reliée à la boîte 14 d'entrée des passages 2 par une canalisation 18 de renvoi du deuxième fluide vers l'échangeur de chaleur 3. La canalisation 18 est munie de la vanne de détente Comme illustré par la figure 2 pour un passage 2, chaque passage 2, 5 et 6 comprend successivement dans 1e sens d'écoulement du fluide correspondant, une région rec tangulaire distributrice 20 de faible étendue longitudinale, une région rectangulaire intermédiaire d'échange de chaleur 21 s'étendant sur l'essentiel de la longueur des plaques 8, et région rectangulaire collectrice 22 de faible étendue longitudinale. Les régions 20 à 22 s'étendent chacune sur toute la largeur du passage correspondant. Comme il est connu, les régions 20 et 22 pas sages 2, 5 et 6 comprennent des ondes obliques. Ainsi, les régions 20 des passages 2 comprennent une zone centrale triangulaire d'entrée 24 dans laquelle les ondes sont orien tées longitudinalement et deux zones latérales 25 tra pèze qui bordent latéralement la zone centrale 24 et dans lesquelles les ondes sont orientées obliquement. La région 22 comprend de manière analogue une zone triangulaire cen trale 26 et deux zones latérales 27 en trapèze. Dans les régions intermédiaires d'échange de cha leur 21, les ondes sont orientées longitudinalement. Selon l'invention, chaque passage 2 comprend en outre les moyens internes précités 4B de détente, ou dépri- mogènes. Dans cet exemple, ces moyens 4B sont disposés entre la région distributrice 20 et la région intermédiaire d'échange de chaleur 21 et s'étendent sur toute la largeur du passage 2 considéré. Comme illustré par les figures 2 et 3, moyens 30 sont constitués par une pièce parallélépipédique allongée 31. Une rangée d'orifices calibrés traversants et parallèles 32 est ménagée depuis une grande face latérale de la pièce 31. Cette pièce 31, d'épaisseur égale à la hauteur des ondes du passage 2 considéré, sépare la région distributrice 20 de la région intermédiaire d'échange de chaleur 21. Sur la figure 3, la direction locale d'écoulement du fluide dans l'échangeur 3 au voisinage de la pièce 31 est schématisée par des flèches. La pièce 31 est orientée transversalement à cette direction d'écoulement, c'est-à-dire transversalement à l'échangeur de chaleur 3. Ainsi, les orifices 32 sont orien tés selon la direction d'écoulement du premier fluide 2 au voisinage de la pièce 31. Dans le procédé selon l'invention, le deuxième fluide collecté par la canalisation 18 pour former, après détente, le premier fluide. Le premier fluide est pré- détendu à la traversée de la vanne de détente 4A, à l'échappement de laquelle le premier fluide est à l'état li quide. Ensuite, le premier fluide est distribué à l'entrée de la région distributrice 20 de chaque passage 2 par la boîte 14 correspondante. Dans chaque passage 2, la région distributrice 20 distribue sur toute la largeur des plaques 8 le premier fluide 2 liquide, qui traverse ensuite la pièce 31 se dé tendant à nouveau pour atteindre la pression liquide/vapeur du fluide à la température du bout froid de l'échangeur. Cette détente est sensiblement uniforme sur toute largeur du passage 2. Au cours de cette détente Joule-Thomson, le premier fluide se vaporise partiellement au sein de l'échangeur 3. On constate alors que le premier fluide, qui est dans un état diphasique d'équilibre liquide/vapeur, est sensiblement uniformément distribué à l'entrée de la région d'échange de chaleur 21, sur toute la largeur des plaques 8, en permettant ainsi un échange de chaleur satisfaisant dans l'échangeur 3. L'échangeur de chaleur 3 permet donc de s'affranchir d'un pot séparateur de phases pour faire circu ler fluide diphasique dans les régions intermédiaires des passages 2, tout en obtenant une distribution sensible ment homogène sur toute la largeur des passages 2. La pièce 31 est adaptée pour fournir, avec vanne de détente 4A, la perte de charge souhaitée pour l'échange de chaleur envisagé. La perte de charge à la tra versée de la pièce 31 peut être modifiée en jouant sur le nombre, la longueur, le diamètre et/ou la forme des orifices 32. Selon une variante du procédé, le premier fluide est vaporisé partiellement à la traversée de la vanne de tente 4A. Le premier fluide 2 est alors introduit dans état diphasique liquide/vapeur dans l'échangeur de chaleur 3. moyens 4B de détente assurent, comme précédemment, une distribution satisfaisante par détente du premier fluide dans les passages 2, tout en obtenant une distribution sen siblement homogène sur toute la largeur des passages 2. Selon une variante illustrée par la figure 4, orifices 32 peuvent être remplacés par deux séries de rainu res espacées 36 et 37. Les rainures 36 et 37 sont ménagées dans des faces opposées 38 et 39 de la pièce 31 qui sont destinées à être en contact chacune avec l'une des plaques du passage 2 correspondant. Les rainures 36 et 37, de sec tion rectangulaire, sont décalées les unes par rapport aux autres. Selon une variante illustrée par la figure 5, les moyens 4B de détente sont constitués par une tôle 42 ondulée et perforée. La section des ondulations est sensiblement rectangulaire. Les perforations sont des orifices calibrés traversants 43 qui sont ménagés régulièrement dans les flancs de chaque ondulation. Cette tôle 42 est destinée à être disposée entre les régions distributrices 20 et d'échange de chaleur 21, les ondes de la tôle 42 étant orientées transversalement à l'échangeur 3, c' -à-dire dans configuration dite hard-way par rapport à l'écoulement local de fluide, indiqué par des flèches. Selon une autre variante illustrée par figure 6, les moyens 4B de détente comprennent une tôle ondulée 42 à crevés 46 formés par décalage régulier de régions de ses flancs d'onde 44. De telles ondes sont dites serrated . La tôle 42 est destinée à être orientée de manière analogue à la tôle 42 de la figure 5. La figure 7 illustre un deuxième mode de réalisa tion de l'échangeur de chaleur 3, selon lequel moyens internes 4B de détente sont en outre disposés dans les ou vertures d'entrée 13 de chaque passage 2. Ces moyens addi- tionnels 4B de détente, qui sont, par exemple, réalisés comme décrits comme précédemment, sont alors disposés en amont de la région distributrice 20 et en aval de la boîte d'entrée 14. REVENDICATIONS 1. Procédé d'échange de chaleur dans un échangeur de chaleur (3) à plaques brasées (8) entre un premier fluide, ou fluide frigorigène, diphasique et au moins un deuxieme fluide, ou fluide calorigène, l'échangeur étant du type prenant, d'une part, des plaques parallèles (8) définissant des passages (2, 5, 6) de forme générale plate dédiés chacun à la circulation d'un des fluides, les passages comprenant des premiers passages (2) dédiés au premier fluide et des deuxièmes passages (5, 6) dédiés au deuxième fluide, chaque passage comprenant une région intermédiaire (21) d'échange de chaleur, l'échangeur comprenant d'autre part, pour chaque fluide, des moyens (14, 20) distributeurs d'entrée disposés en amont des régions intermédiaires d'échange de chaleur passages dédiés audit fluide, et des moyens (15, 22) collec teurs de sortie disposés en aval de ces régions, procédé dans lequel ledit premier fluide, initialement liquide, est détendu au moins en partie dans l'échangeur de chaleur en amont régions intermédiaires d'échange de chaleur desdits premiers passages, puis est mis en relation d'échange thermique avec ledit deuxième fluide, caractérisé en ce l'on détend au moins partiellement le premier fluide dans les premiers passages (2) sensiblement sur toute leur largeur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l' détend le premier fluide sensiblement uniformément sur toute la largeur des premiers passages (2). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que moyens distributeurs d'entrée du premier fluide com prennent des régions distributrices (20) appartenant aux premiers passages (2), et en ce que, dans certains premiers passages au moins, on détend (en 30) le premier fluide dans l'échangeur de chaleur en aval de ces régions distributrices (figure 2). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens distributeurs d'entrée du premier fluide comprennent des régions distributrices (20) appartenant aux premiers passages, et ce que, dans certains premiers passages (2) au moins, on détend (en 30) le premier fluide dans l'échangeur de chaleur en amont de ces régions distributrices (figure 7). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on introduit le premier fluide dans un état diphasique liquide/vapeur dans 'échangeur de chaleur. 6. Echangeur de chaleur (3) à plaques brasées pour échanger de la chaleur entre un premier fluide frigorigène et au moins un deuxième fluide, l'échangeur étant du type comprenant, d'une part, des plaques parallèles (8) définis sant des passages (2, 5, 6) de fluide de forme générale plate dédiés chacun à la circulation d'un fluides, les passages comprenant des premiers passages (2) dédiés au pre mier fluide et des deuxièmes passages 6) dédiés au deuxième fluide, chaque passage (2, 5, 6) comprenant une ré gion intermédiaire (21) d'échange de chaleur, l'échangeur comprenant d'autre part, pour chaque fluide, des moyens (14, 20) distributeurs d'entrée disposés en amont des régions in termédiaires (21) d'échange de chaleur des passages dédiés audit fluide, et des moyens (15, 22) collecteurs de sortie disposés en aval de ces régions, l'échangeur comprenant en outre des moyens internes (30) de détente du premier fluide, disposés amont des régions intermédiaires (21) d'échange de chaleur des premiers passages (2), caractérisé en ce que des moyens internes (30) de détente sont disposés dans les premiers passages (2) et s'étendent sur sensiblement toute leur largeur. 7. Echangeur selon la revendication caractérisé en ce que moyens internes (30) de détente sont adaptés pour détendre le premier fluide sensiblement uniformément sur sensiblement toute la largeur des premiers passages (2). . Echangeur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en que les moyens distributeurs d'entrée du premier fluide comprennent des régions distributrices (20) apparte nant aux premiers passages (2), et en ce que des moyens in ternes (30) de détente sont disposés en aval des régions distributrices d'au moins certains des premiers passages (figure 2). 9. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens distributeurs d'entrée du premier fluide comprennent des régions distribu trices (20) appartenant aux premiers passages , et en ce que des moyens (30) de détente sont disposés amont des régions distributrices d'au moins certains des premiers pas sages (figure 7). 10. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que des moyens internes (30) de dé tente comprennent des pièces (31) qui sont munies d'orifices calibrés (32) et qui sont disposées entre les paires de pla ques (8) d'au moins certains des premiers passages transver salement à la direction d'écoulement du premier fluide. 11. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que des moyens (30 de détente comprennent des ondes perforées ou serrated (42) qui sont disposées entre les paires de plaques (8) d'au moins certains des premiers passages, la direction longitudinale des ondes étant transversale à la direction d'écoulement du premier fluide.