Brevet FR2812381A1 — publié le 20020201

BATTERIE DE TUBES D'ECHANGE THERMIQUE AVEC SYSTEME DE VIDANGE AUTOMATIQUE DU FLUIDE CIRCULANT DANS LADITE BATTERIE La présente invention concerne de manière générale le secteur des échangeurs de chaleur entre un fluide primaire et un fluide secondaire, et elle se réfère en particulier à la structure d'une batterie de tubes pour de tels échangeurs de chaleur, ayant soit une disposition horizontale, soit une disposition verticale. Les échangeurs de chaleur utilisent pour certains usages une batterie de tubes, souvent munis d'ailettes, dans laquelle la circulation de deux fluides, à équicourant ou à contre-courant, produit l'élévation de la température de l'un des fluides avec abaissement consécutif de la température de l'autre fluide. Dans des applications spécifiques, il est demandé d'abaisser la température d'un fluide en phase liquide, par exemple de l'eau, en contrepartie d'une élévation de la température d'un fluide en phase gazeuse, par exemple de l'air, le fluide en phase liquide étant alors considéré comme le fluide primaire et le fluide en phase gazeuse comme le fluide secondaire. Dans certaines applications particulières, d'autre part, et pour une économie de coût d'exploitation, la batterie de tubes est placée dans le milieu ambiant extérieur pour un échange de chaleur entre le fluide primaire circulant dans la batterie et l'air atmosphé- rique dirigé sur la batterie au moyen de ventilateurs. Or une étude préalable de la situation actuelle du marché a montré qu'il n'existe pas, et donc qu'on ne dispose pas de batterie de tubes à circulation de fluide offrant en même temps que des caractéristiques de rendement élevé de l'échange thermique la possibilité de vidanger complètement le fluide primaire qui y circule. Cet aspect est parfois déterminant lorsque le fluide qui circule dans la batterie peut geler et que celle-ci est placée à l'air atmosphérique. En effet, dans ce cas, le fluide primaire peut changer d'état par suite d'un abaissement de la température atmosphérique, passant de la phase liquide à la phase solide avec une augmentation de volume. Dans le cas de l'eau, qui est le fluide le plus communément utilisé dans ces applications, une telle augmentation de volume, qui est de l'ordre de 14%, peut provoquer la rupture irrémédiable de la batterie, avec pour conséquence le coût d'arrêt de l'installation et le remplacement de cette dernière. A l'heure actuelle, dans les applications qui utilisent de l'eau comme fluide primaire dans les conditions précitées, on évite la survenue de ce type de problème de gel en ajoutant à l'eau un pourcentage de substance antigel qui une fois complètement dissoute en abaisse le point de congélation. La présente invention a pour but de pallier le problème exposé ci-dessus et elle est le résultat d'une étude visant à obtenir une batterie de tubes d'échange thermique capable de fonctionner avec des fluides susceptibles de geler, en l'espèce de l'eau, sans devoir recourir nécessairement à l'ajout de substances antigel, qui ont comme contre- indications un coût élevé, la nécessité de doter les équipements de systèmes dédiés et le fait qu'elles sont parfois nocives si elles se répandent dans le milieu ambiant. L'objet de l'invention est réalisé par une batterie de tubes d'échange thermique structurée d'une manière originale et prévue pour permettre la vidange complète du fluide primaire qui y circule en cas d'arrêt ou de non- utilisation de l'échangeur par suite de la mise hors service volontaire des pompes de circulation du fluide et/ou de conditions d'urgence dues à une panne de l'alimentation en énergie électrique de l'équipement échangeur, et pour recharger automatiquement le fluide primaire dans la batterie au redémarrage de l'équipement. De cette façon, la vidange complète de la batterie exclut tout problème de gel du fluide primaire et les dommages qui peuvent en résulter. L'invention va être expliquée plus en détail dans la suite de la description en se référant aux dessins joints, indicatifs et non limitatifs, sur lesquels: les figures la et lb représentent une batterie de type classique ayant une disposition horizontale et verticale, respectivement; les figures 2a et 2b représentent une batterie selon la présente invention ayant une disposition horizontale et verticale, respectivement; La figure 3 représente un exemple spécifique de batterie d'échange thermique pouvant être vidangée complètement; les figures 4a et 4b représentent la batterie à disposition horizontale et verticale des figures 2a et 2b intégrée dans un équipement de chargement et déchargement du fluide primaire. les figures la et lb illustrent à titre de référence une batterie d'échange thermique à ailettes de type classique, c'est-à-dire représentative de la technique antérieure. Elle se compose de tubes T, la plupart du temps en cuivre, à l'intérieur desquels circule le fluide primaire et entre lesquels est envoyé de l'air à l'aide de ventilateurs V. Les tubes T sont disposés en files ou rangées et reliés entre eux de manière à former un nombre déterminé de circuits pour chacun desquels on distingue un passage d'entrée I et un passage de sortie U afin d'avoir n alimentations et n sorties. Les n alimentations aboutissent à un collecteur d'entrée 1 tandis que les n sorties aboutissent au collecteur de sortie 2. Chaque circuit se trouve ainsi constitué de plusieurs tubes reliés entre eux au moyen de coudes C. Cette version de batterie à ailettes peut se monter horizontalement (figure la) ou verticalement (figure lb) mais, dans l'un et l'autre cas, elle ne permet pas au fluide primaire de s'écouler complètement dans la mesure o il peut rester au moins dans les coudes C. Les figures 2a et 2b représentent une batterie d'échange thermique à ailettes comprenant, conformément à l'invention, un circuit hydraulique particulier qui permet de la vidanger complètement. Dans cette version également, la batterie peut se monter horizontalement ou verticalement et les tubes T, à l'intérieur desquels circule le fluide primaire, sont disposés en files et reliés entre eux de manière à former un nombre déterminé de circuits avec un passage d'entrée I et un passage de sortie U pour chaque circuit. Ceci afin d'avoir n alimentations sur un collecteur d'entrée 1 et n sorties sur un collecteur de sortie 4. La différence essentielle par rapport aux batteries à ailettes de type classique réside dans le fait que la liaison entre les différentes files ou rangées de tubes ne se fait plus au moyen de coudes mais au moyen de collecteurs tubulaires additionnels qui relient deux à deux les tubes T. Considérant une batterie à ailettes ayant quatre files ou rangées de tubes, on peut distinguer comme le montre la figure 3: - un collecteur d'entrée 1; - des collecteurs intermédiaires ou additionnels 2, 3, 5; - un collecteur de sortie 4. En étendant le concept à un nombre de rangées différent (plus grand ou moins grand), il y aura toujours un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie, tandis que le nombre de collecteurs intermédiaires variera. Dans le cas de la batterie de tubes représentée sur le schéma général des figures 4a et 4b, le nombre de rangées est de six, c'est-à-dire qu'il est prévu: - un collecteur d'entrée 1; - des collecteurs intermédiaires 2, 3, 5, 6, 7, - un collecteur de sortie 4. Cette particularité, qui s'accompagne opportunément de systèmes automatiques, fait que le fluide primaire peut s'écouler complètement grâce à son propre poids et, dans le cas d'une installation horizontale, grâce à une inclinaison correcte à donner à la batterie même. Le schéma de référence est celui qui correspond aux figures 4a et 4b. Pour assurer et accélérer le fonctionnement, le système a été doté également de raccordements 8, 9, 10, 11 qui ont pour fonction de chasser l'air par le point le plus haut lors du remplissage et, au contraire, introduire l'air au point idéal lorsque le fluide primaire s'écoule, libérant un volume qui sera ensuite occupé par l'air même. La batterie de tubes est généralement installée à l'extérieur, à l'air atmosphérique, et elle est reliée à un réservoir 15 de fluide primaire disposé et protégé à l'intérieur d'une pièce. Les collecteurs d'entrée 1 et intermédiaires 2, 3 sont respectivement reliés au réservoir 15 au moyen de conduites 1', 12', 13' et par l'intermédiaire d'au moins une pompe 14; le collecteur de sortie 4 peut être relié directement au réservoir 15 au moyen d'une conduite 4'. Sur les conduites 12', 14', auxquelles aboutissent les collecteurs intermédiaires 2, 3, sont insérées des soupapes à disque 12, 13 qui ont pour fonction d'empêcher le passage du fluide primaire pendant le fonctionnement normal de la batterie. Ceci se fait grâce à la différence de pression entre la partie en amont et la partie en aval de la soupape qui vient à s'établir à partir du moment o les pompes 14 se mettent en marche. Cette situation détermine et maintient la position fermée de ladite soupape. Lorsqu'on passe en dessous de la différence de pression précitée, du fait de la mise hors service des pompes 14, les soupapes à disque 12 et 13, du fait de leur propre caractéristique typique, s'ouvrent et permettent au fluide primaire de les traverser pour être recueilli en totalité dans le réservoir 15 et pouvoir ensuite être remis en circulation lors du redémarrage ultérieur des pompes 14. Un tel dispositif permet donc d'utiliser toujours le même fluide sans aucune déperdition et surtout il permet de travailler sans substances antigel. Il est à souligner que le principe se prête indifféremment à un fonctionnement à la pression atmosphérique ou en conditions de pressurisation sans que 7ceci compromette le fonctionnement de l'ensemble. ceci compromette le fonctionnement de l'ensemble. REVENDICATIONS 1. Batterie de tubes pour échangeurs de chaleur, comprenant des tubes (T) agencés en plusieurs files ou rangées parcourues par un fluide primaire provenant d'un réservoir (15) et léchées par un fluide secondaire, et dans laquelle chaque file ou rangée de tubes possède aux extrémités opposées un passage d'entrée (I) relié à un collecteur d'entrée (1) et un passage de sortie (U) relié à un collecteur de sortie (4), caractérisée en ce que les extrémités des tubes comprises entre le passage d'entrée et le passage de sortie à l'extrémité de chaque file ou rangée sont toutes reliées à des collecteurs intermédiaires (2, 3, 5,....) de façon que lesdits tubes forment un circuit continu en communiquant entre eux par le biais desdits collecteurs intermédiaires. 2. Batterie de tubes pour échangeurs de chaleur selon la revendication 1, dans laquelle la batterie peut être disposée horizontalement ou verticalement et reliée au réservoir par l'intermédiaire d'au moins une pompe (14) pour la circulation du fluide primaire, caractérisée en ce que les collecteurs intermédiaires de la batterie sont reliés au réservoir de fluide primaire par l'inter- médiaire de ladite pompe ensemble avec le collecteur d'entrée pour une vidange complète du fluide primaire hors de la batterie et le chargement du fluide primaire dans la batterie. 3. Batterie de tubes pour échangeurs de chaleur selon la revendication 1 et la revendication 2, caractérisée en ce qu'une conduite d'entrée de l'air de la vidange et de sortie de l'air durant le remplissage est reliée à la partie la plus en haut de la batterie, ladite conduite étant raccordée à une partie supérieure du réservoir. 4. Batterie de tubes pour échangeurs de chaleur selon les revendications précédentes, caractérisée en ce que la vidange et le remplissage se font respectivement en réponse à l'arrêt et au démarrage de la pompe (14) pour la circulation du fluide primaire. 5. Batterie de tubes pour échangeurs de chaleur selon la revendication 4, caractérisée en ce que des soupapes à disque unidirectionnelles (12, 13) normalement fermées sont insérées le long des conduites reliant les collecteurs intermédiaires au réservoir afin d'empêcher l'écoulement de fluide primaire desdits collecteurs vers le réservoir lorsque la pompe est en fonctionnement et que l'échangeur est actif et qui s'ouvrent automatiquement pour permettre au fluide primaire de s'écouler librement dans le réservoir lorsque la pompe s'arrête pour la vidange de la batterie. 6. Batterie de tubes pour échangeurs de chaleur selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdites soupapes se ferment par suite d'une différence de pression entre la partie en amont et la partie en aval des soupapes au démarrage de la pompe de circulation et s'ouvrent lorsqu'on passe en dessous d'une telle différence de pression à l'arrêt de la pompe.