Brevet FR2840675A1 — publié le 20031212

frigorifique de HFC et un fluide frigorifique de HFE. -1- 2840675 DISPOSITIF D'ECHANGE THERMIQUE PERFECTIONNE L'invention concerne un dispositif perfectionne d'echange thermique entre au moins deux fluides. s Le dispositif d'echange thermique de ['invention peut etre qualifie soit d'echangeur, soit de condenseur, soit d'evaporateur en fonction de la nature des fluides utilises. Ainsi, dans l'hypothese ou les deux fluides parcourant le dispositif vent liquides, on parle d'echangeur. En revanche, lorsque l'un des fluides, voire 19 ['ensemble des fluides, subit un changement de phase, le dispositif est alors qualifie de condenseur ou d'evaporateur. De nombreux echangeurs, condenseurs ou evaporateurs ont ete realises a ce jour selon deux types de technologies, respectivement les echangeurs, evaporateurs ou condenseurs a calandre et tubes et les echangeurs, evaporateurs ou condenseurs a plaques. L'invention concerne exclusivement les echangeurs, condenseurs ou evaporateurs a calandre et tubes. De tels dispositifs vent actuellement construits a partir de codes, dont le plus connu est le code TEMA (Tubular Exchange Manufacturers Association). Les appareils decrits dans le code TEMA vent composes principalement d'un faisceau de tubes, dans lequel circule un premier fluide appele fluide primaire, enveloppe par une calandre de forme cylindrique dans laquelle circule un second fluide, denomme fluide secondaire. Le faisceau de 2s tube peut se presenter sous deux conformations differentes. Dans une premiere forme de realisation, le faisceau de tube est droit et monte entre deux plaques tubulaires, lesquelles vent maintenues aux extremites de la calandre. Selon un autre mode de realisation, les tubes ont une forme en U et vent montes sur une senle plaque tubulaire. Dans les deux cas, les tubes vent fxes sur les plaques tubulaires par soudure, dudgeonnage ou les deux a la foist Lorsque le dispositif comprend une senle plaque tubulaire, celui-ci est complete par une bo^te de distribution de fluide, denommee distributeur positionne en amont de la plaque tubulaire, et par -2- 2840675 une seconde bo^te, appelee fond de calandre a l'autre extremite de l'appareil. Le distributeur et le fond de calandre canalisent la circulation du fluide destine a passer dans les tubes. Les appareils decrits dans le code TEMA peuvent egalement eke equipes de chicanes montees dans la calandre de maniere a canaliser le fluide secondaire. Ces equipements vent parfaitement efficaces et performants lorsqu'ils vent utilises pour des regimes permanents, sans choc thermique, ni coup de belier, ni gros ecart de temperature entre fluides. Lorsque les ecarts de temperature entre fluides ou ['evolution de temperature d'un des fluides provoquent des dilatations differentielles ou des coups de belier dans les composants de l'appareil, le code TEMA propose differents modes de construction classifies comme suit: - la calandre est equipee d'un soufflst de dilatation, - l'echangeur est equipe d'une tete flottante: une des deux plaques tubulaires est libre de se dilater dans la calandre (fond de calandre type P. S. T. ou W selon la norme TEMA), - les tubes en U vent fixes sur une seule plaque tubulaire (fond de calandre type U selon la norme TEMA). Si chacun de ces trots dispositifs est propre a garantir la resistance mecanique de l'echangeur, evaporateur ou condenseur soumis a un severe regime thermique, ceux-ci presentent cependant le double inconvenient d'etre couteux a realiser et d' ab outir a un enc ombrement important. En effet, la longueur de ltechangeur est sensiblement egale a la longueur des tubes lorsque ceux-ci vent droits (deux plaques tubulaires) ou a la moitie de la longueur des tubes lorsque ceux-ci ont une forme en U (une seule plaque tubulaire). Des lors, le probleme que se propose de resoudre ['invention est de developper un dispositif d'echange thermique presentant une resistance mecanique elevee lorsqu'il est soumis a un regime thermique severe qui ne presente pas les inconvenients precites. 3 2840675 Pour ce faire, ['invention propose un dispositif d'echange thermique entre au moins deux fluides comprenant une calandre enveloppant un faisceau de tubes dont les extremites vent rendues solidaires d'une meme plaque tubulaire. Ce dispositif d'echange thermique se caracterise en ce que chaque tube constitutif du faisceau se presente sous forme d'au moins deux spires paralleles resultant chacune de l'enroulement du tube sur lui-meme, dans un meme plan, et en ce que les premiere et derriere spires de chaque tube vent solidarisees a la plaque tubulaire par leur extremite exterieure. En d'autres termes, ['invention prevoit l'agencement de tubes sous forme de spires superposees, les premiere et derriere spires etant raccordees par leur extremite exterieure a une meme plaque tubulaire permettant ainsi de disposer de tubes de grande longueur, done de grande surface d'echange, pour un faible encombrement, tout en maintenant le point de depart des dilatations differentielles du tube dans un meme plan. Selon une premiere caracteristique et compte-tenu des contraintes liees a la construction des spires, chaque spire est munie, en son centre, d'une cavite de forme generale cylindrique. Bien entendu, le dispositif d'echange thermique de ['invention peut etre agence avec plusieurs tubes superposes comprenant chacun au moins deux spires, les extremites externes des premiere et derriere spires de chaque tube servant d'entree ou de sortie du fluide primaire destine a parcourir ledit tube. En pratique, le dispositif peut etre muni de plusieurs series de tubes alimentees chacune par un fluide distinct ou un meme fluide a temperature differente. De meme, chaque tube peut etre constitue de plusieurs spires, avantageusement deux spires. 4 2840675 Toutefois, pour respecter l'une des caracteristiques essentielles de ['invention selon laquelle ['entree et la sortie de chaque tube correspond a l'extremite exterieure des premiere et derriere spires, chaque tube ne peut etre constitue que d'un nombre pair de spires. Ainsi par exemple, dans l'hypothese ou chaque tube est constitue de quatre spires, les premiere et seconde spires vent raccordees par leur extremite interieure, tandis que les seconde et troisieme spires vent raccordees par leur extremite exterieure, les troisieme et quatrieme spires etant raccordees par le.r extremite interieure. Selon ['invention, les spires peuvent etre obtenues selon deux procedes. Ainsi, dans un premier mode de realisation, les spires vent obtenues a partir d'un tube unique cintre sur toute sa longueur. Selon un autre mode de realisation, les spires vent obtenues a partir d'un tube discontinu resultant de ['association de plusieurs spires raccordees successivement par leur extremite interieure puis exterieure. Dans les deux cas de figure, les spires superposees vent en parfaite continuite l'une de l'autre, sans rayon de courbure excessif autre que celui du cintrage de tube necessaire au changement de plan d'une spire a l'autre. Des lors, les seules soudures dans la realisation et le montage des spires consecutives vent l'eventuelle soudure des spires mises bout a bout et les soudures des deux extremites sur la plaque tubulaire. Si les sollicitations thermiques l'autorisent, les deux soudures de ['entree et de la sortie du tube sur la plaque tubulaire peuvent etre remplacees ou precedees par des dudgeonnages. Pour permettre ['entree et la sortie du fluide a traiter au niveau respectivement de ['entree et de la sortie de chaque tube, la plaque tubulaire est munie de deux -5 collecteurs agences cote a cote, respectivement un collecteur d'entree alimentant ['entree de chaque tube et un collecteur de sortie dans lequel debouche la sortie de chaque tube. L'agencement des deux collecteurs cote a cote implique bien entendu, que les extremites d'entree et de sortie de chaque tube soient conformees de sorte a deboucher dans les collecteurs appropries. Lorsque ltensemble des tubes ou sene de tubes est alimente par un meme fluide a meme temperature, les collecteurs d' entree et de sortie vent commune aux extremites respectivement d'entree et de sortie de chaque tube ou serie de tubes. Au contraire, dans l'hypothese ou les tubes ou series de tubes vent parcourus par des fluides distincts ou un meme fluide a differentes temperatures, les collecteurs d'entree et de sortie vent cloisonnes entre chaque tube ou serie de tubes. Selon une autre caracteristique, le dispositif de ['invention est muni d'une calandre rendue solidaire de la plaque tubulaire, notamment par soudure et dont les deux extremites vent prolongees par des bo^tes servant a canaliser le fluide introduit cote calandre. Les bo^tes comme les faisceaux de spires peuvent etre avantageusement equipes de chicanes. La calandre peut revetir plusieurs formes. Dans une premiere forme de realisation, la calandre, de forme cylindrique, enveloppe la peripherie externe des tubes. Dans une seconde forme de realisation, la calandre est de forme annulaire et enveloppe a la fois la peripherie externe et la peripherie interne des tubes. Avantageusement, la calandre est equipee de dispositifs de distribution et eventuellement de chicanes propres a assurer la circulation et la repartition du fluide en son sein. -6- 2840675 Dans une troisieme forme de realisation, la cavite centrale delimitee par le diametre interne des spires est occupee par une chambre cylindrigue destinee a etre alimentee par un fluide primaire. Dans cette hypothese, la paroi du tube central constitue un echangeur entre le fluide primaire a l'interieur de cette chambre et le fluide secondaire present dans la calandre a l'exterieur de la chambre centrale. Des lors, le fluide primaire a l'interieur de la chambre centrale peut geler, sans dommage pour le reste de l'equipement. Pour augmenter la surface d'echange de la chambre centrale et selon une autre configuration, le dispositif de ['invention comporte une enveloppe exterieure agencee de maniere a recouvrir entierement la surface de la calandre annulaire. En pratique, l'enveloppe est soudee a la plaque tubulaire. L'invention et les avantages qui en decoulent ressortiront bien des exemples de realisation suivants a l'appui des figures annexees. La figure 1 est une perspective schematique du dispositif d'echange thermique de ['invention. La figure 2 represente une vue en perspective de deux spires consecutives d'un tube. La figure 3 est une representation diun premier mode de realisation selon lequel la calandre a une forme annulaire. La figure 4 est une representation d'un second mode de realisation selon lequel le volume delimite par la cavite centrale des spires est occupee par une chambre cylindrique. La figure 5 est une representation d'un troisieme mode de realisation selon lequel la calandre est recouverte d'une enveloppe externe. Sur la figure 1, on a represente schematiquement une coupe du dispositif d'echange thermique de ['invention. Dans le mode de realisation tel qu'illustre, le 7 2840675 dispositif comprend une calandre (l) destinee a eke soudee a une plaque tubulaire (3). La calandre (1) enveloppe plusieurs tubes (2), connectes directement a ladite plaque tubulaire (3). Chaque tube est rendu solidaire de la meme plaque tubulaire (3) par soudure ou dudgeonnage. En pratique, chaque tube (2) est constitue de deux spires, respectivement une premiere spire (4) et une seconde spire (5). Les premiere et seconde spires de chaque tube vent plus particulierement representees sur la f1gure 2. Comme le montre cette figure, chaque spire (4, 5) resulte de l'enroulement de l'interieur vers l'exterieur, dans un meme plan, du tube (2) sur lui-meme. Du fait du mode de construction, chaque spire presente en ouke une cavite centrale (6). Les spires (4) et (5) vent connectees l'une a l'autre au niveau de leur extremite interieure (7, 8), chaque spire etant solidarisee par son extremite exterieure (9, 10) a la plaque tubulaire (3). Comme il ressort de la figure 1, les spires (4) et (5) de chaque tube (2) vent en parfaite continuite l'une de l'autre, sans rayon de courbure excessif auke que celui du cintrage du tube, necessaire au changement de plan d'une spire a l'autre. Selon ['invention, les spires vent realisees a partir d'un tube unique ou de deux tubes assembles par soudage bout-a-bout. Des lors, les seules soudures dans la realisation et le montage de la double spire vent l'eventuelle et unique soudure de deux tubes bout-a-bout et les soudures des deux extremites sur la plaque tubulaire. Comme le montrent les figures 1 et 2, la plaque tubulaire (3) est munie de deux collecteurs agences cote-a-cote, respectivement un collecteur d'entree (11) destine a alimenter en fluide thermique la premiere spire d'enkee (4) du tube (2) et un collecteur de sortie (12) dans lequel debouche la sortie de la seconde spire de sortie (5) du tube (2). Bien entendu, et comme il ressort des figures 1 et 2, les spires vent conforrnees de sorte a ce que leur extremite debouche dans le collecteur approprle. -8- 2840675 Dans la premiere forme de realisation telle que representee, les collecteurs d'entree (11) et de sortie (12) vent commune a l'extremite respectivement d'entree (9) et de sortie (10) de chaque tube (2). Ce type de conformation est mis en ceuvre dans l'hypothese ou le fluide parcourant les differentes spires de chaque tube est le S meme et a la meme temperature. Au contraire, lorsque chaque tube ou serie de tubes est parcouru par un fluide distinct ou un meme fluide a differentes temperatures, les collecteurs d'entrbe et de sortie vent cloisonnes entre chaque tube ou serie de tubes. Une real i sati on de ce type est plus particulierement adaptee au dispositif represente schematiquement figure 3. Dans ce mode de realisation, le dispositif contient deux series de tubes (2.1) et (2.2), chaque tube etant forrne d'une double spire. Lacalandre (1) est une calandre annulaire enveloppant les peripheries 1 S externe et interne des spires. Dans la configuration telle que representee, la serie de tubes (2. 1) est alimentee par un fluide primaire chaud (13) tandis que la serie de tubes (2.2) est alimentee par un fluide primaire froid (14) ou inversement, la calandre etant elle-meme parcourue par un fluide secondaire (15). En pratique, la puissance de l'echangeur est regulee par la modulation du debit des fluides primaires obtenue par ouverture ou fermeture progressive des circuits. Ainsi, lorsque l'on cherche a chauffer le fluide secondaire, la vanne d'admission (16) du fluide primaire froid dans la serie de tubes (2.2) est fermee et la vanne d'admission (17) du fluide primaire chaud dans la serie de tubes (2.1) est 2s plus ou moins ouverte selon un procede de regulation bien connu. Lorsque l'on cherche au contraire a refroidir le fluide secondaire, la vanne d'admission du fluide primaire chaud (17) dans la serie de tubes correspondante (2.1) est fermee et la vanne d'admission du fluide primaire froid (16) dans l'autre serie de tubes (2.2) est plus ou moins ouverte selon le meme mode de regulation. Les vannes de modulation de debit de fluide primaire peuvent etre indifferemment montees a ['entree ou a la sortie de ltechangeur. On peut egalement envisager l'agencement de vannes trots voies melangeuses ou diviseuses. _9_ Dans le mode de realisation represente sur la figure 4, la cavite delimitee par le diametre interne des spires est occupee par une chambre (18), alimentee elle-Meme par un autre fluide primaire par le biais d'une canalisation (18). La paro de la chambre centrale (19) constitue ainsi un echangeur entre le fluide primaire present a l'interieur de ladite chambre et le fluide secondaire present dans la calandre (1). Le mode de realisation decrit immediatenent apres est plus particulierement interessant lorsque la temperature du fluide secondaire est negative. En effet, il peut arriver que le debit de fluide primaire dans les tubes soit fortement reduit, voire interrompu, par exemple lorsque l' on approche la valeur de consigne. Dans un tel cas, de l'eau stagne dans les tubes, et celle-ci atteint peu a peu la temperature negative du fluide secondaire. Des lors, la presence d'une chambre centrale menagee au cccur de la calandre et dans laquelle est introduit un fluide primaire, permet d'eviter que les tubes n'eclatent sous l'effet du gel. En pratique, un fluide primaire, source froide, est introduit dans les tubes en spirale et la vapeur, fluide primaire de chauffage, est introduit dans la chambre centrale. La vapeur, au contact de la paroi froide de la chambre centrale de grand diametre peut geler sur cette paroi. Toutefois, le passage de la vapeur au centre de la chambre est touj ours libre, ce qui permet de disposer en permanence d'une source chaude et si necessaire, de chauffer le fluide secondaire a travers la paroi de glace puis de faire fondre cette glace et d'atteindre une temperature positive pour le fluide secondaire. Dans ce cas, la puissance apportee par la vapeur est tres elevee puisque la vapeur cede au fluide secondaire sa chaleur latente de vaporisation mais egalement sa chaleur latente de liquefaction. Toutefois, la restitution ulterieure de la chaleur latente de liquefaction pour faire fondre la glace stockee sur la paroi du tube central n'est pas un probleme puisque dans ce type de procede necessitant des appels de puissance transitoires tres eleves, en chauffage comme en refroidissement, il existe touj ours de phases de moindre consomrnation. En effet, -10- 2840675 un tel echangeur dans lequel la glace produite n'a pas ete evacuee a, de fait, une fonction de stockage d'energie amortissant les appels de puissance du procede. Dans un dernier mode de realisation represente sur la figure 5, la calandre annulaire est entouree d'une enveloppe externe peripherique (20) soudes sur la plaque tubulaire. Ce type d'installation est particulierement favorable lorsque la surface d'echange de la chambre centrale s'avere trop reduite. Dans une configuration citee a titre d'exemple, le fluide primaire froid constitue soit d'un liquide s'elevant en temperature sans transformation de phase, soit d'un gaz liquefie cedant les frigories de sa chaleur latente d'evaporation, alimente les tubes en spirale. Le fluide secondaire, dont on cherche a reguler la temperature, generalement sans transformation de phase, parcourt quant a lui, la calandre. Enfin, le fluide primaire chaud est maintenu dans ltenveloppe exterieure et se presente sous la forme d'une vapeur condensante. L'echange thermique entre les differents fluides se fait au niveau de deux surfaces, respectivement: O la surface des tubes spirales pour ltechange thermique entre le fluide primaire froid et le fluide secondaire, 19 la surface de la calandre pour l'echange thermique entre le fluide secondaire et le fluide primaire chaud. Dans ce cas, la paroi exterieure de la calandre peut etre avantageusement equipee d'ailettes pour ameliorer la surface d'echange. Dans cette configuration, il importe qu'il n'y ait pas d'echange direct entre le fluide primaire froid et le fluide primaire chaud a travers une paroi commune, si ce n'est a travers une paroi necessitee par le mode de construction de l'echangeur et dont il faudra reduire la surface au minimum. Par ailleurs, les fluides chaud et froid ne doivent pas etre introduits simultanement dans l'echangeur mais par le biais de vannes ouvertes l'une apres l'autre ou fermees. Toutefois, les circuits primaires dans la calandre ne vent pas purges et il n'est pas necessaire d'ajouter une -11- 2840675 consommati on parasite par echange dire ct entre l es flui des primaires chauds et froids. Lorsque, selon la configuration precedente, le fluide froid est un gaz liquefie et le fluide chaud est de la vapeur d'eau sous pression, il. est necessaire de tenir compte des contraintes dues aux dilatations, dont le probleme peut etre resolu par la mise en place de soufflets ou de manchettes de compensation (21). I 'interet d'un tel dispositif reside dans la tres grande plage de temperatures qu'il est possible d'obtenir pour le fluide secondaire, a condition d'utiliser une huile thermique pompable dans toute cette gamme de temperatures: la viscosite ne doit pas etre trop elevee a basse temperature et la pression de vapeur a haute temperature doit etre encore acceptable technologiquement. L'utilisation de deux senls fluides thermiques primaires de temperatures extremes dans un echangeur double compact permet de reduire l'encombrement et le cout d'investissement du dispositif en evitant l'utilisation de fluides de service primaires de temperatures intermediaires. La conception des spires telles que decrites precedemment, montees a lthorizontale dans la calandre, permet de les utiliser pour evaporer un fluide primaire. Dans ce cas, il est necessaire d'evacuer en permanence le gaz forme sans l'emprisonner dans des points hauts. Pour ce faire, le fluide primaire a evaporer est introduit par le collecteur dans lequel debouche la ou les spires inferieures, le gaz forme etant evacue par le collecteur raccorde a la ou les spires superieures. La performance d'un tel echangeur double compact est d'autant plus importante que les ecarts de temperature entre fluides est tres elevee et que les fluides primaires subissent des transformations de phases par evaporation, condensation, voire solidifcation. -12- 2840675 Une telle performance est rendue possible par le mode de construction en tub es s ous forme de spire, ce qui permet a l'echangeur de resister aux ec arts de temperature entre fluides, aux chocs thermiques et coups de belier. S Enfin, l'echangeur a tubes spirales de ['invention peut etre avantageusement utilise lorsque l'on souhaite faire subir au fluide secondaire des transformations de phase. L'equipement peut, par exemple, etre utilise pour condenser, voire cistalliser, des vapeurs de solvent introduites cote calandre, un fluide primaire froid etant introduit cote tubes spirale. Pour cette application de piegeage de composes volatile, le fluide primaire de service peut ceder ses fngories sans transformation de phase, mais il peut egalement stagir d'un gaz liquefie stevaporant dans l'echangeur. Pour cette application egalement, ou les ecarts de temperature entre fluides 1S peuvent etre importants, et particulierement lorsque ltechangeur correspond a un evaporateur-condenseur, le mode de construction en tubes spirales, resistant aux chocs et efforts de dilatations, est tres interessant. Un autre interet de ce mode de construction pour cette application reside dans la nettoyabilite de l'echangeur cote calandre. I1 est en effet plus facile de maintenir propre et de nettoyer un echangeur tubulaire par comparaison avec un echangeur a plaques. -13 REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'echange thermique enke au moins deux fluides comprenant une calandre (1) enveloppant un faisceau de tubes (2) dont les extremites vent rendues solidaires d'une meme plaque tubulaire (3), caracterise en ce chaque tube constitutif (2) du faisceau se presente sous forme d'au moins deux spires (4, 5) paralleles resultant chacune de l'enroulement du tube sur lui-meme, dans un meme plan, et en ce que les premiere et derriere spires de chaque tube vent solidarisees a la plaque tubulaire par leur extremite exterieure (9, 10). 2/ Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que chaque spire (4, 5) est munie, en son centre, d'une cavite de forme generale cylindrique (6). 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caracterise en ce que chaque tube (2) est constitue de deux spires (4, 5). 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 a 3, caracterise en ce qutil est muni de plusieurs series de tubes alimentees chacune par un fluide distinct ou un meme fluide a temperature differente. / Dispositif selon l'une des revendications 1 a 4, caracterise en ce que la plaque tubulaire (3) est munie de deux collecteurs (11, 12) agences cote a cote, respectivement un collecteur (11) d'entree alimentant l'extremite d'entree de chaque tube et un collecteur de sortie (12) dans lequel debouche l'extremite de sortie de chaque tube. 6/ Dispositif selon la revendication 5, caracterise en ce que les collecteurs d'entree (11) et de sortie (12) vent commune aux extremites respectivement d'entree (9) et de sortie (10) de chaque tube (2) ou serie de tubes. -14- 2840675 7/ Dispositif selon la revendication 5, caracterise en ce que les collecteurs d' entree (11) et de sortie (12) vent cloisonnes entre chaque tube (2) ou serie de tubes. 8/ Dispositif selon l'une des revendications 1 a 7, caracterise en ce que la calandre ( 1) a une fome annulaire. 9/ Dispositif selon l'une des revendications 1 a 8, caracterise en ce que la cavite centrale (6) est occupee par une chambre cylindrique (18) destinee a etre alimentee par un fluide primaire. / Dispositif selon la revendication 8, caracterise en ce qu'il comporte une enveloppe exterieure (20) agencee de maniere a recouvrir entierement la surface de la calandre (1). DEPOSANT: VALLET