Brevet FR2855600A1 — publié le 20041203

i La présente invention concerne les échangeurs de chaleur cryogène/eau, 5 destinés à réchauffer et/ou vaporiser un fluide cryogénique à très basse température par de l'eau, du type comprenant un circuit d'eau ayant une entrée et une sortie et un circuit de cryogène ayant une entrée et une sortie, les circuits comprenant des portions d'échange parallèles séparées par des cloisons. L'utilisation de l'eau pour chauffer un fluide cryogénique est intéressante 10 économiquement mais pose problème dans les échangeurs compacts dans la mesure o l'eau, même mélangée avec une composition antigel, présente des risques de formation de glace importants en raison de la très basse température du fluide cryogénique, tout bouchon de glace provoquant des disfonctionnements graves immédiats dans l'échangeur et dans l'installation 15 utilisatrice aval. La présente invention a pour objet de proposer une structure d'échangeur de chaleur efficace, compact et ne présentant pas de risque de disfonctionnement dus au gel ou à la formation de glaçons dans le circuit d'eau. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, chaque portion 20 d'échange du circuit de cryogène comporte un passage d'entrée de section réduite débouchant dans une zone de section élargie, la portion d'échange du circuit d'eau ayant une section sensiblement constante correspondant à ladite section élargie de la portion d'échange du circuit du cryogène. Selon d'autres caractéristiques de l'invention Le passage d'entrée présente au moins une partie aval à profil évasé. Le passage d'entrée est sensiblement centré sur l'axe longitudinal de la portion d'échange. Le rapport entre la section minimum du passage d'entrée et la section élargie de la portion d'échange du circuit de cryogène est compris entre 10 et 3 0 50%, typiquement entre 20 et 30%. Les portions d'échange sont délimitées par des plaques accolées, en acier inoxydable de faibles épaisseurs, typiquement inférieures à 2,50. mm, avantageusement inférieures à 2 mm. Les passages d'entrée débouchent dans une tubulure de distribution de cryogène s'étendant dans une boîte de distribution d'eau fermant ce côté de l'échangeur. La présente invention a également pour objet une application de cet échangeur pour la fourniture d'hydrogène gazeux à un générateur de puissance d'un véhicule automobile, par exemple un moteur thermique et/ou une pile à combustible à membrane échangeuse de protons. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 10 ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: - La Figure 1 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un échangeur de chaleur selon l'invention; La Figure 2 est une vue en perspective éclatée des plaques de l'échangeur de la Figure 1 montrant les configurations des portions d'échange des circuits de cryogène et d'eau; et - La Figure 3 est une vue en coupe transversale selon le plan de coupe 3/3 de la Figure 1. Comme représenté de façon schématique sur la Figure 1, I'échangeur de chaleur selon l'invention comprend un bloc d'échange, désigné généralement par la référence 1, constitué par un assemblage de plaques accolées, comme on le verra plus loin, définissant des portions de circuits d'échange parallèle à cocourant entre un distributeur de cryogène 2 et un collecteur de sortie de 25 cryogène chauffé 3, d'une part, et un distributeur d'eau de réchauffe 4 et un collecteur de sortie d'eau 5. Selon un aspect de l'invention, comme on le voit mieux sur les Figures 2 et 3, chaque portion de circuit d'échange est définie entre deux plaques pleines 6 par des plaques ou demi-plaques ajourées 7c pour le circuit du 30 cryogène et 7e pour le circuit d'eau. Selon un aspect de l'invention, les plaques 7e du circuit d'eau définissent un passage de largeur ú sensiblement constante tandis que les plaques 7c définissent des passages 9 à profil évolutif, avec un passage d'entrée 9a de section réduite s'évasant dans un passage principal de largeur I identique à celle des passages 8 d'eau. Le passage d'entrée 9a est centré sur l'axe longitudinal du passage 9 (les axes longitudinaux des passages 8 et 9 étant avantageusement coplanaires). Avec un tel agencement, comme illustré sur la figure 2, la zone extrêmement froide de la portion de circuit d'échange de cryogène, constituée par la zone de passage d'entrée 9a, présente une largeur réduite, typiquement inférieure à 50% de la largeur nominale 1, avantageusement supérieure à 10% 10 de cette dernière, de préférence entre 20 et 30% de cette dernière, de sorte que l'eau arrivant à co- courant dans la portion d'entrée du passage 8 absorbe le maximum de frigories dans une portion centrale elle-même centrée sur le passage d'entrée 9a mais débordant peu latéralement de cette dernière en raison des forts gradients de température de part et d'autre de cette zone 15 assurés par la superficie des plaques. Ainsi, dans les conditions les plus défavorables, se forme-t-il tout au plus un petit bloc de glace 10 n'occupant qu'une partie centrale de la largeur du passage 8 et n'empêchant jamais la circulation, de part et d'autre du flux d'eau, comme représenté par les deux flèches sur la Figure 2, en ne provoquant qu'une faible perte de charge dans le 2 0 circuit d'eau. Les plaques 6 et 7 sont typiquement réalisées par estampage de tôles d'acier inoxydable 316 L ou 304 L d'une épaisseur inférieure n'excédant pas 2 mm pour le circuit d'eau et n'excédant pas 1 mm pour le circuit de cryogène. Dans une application particulière, convenant à la vaporisation 25 d'hydrogène liquide embarqué dans un véhicule automobile pour l'alimentation d'un groupe de puissance de ce dernier, le cryogène H2L arrive dans le distributeur 2 à une température de l'ordre de -250 C, typiquement sous une pression comprise entre 1 à 10 bars absolus, avec un débit inférieur à 5 g par seconde. Dans ces conditions, les plaques 7c ont une épaisseur d'environ 30 0,5 mm, les plaques 7e une épaisseur d'environ 2 mm et les plaques 6 une épaisseur d'environ 0,6 mm. Le bloc d'échange 1 est réalisé en accolant une pluralité de plaques 6,7c et 7e les unes contre les autres et en les assemblant par soudage de leurs bords latéraux externes. Dans ce type d'application, I'eau, en provenance du radiateur du moteur thermique du véhicule, pénètre dans le distributeur d'entrée 4 à une température inférieure à 110 C, typiquement entre 60 et 80 C, et ressort à une température légèrement inférieure du collecteur 5, I'hydrogène gazeux sortant du collecteur 3 5 à une température légèrement inférieure à celle de l'eau, de l'ordre de 50 à 60 C. Pour maintenir une température d'hydrogène gazeux dans cette plage, même dans des conditions atmosphériques de grand froid, on prévoit avantageusement un réchauffeur électrique 11 dans le collecteur 3. Dans un mode de réalisation particulier représenté sur la figure 3, on 10 reconnaît la portion d'échange 9 du circuit d'hydrogène entre les plaques 7c avec, ici, un passage d'entrée 9a à section progressive en forme de V débouchant directement dans la partie principale de section élargie du passage 9. Le distributeur d'amenée du cryogène 2 est ici constitué d'une gouttière 15 soudée sur les bords inférieurs des plaques 6 et 7. De façon similaire, le cryogène gazeux est récupéré, en sortie du passage 9, dans une gouttière 12 soudée sur les bords supérieurs des plaques et soudées le long d'une génératrice supérieure au collecteur de sortie 3 avec lequel elle communique par des ouvertures en regard 13 formées dans les zones en contact. Les faces latérales, soudées entre elles, des plaques 6 et 7 sont recouvertes d'une tôle de protection 14. Une boîte 15 formant le distributeur d'eau 4 ferme le côté bas du bloc d'échange 1, tandis qu'une boîte 16 formant le collecteur de sortie d'eau 5 ferme le côté haut du bloc d'échange. Quoique l'invention ait été décrite avec des modes de réalisation 25 particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur cryogène/eau comprenant un circuit d'eau 5 ayant une entrée et une sortie, et un circuit de cryogène ayant une entrée et une sortie, lesdits circuits comprenant des portions d'échange parallèles séparées par des cloisons, caractérisé en ce que chaque portion d'échange (9) du circuit de cryogène comporte un passage d'entrée (9a) de section réduite débouchant dans une zone de section élargie (I), la portion d'échange (8) du circuit d'eau 10 ayant une section sensiblement constante (I) correspondant à ladite section élargie. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le passage d'entrée (9a) présente au moins une partie aval à un profil évasé. 3. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 15 en ce que le passage d'entrée (9a) est sensiblement centré sur l'axe longitudinal de la portion d'échange. 4. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre la section minimum du passage d'entrée (9a) et la section élargie (ú) est compris entre 10 et 50%. 5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit rapport est compris entre 20 et 30%. 6. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les portions d'échange (8,9) sont délimitées par des plaques (7c, 7e). 7. Echangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les 25 plaques (7c, 7e) ont une épaisseur n'excédant pas 2,5 mm. 8. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les plaques (7c) délimitant latéralement les portions d'échange (9) du circuit cryogène est inférieur à 1 mm. 9. Echangeur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce 30 que les plaques (7c, 7e) sont soudées les unes aux autres par leurs bords externes. 10. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les passages d'entrée (9a) débouchent dans une tubulure (2) de distribution de cryogène s'étendant dans une boîte de circulation d'eau (4) fermant ce côté de l'échangeur. 11. Application d'un échangeur selon l'une des revendications précédentes à la fourniture de gaz à un générateur de puissance embarqué dans un véhicule.