Brevet FR2864911A1 — publié le 20050715

Description La présente invention concerne un dispositif de séparation liquide-gaz. La présente invention concerne également un échangeur thermique ainsi équipé, notamment un échangeur du type condenseur ayant pour effet de condenser certains constituants d'un mélange gazeux initial et produisant ainsi en sortie un mélange diphasique dont les phases liquide et gazeuse doivent ensuite être séparées. On connaît les séparateurs par gravité avec ou sans dispositif de récupération pour piéger les gouttelettes dans la sortie pour le gaz. On connaît également les séparateurs du type cyclone. Ces dispositifs sont volumineux et aboutissent habituellement à récupérer le gaz en partie haute et le liquide en partie basse. Ils imposent donc des contraintes d'encombrement et d'installation. En outre, ils ont par nature une perte de charge relativement grande. Pour les échangeurs thermiques du type condenseur à flux vertical, il est possible que le flux gazeux soit ascendant tandis que les gouttelettes de condensat retombent dans une cuve inférieure à mesure qu'elles se forment. Cette disposition a l'inconvénient que le flux gazeux montant a tendance à entraîner une partie des gouttelettes avec lui dans la sortie supérieure pour le flux gazeux. Dans les échangeurs à flux gazeux descendant, les gouttelettes ne peuvent qu'aller dans la bonne direction, c'est à dire vers le bas, mais il se pose alors le problème de séparer les liquides et les gaz en bas d'échangeur, avec la problématique évoquée plus haut en ce qui concerne les inconvénients des séparateurs actuels. Le but de la présente invention est ainsi de proposer un dispositif de séparation liquide-gaz pour, à partir d'un fluide 35 diphasique, séparer le liquide et le gaz dans un minimum de volume et avec une perte de charge réduite, ainsi qu'un échangeur thermique équipé d'un tel dispositif. Suivant l'invention, le dispositif de séparation liquide-gaz comprenant une cuve présentant une entrée de mélange diphasique, une sortie inférieure de liquide et une sortie supérieure de gaz, est caractérisé en ce qu'une chicane placée entre ladite entrée du mélange en partie haute de la cuve et la sortie de gaz définit pour l'écoulement un lobe contournant un bord de détour de la chicane, éloigné de la sortie de gaz. La chicane selon l'invention reçoit directement des gouttelettes qui viennent la frapper et forment ensuite un écoulement vers le fond de la cuve. D'autre part, le trajet lobé de l'écoulement projette d'autres gouttelettes contre la paroi latérale de la cuve et vers le fond de celleci, par effet centrifuge. Après le virage, il peut encore se produire une précipitation des gouttelettes avant que l'écoulement atteigne la sortie de gaz. On réalise donc une séparation dynamique par des moyens extrêmement simples et dans un encombrement particulièrement 20 réduit. Suivant un second aspect de l'invention, l'échangeur thermique comprenant un caisson dans lequel sont aménagés des trajets séparés pour deux fluides d'échange, est caractérisé en ce que ce caisson est fermé en partie basse par la cuve d'un dispositif de séparation liquide-gaz selon le premier aspect. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci-après, relative à un exemple non-limitatif. Aux dessins annexés: - la figure 1 est une vue schématique d'un échangeur selon l'invention avec arrachements, en élévation; - la figure 2 est une vue de dessus du dispositif de séparation de l'échangeur selon la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective du dispositif 35 de séparation; et - la figure 4 est une vue en élévation latérale du dispositif de séparation. Dans l'échangeur thermique 1 représenté à la figure 1, un flux gazeux 2 qui doit être partiellement condensé suit un trajet vertical descendant à l'intérieur d'un caisson 3 constitué dans cet exemple par un tube de section rectangulaire ou carrée formant un conduit vertical pour l'écoulement 2. Le caisson a une extrémité supérieure ouverte raccordée à une boîte de raccordement 4 par laquelle arrive l'écoulement 2, et une extrémité inférieure ouverte 6 dont le pourtour est raccordé de façon jointive avec le pourtour rectangulaire 7 (figure 2) du dessus ouvert d'une cuve 8 faisant partie du dispositif de séparation 9 qui sera décrit en détail plus loin. D'une manière qui n'est que très schématiquement représentée, il y a dans le caisson 3 un trajet 11 pour un fluide extracteur de calories. Le trajet 11 est séparé de manière étanche de l'espace réservé à l'écoulement 2. En pratique, le trajet peut de manière connue être constitué par un ou plusieurs tubes, ou encore par des plaques définissant à leur intérieur des cavités pour la circulation du fluide extracteur de calories, ou second fluide. Les parois séparant le trajet 11 relativement à l'écoulement 2 servent en même temps de parois d'échange thermique par lesquelles le second fluide extrait de la chaleur de l'écoulement 2, ce qui produit la condensation de certains composants de l'écoulement 2. Ainsi, lorsqu'il pénètre dans la cuve 8, l'écoulement 2 est diphasique, autrement dit, il comprend des gouttelettes entraînées par le flux gazeux. On va maintenant décrire plus en détail le dispositif de séparation 9. La cuve 8 a une forme de demi-cylindre à axe horizontal, ouverte vers le haut pour former l'ouverture d'entrée 10 du mélange diphasique 22 dans le plan axial horizontal entouré par le bord de raccordement 7 avec le caisson 3. L'ouverture est totale et par conséquent délimitée par le bord de raccordement 7. La cuve 8 comprend une paroi à profil en demi-cercle définissant deux parois latérales 12 réunies de façon continue par un fond 13, ainsi qu'une paroi d'extrémité avant 14 et une paroi d'extrémité arrière 16, chacune en forme de demi-disque plan. Deux côtés opposés du pourtour 7 sont définis par les deux extrémités de la paroi à profil en demi-cercle définissant les parois latérales 12 et le fond 13. Les deux autres côtés opposés, avant et respectivement arrière, du pourtour 7 sont constitués par les deux bords supérieurs des parois avant 14 et respectivement arrière 16. Le pourtour semi-circulaire des parois avant 14 et respectivement arrière 16 est soudé de façon étanche à l'un respectif des bords semi-circulaires de la paroi à profil semi-circulaire définissant les parois latérales 12 et le fond 13. La paroi avant 14 de la cuve 8 est traversée par une sortie 17 pour les gaz séparés. Cette sortie est placée sur l'axe vertical médian de la paroi avant 14 à faible distance en-dessous du pourtour 7. Le fond 13 est traversé par une sortie 18 pour le liquide séparé. La sortie 18 est située à proximité de la paroi avant 14 et dans la zone la plus basse du fond 13. Suivant l'invention, une chicane 19 est placée entre l'entrée 10 du mélange dans la cuve 8, formée par le dessus ouvert de la cuve 8, et la sortie de gaz 17. En particulier, la chicane 19 comporte un bord avant 21 qui est soudé contre la face intérieure de la paroi avant 14 de la cuve 8 de façon à empêcher l'écoulement diphasique 22 (figure 4) pénétrant dans la cuve 8 d'accéder directement à la sortie de gaz 17. la chicane 19 définit pour l'écoulement 22 un lobe 23 (figure 4) contournant un bord de détour 24 de la chicane 19, opposé au bord 21 soudé à la paroi avant 14. Le bord 24 est situé à une certaine distance de la face intérieure de la paroi arrière 16. La chicane 19 présente une pente descendante vers le bord de détour 24. Cette pente est indiquée par l'angle Al à la figure 4. L'ange Al est de préférence compris entre 5 et 30 . Le bord de détour 24 présente un becquet 26 dirigé vers le haut pour empêcher le liquide ruisselant sur la chicane 19 de former au-delà du bord de détour 24 une cascade qui serait capturée par l'écoulement gazeux et entraînée vers la sortie de gaz 17. Toutefois, le becquet 26 est interrompu à chacune de ses extrémités près de la paroi semi-cylindrique de la cuve pour ménager des passages 27 de ruissellement le long des parois latérales 12 et/ou du fond 13, de part et d'autre de l'écoulement gazeux. Dans l'exemple représenté, la chicane représentée est en forme de dièdre avec une ligne longitudinale centrale de sommet 28, de part et d'autre de laquelle la chicane 19 présente une pente latérale descendante indiquée à la figure 1 par un angle A2 qui est de préférence inférieur ou égal à 30 . La sortie de gaz 17 est située juste en dessous du sommet 28 de la chicane 19. Les bords latéraux 29 de la chicane sont soudées sur toute leur longueur à la face intérieure semi- cylindrique de la cuve et forment ainsi avec ladite face intérieure une gouttière 31 de ruissellement du liquide jusqu'aux passages 27 de part et d'autre du becquet 26. La longueur LL (figure 3) de la cuve mesurée le long du pourtour 7 de son ouverture supérieure 10 parallèlement au plan du lobe 23 formé par l'écoulement, donc parallèlement à la longueur de la chicane 19, peut être comprise entre 500 et 4000 mm. La largeur LA mesurée dans le plan de l'ouverture supérieure 10 de la cuve 8 perpendiculairement au plan du lobe 23 est elle aussi comprise entre 500 et 4000 mm. La forme du côté supérieur de la cuve 8 peut être rectangulaire, carrée ou d'une autre forme, et la largeur peut être plus grande que la longueur ou inversement. La longueur LC de la chicane 19, mesurée horizontalement et parallèlement à la longueur LL, donc parallèlement au plan du lobe 23, est de préférence comprise entre 0,5 LL et 0,7 LL. La hauteur maximale H de la cuve est inférieure ou égale à la plus petite des deux valeurs LL et LA. Le niveau X (figure 1) du bord inférieur de la sortie de gaz 17 est supérieur ou égal au niveau Y du point le plus élevé du bord de détour 24. La sortie de liquide 18 est de préférence dimensionnée pour que la vitesse d'écoulement du liquide y soit inférieure à environ 0,5 m/s. Le fonctionnement du dispositif de séparation est le suivant, en référence à la figure 4. Dans une première zone Z1 située juste après l'entrée 10 de l'écoulement 22 dans la cuve 8, des gouttelettes contenues dans la partie de l'écoulement située au-dessus de la chicane 19 se déposent par gravité sur la chicane 19, ruissellent sur la chicane 19 puis sur la paroi intérieure de la cuve en passant par les passages 27. Cet écoulement de ruissellement arrive ainsi au fond 13 de la cuve pour quitter celle-ci par le départ de liquide 18. Dans la zone Z2 correspondant au virage du lobe 23, d'autres gouttelettes sont projetées par centrifugation vers la paroi arrière 16 et vers le fond 13 de la cuve. Dans la zone Z3 située sous la chicane 19, l'écoulement gazeux remonte vers la sortie 17 tandis que les gouttelettes qu'il contient encore tombent par gravité vers le fond 13 de la cuve pour quitter celle-ci par la sortie de liquide 18, ou encore viennent frapper la paroi avant 14 endessous de la sortie de gaz 17 pour retomber vers le fond 13 de la cuve. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit représenté. On peut imaginer que la cuve soit prolongée vers l'arrière au-delà de l'ouverture 10 de communication avec le caisson 3 et que la chicane 19 s'étende jusque sous le bord arrière de l'ouverture 10 d'entrée du mélange diphasique. Ainsi dans la zone Z1, même les gouttelettes contenues dans la partie la plus postérieure de l'écoulement 22 auraient une occasion de se déposer sur la chicane dans la zone Z1. Le lobe 23, et plus particulièrement la zone Z2, se trouveraient dans une région où le dessus de la cuve est fermé. REVENDICATIONS 1. Dispositif de séparation liquide-gaz comprenant une cuve (8) présentant une entrée (10) de mélange diphasique (22), une sortie inférieure de liquide (18) et une sortie supérieure de gaz (17), caractérisé en ce qu'une chicane (19) placée entre l'entrée (10) du mélange en partie haute de la cuve et la sortie de gaz (17) définit pour l'écoulement un lobe (23) contournant un bord de détour (24) de la chicane (19), éloigné de la sortie de gaz (17) 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie de gaz (17) est placée sur une paroi avant {14) de la cuve (8). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en 15 ce que la sortie du liquide (18) est placée dans le fond (13) de la cuve (8) d'une manière décalée vers un côté (14) où se trouve la sortie de gaz (17). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la chicane présente une pente descendante 20 (Al) vers le bord de détour (24). 5. Dispositif selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que le bord de détour (24) présente un becquet (26) dirigé vers le haut. 6. dispositif selon la revendication 5, caractérisé en 25 ce que le becquet (26) est interrompu pour ménager au moins un passage de ruissellement (27) près d'une face intérieure de la cuve (8). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par au moins un passage de ruissellement (27) pour 30 le liquide séparé, adjacent à la chicane (19) et à une face intérieure de la cuve. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la chicane (19) présente une inclinaison latérale (A2). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la chicane (19) présente deux inclinaisons latérales (A2), chacune d'un sommet (28) de la chicane (19) vers une paroi latérale (12) de la cuve (8) . 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la sortie de gaz (17) est sous le sommet (28) de la chicane (19) 11. Dispositif selon l'un des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'entrée du mélange (10) est constituée par le dessus ouvert de la cuve. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est prévu une gouttière de ruissellement (31) formée à la jonction entre au moins un bord latéral (29) de la chicane (19) et une paroi (12) correspondante de la cuve (8). 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la cuve (8) a dans le plan horizontal une longueur (LL) et une largeur (LA) toutes deux comprises entre 500 mm et 4000 mm. 14. Echangeur thermique comprenant un caisson (3) dans lequel sont aménagés des trajets séparés pour deux fluides d'échange, caractérisé en ce que ce caisson (3) est fermé en partie basse par la cuve (8) d'un dispositif de séparation liquide-gaz (9) selon l'une des revendications 1 à 13.