Brevet FR2895788A1 — publié le 20070706

-1- ECHANGEUR DE CHALEUR A PLAQUES DU TYPE CONDENSEUR A DRAINAGE PREFERENTIEL Domaine technique L'invention se rattache au domaine technique des échangeurs de chaleur, et plus particulièrement des échangeurs utilisés en tant que condenseurs. Elle vise plus spécifiquement des condenseurs à reflux, c'est-à-dire des condenseurs dans lesquels le flux de gaz à condenser circule verticalement vers le haut, et dans lequel les condensats sont récupérés en bas de condenseur. Mais cette invention vise aussi les condenseurs à circulation de gaz verticale vers le bas, dans lesquels les condensats sont aussi récupérés en bas du condenseur. L'invention vise plus spécifiquement un agencement particulier permettant de limiter, voire d'éliminer les problèmes liés à l'engorgement du circuit de gaz par les condensats s'y écoulant. Techniques antérieures On connaît les avantages des condenseurs fonctionnant à reflux, c'est-à-dire les condenseurs dans lesquels le gaz à condenser arrive par le bas de l'appareil, et le liquide condensé descend par gravité pour sortir également par le bas de l'appareil. Dans ce type de condenseur, les condensats circulent à contre-courant du gaz à condenser, ce qui autorise une grande compacité de l'appareil, et lui confère une fonction de séparateur liquide/gaz. En pratique, ces condenseurs sont le plus souvent réalisés par un empilement des plaques adjacentes, qui sont juxtaposées pour définir alternativement le circuit de fluide à condenser et le circuit du fluide de refroidissement. En pratique, ces plaques sont agencées entre elles dans un bâti qui assure le maintien des différentes plaques les unes par rapport aux autres, et permet de définir les connexions avec les différents circuits de fluide. 2895788 -2- Un problème généralement constaté avec ce type de condenseurs résulte d'un engorgement du circuit de gaz à condenser. Ainsi, au fur et à mesure de sa condensation, le liquide qui s'écoule à l'intérieur du circuit du gaz s'accumule à l'intérieur du canal de circulation du gaz, et vient perturber l'écoulement ascendant de ce dernier. En effet, le liquide qui parvient au niveau du bord inférieur des plaques a tendance à y demeurer, tant que la quantité de liquide n'est pas suffisamment importante pour provoquer sa chute dans le fond du condenseur, puis son élimination par une canalisation appropriée. L'accumulation excessive du liquide au niveau des bords d'attaque des plaques provoque une diminution de la surface de passage disponible pour le gaz, et par conséquent une augmentation de la vitesse du gaz. Dans certains cas, cette vitesse devient suffisamment importante pour provoquer un certain entraînement par le gaz du liquide condensé. Le condenseur est alors engorgé, et perd ses performances. Ces phénomènes d'engorgement et de perturbations de l'écoulement à l'intérieur du circuit dépendent de la nature des flux en présence, mais également de la géométrie et de la topologie de l'écoulement dans les zones d'interaction du liquide et du gaz. On constate ainsi généralement qu'un début d'engorgement est provoqué par l'arrachement de gouttelettes de liquide du film présent sur la paroi des plaques qui est ainsi entraîné par le gaz ascendant. Ces problèmes se retrouvent aussi dans les condenseurs à flux descendant, mais dans une moindre mesure. Cependant le drainage du film liquide reste aussi important pour le bon fonctionnement du condenseur. Un des objectifs de l'invention est donc de limiter les phénomènes d'engorgement, et les perturbations d'écoulement en empêchant l'accumulation trop importante de liquide de condensats au niveau de la zone de sortie des condensats. 2895788 -3- Exposé de l'invention L'invention concerne donc un échangeur à plaques.. Cet échangeur comporte donc un circuit de gaz à condenser, défini entre plusieurs plaques adjacentes. Le gaz à condenser circule sensiblement verticalement dans ce circuit, et les condensats produits s'écoulent par gravité. Conformément à l'invention, le circuit de gaz à condenser comporte un bord inférieur qui présente des zones proéminentes vers le bas. Autrement dit, l'invention consiste à équiper la région de sortie des condensats de moyens qui permettent de diriger les condensats vers des zones prédéfinies, afin de favoriser leur évacuation de la plaque. On évite ainsi une trop forte accumulation des condensats, susceptible de générer un engorgement. Ces zones proéminentes assurent donc un drainage préférentiel du film de condensat, en formant des régions privilégiées de regroupement des condensats, et améliorant leur évacuation. La présence des zones proéminentes constitue donc des irrégularités de géométrie dans le bord inférieur des plaques, irrégularités au niveau desquelles les condensats s'écoulent de manière préférentielle. En pratique, la réalisation de ces zones proéminentes peut être faite de différentes manières, en fonction du type de plaques utilisées. Ainsi, dans une première forme de réalisation, il est possible de former les zones proéminentes en réalisant des pointes qui s'étendent vers le bas depuis le bord inférieur d'une plaque. Ces formes de pointes peuvent être réalisées par un élément additionnel, rapporté sur le bord inférieur d'une plaque, ou bien encore réalisées dans le profil de cette dernière. Les différentes pointes sont définies entre les zones qui ne sont pas horizontales, mais au contraire légèrement inclinées. Ce qui permet donc naturellement l'écoulement du flux liquide condensé en direction des points situés le plus bas verticalement sur le bord d'attaque. Plus la pente des différentes zones de ce bord inférieur est importante, plus le film de condensats aura tendance à 2895788 -4- s'écouler rapidement. Par exemple, une pente d'au moins 10 par rapport à l'horizontale permet d'obtenir de bons résultats. Dans une autre forme de réalisation, il est également possible que les zones proéminentes soient formées par des portions découpées dans le bord inférieur de la plaque. Ces portions découpées peuvent ainsi former l'arête à proprement parlé de chacune des plaques. Autrement dit, les zones caractéristiques sont donc réalisées par la forme des plaques elles-mêmes. En pratique, les plaques d'échangeurs comportent fréquemment des ondulations formées dans leur épaisseur. Ces ondulations forment des canaux qui sont eux-mêmes non pas rectilignes, mais forment des motifs, fréquemment en chevrons. Dans ce cas, il peut être avantageux que les zones proéminentes caractéristiques formées par les découpes du bord de plaque suivent les motifs d'ondulations des canaux présents sur la plaque. Autrement dit, dans le cas où les canaux réalisés sur la plaque ont des formes de chevrons, ces canaux sont présents jusqu'en bord de plaque, de manière à ce que les zones proéminentes caractéristiques sont formées par le canal le plus bas de la plaque et sont également en forme de chevrons. Les pointes inférieures de ces chevrons forment donc les extrémités proéminentes au niveau desquelles les condensats sont drainés pour s'évacuer vers le fond de l'échangeur. En pratique, les motifs des plaques, et donc les zones proéminentes caractéristiques peuvent se trouver soit décalées d'une plaque à l'autre, soit encore en regard d'une plaque adjacente à l'autre. Description sommaire des figures La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées dans lesquelles: 2895788 -5- La figure 1 est une vue schématique d'un condenseur de type à reflux réalisé conformément à l'invention. Les figures 2 et 3 sont des vues schématiques de plaques équipant les échangeurs conformes à l'invention. Manière de réaliser l'invention Comme déjà évoqué, l'invention concerne un échangeur à plaques.. Un tel échangeur (1), comme illustré à la figure 1 comporte un ensemble de plaques (2-5) disposées parallèlement, et définissant entre elles des circuits de circulation du fluide. Dans l'exemple illustré aux figures, le condenseur est un condenseur à reflux, avec donc une circulation du gaz vers le haut. Dans le cas d'un échangeur à circulation descendante, le gaz circulerait à l'inverse, de haut en bas. Entre certaines plaques adjacentes (2, 3 ; 4, 5), circule le gaz (10) chargé de condensats. Entre les autres plaques circule le fluide de refroidissement (11, 12) représenté schématiquement à la figure 1. En cheminant verticalement, le gaz (10) se condense au contact des canaux contenant le fluide de refroidissement. Les condensats (15) s'écoulent ensuite sur les plaques jusque dans le fond du condenseur, et sont évacués par une canalisation (17) d'évacuation des condensats (16). Selon une caractéristique principale de l'invention, tout ou partie des plaques (2-5) de l'échangeur présentent un bord inférieur (20) qui n'est pas rectiligne, mais au contraire présente une forme échancrée, de manière à délimiter des zones proéminentes (22) au niveau desquelles les condensats (15) viennent s'écouler préférentiellement. Dans la forme de la figure 2, les pointes (32) sont constituées par un élément additionnel (31) qui est installé au niveau du bord inférieur (33) de la plaque (30). La continuité entre la pièce additionnelle (31) et la surface de la plaque (30) est étudiée pour éviter toute accumulation de liquide qui viendrait initier le phénomène d'engorgement. Cet ensemble (31) de pointes peut également être 2895788 -6- réalisé par usinage, ou formage, ou découpe de la plaque (30) elle-même, pour faciliter l'écoulement. La géométrie et les dimensions des zones proéminentes formant les pointes peuvent être déterminées en fonction du type d'échangeur, et notamment des caractéristiques des fluides et des dimensions générales du bord inférieur. A titre d'exemple, des dents de forme triangulaire, d'une largeur mesurée horizontalement de l'ordre du centimètre, et d'une longueur de quelques centimètres, permettent d'obtenir un écoulement satisfaisant, dans la mesure où la majorité du film de condensats s'écoule, sans demeurer au niveau du bord inférieur de la plaque, et ainsi être susceptible de générer des phénomènes d'engorgement. D'autres formes peuvent être envisagées comme par exemple des triangles à extrémité arrondie ou au contraire découpée. Dans une autre forme de réalisation, illustrée à la figure 3, les plaques (40) utilisées présentent des canaux (41) formés par des ondulations de la surface de la plaque. De multiples formes et géométries d'ondulation sont envisageables, en fonction du type d'échangeur. Dans la forme illustrée, ces canaux (41) présentent des formes de chevrons. Dans ce cas, le bord inférieur (42) de la plaque présente également une forme de chevron, analogue à celle des canaux (41). Ainsi, les pointes (43) formées par les zones les plus basses des chevrons (41) constituent les zones proéminentes caractéristiques de l'invention, par lesquelles s'écoulent préférentiellement les condensats (45). Les pans inclinés (46) définissant les chevrons constituent des zones par lesquelles les condensats s'écoulent en direction des zones les plus proéminentes formant les pointes (43) des chevrons renforçant ainsi encore l'effet de drainage. 2895788 -7- Dans certains cas, les différentes plaques (40, 50) peuvent être séparées les unes des autres par des entretoises verticales (49), présentes au niveau des zones anguleuses (48) des chevrons. Ces entretoises ou languettes verticales (49) contribuent à l'écoulement des condensats qui sont ainsi conduits au niveau des zones les plus basses (43) des chevrons. En pratique, pour améliorer le coefficient d'échange thermique, il peut être avantageux, d'une plaque (40) à l'autre (50), d'assurer un décalage entre les motifs en chevrons. Dans ce cas, et comme illustré à la figure 3, les pointes (43) présentes au niveau du bord inférieur d'une première plaque (40) sont décalées par rapport aux pointes (55) de la plaque adjacente (50). Dans ce cas, les pointes (43, 55) formant gouttières sont localisées dans des zones situées à l'extérieur du canal de circulation du gaz, puisque les plaques (40, 50) ne sont pas strictement en regard à ce niveau. Dans ce cas, la vitesse de circulation du gaz est globalement plus faible qu'à l'intérieur du canal. De cette manière, dans la mesure où la vitesse du gaz est plus faible dans cette zone, on diminue encore le risque de voir des gouttelettes être arrachées du film de condensat, phénomène dont on sait qu'il engendre des risques d'engorgement. Ainsi, à titre d'exemple, pour un condenseur de 40 kW fonctionnant au voisinage de la pression atmosphérique, avec un mélange gazeux d'azote et d'isopropanol, et de l'eau glycolée comme liquide de refroidissement, on a obtenu une augmentation de la vitesse de gaz à partir de laquelle commence le phénomène d'engorgement de 15 %. Avec un mélange azote-hexane, l'augmentation est de 30 %. Il ressort de ce qui précède que l'invention présent un drainage préférentiel et localisé des condensats, et ce moyennant un nombre relativement limité d'opérations mécaniques d'usinage, ou de formage, ou de découpe du bord d'attaque. La limite d'engorgement s'obtient donc à des vitesses de gaz qui sont plus élevées que celles dans lesquelles les plaques présentent des bords inférieurs -8- rectilignes. Un tel gain permet de bénéficier de marges de fonctionnement plus grandes vis-à-vis de la limite d'engorgement, ou encore de gagner en compacité par réduction de la section de passage du gaz. REVENDICATIONS 1/ Echangeur de chaleur à plaques (1), de type condenseur, comportant un circuit de gaz (10) à condenser défini entre plusieurs plaques adjacentes (2-5), dans lequel le gaz à condenser (10) circule sensiblement verticalement, et dans lequel les condensats (15) produits s'écoulent par gravité au caractérisé en ce que le circuit de gaz à condenser comporte un bord de sortie des condensats (20) qui présente des zones proéminentes (22) vers le bas. 2/ Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones proéminentes forment des pointes (22) s'étendant depuis le bord inférieur d'au moins une des plaques. 3/ Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones proéminentes sont formées par des portions découpées dans le bord inférieur de la plaque. 4/ Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les portions découpées (43) suivent des motifs d'ondulations (41) présents sur la plaque. 5/ Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les portions découpées forment des motifs (43, 55) décalés d'une plaque (40) à une autre adjacente (50). 6/ Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les portions découpées forment des motifs en regard d'une plaque à une autre adjacente.. 7/ Echangeur selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les plaques sont séparées par des entretoises (49) posées à la verticale des parties basses des zones anguleuses d'au moins une plaque.