Brevet FR2903768A1 — publié le 20080118

Appareil de traitement de fluides et son utilisation. La présente invention a pour objet un appareil de traitement de fluides dans lequel un échange thermique intervient entre deux fluides circulant dans des canaux ainsi que l'utilisation d'un tel appareil pour un échange thermique ou une réaction exothermique ou endothermique se produisant à l'intérieur de l'appareil. De tels appareils qui peuvent être par exemple des échangeurs de chaleur ou des réacteurs, sont dimensionnés pour un fonctionnement nominal à plein régime ou à pleine charge. Ils sont donc souvent surdimensionnés pendant des phases de démarrage ou de faible charge, en raison des faibles débits de fluides qui les traversent et/ou des températures desdits fluides. Il en résulte des difficultés de montée en température lors des phases transitoires et plus particulièrement au démarrage, pendant lesquelles le rendement énergétique de l'appareil de traitement est relativement faible. Pour résoudre ce type de difficultés, on peut prévoir des circuits de dérivation capables de by-passer une partie de l'appareil lors d'une phase de démarrage en attendant une montée en température convenable de l'un au moins des fluides traversant l'appareil. Lorsque les conditions optimales sont atteintes, le parcours nominal des fluides est alors établi. On peut également envisager de limiter le débit traversant l'appareil au moyen de vannes commandées ou de vannes thermostatiques, généralement appelées calorstat , associées à un by-pass, par exemple sur les circuits de refroidissement des véhicules automobiles. Une telle solution, si elle permet d'adapter le débit du fluide traversant l'appareil de traitement, tel que le radiateur du 2903768 2 véhicule automobile, ne permet pas de modifier la surface d'échange selon le fonctionnement. Le brevet Russe 2 233 413 propose, pour modifier la surface d'échange thermique d'un échangeur de chaleur, d'ajouter ou de retirer 5 des éléments. Une telle modification ne peut s'effectuer qu'à l'arrêt et après refroidissement complet du système. De plus, cette modification exige un démontage complet de l'échangeur. La présente invention a pour objet de permettre une adaptation en continu et en cours de fonctionnement de la surface d'un appareil 10 de traitement de fluides, selon le fonctionnement de l'appareil. L'invention a également pour objet un appareil qui puisse être aisément adapté à des phases transitoires ou des phases de démarrage. Dans un mode de réalisation, un appareil de traitement de fluides dans lequel un échange thermique intervient entre deux fluides 15 circulant dans des canaux séparés par des cloisons internes, comprend des moyens pour limiter le débit de passage d'au moins un des fluides dans une partie des canaux en fonction d'au moins un paramètre d'état dudit fluide. Il devient alors possible, non seulement d'adapter le débit d'un 20 fluide mais également de réguler la surface d'échange thermique ou d'échange réactionnel à l'intérieur de l'appareil en fonction du paramètre d'état précité qui peut être par exemple la température du fluide, sa pression, sa vitesse d'écoulement, l'état d'avancement d'une réaction ou tout autre paramètre pertinent. 25 De préférence, lesdits moyens sont capables de limiter le débit de passage des deux fluides dans deux parties des canaux. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à un découpage de l'appareil en deux parties. Au contraire, le découpage peut être réalisé 2903768 3 en une pluralité de parties de façon à adapter plus finement le débit de passage des fluides dans l'appareil. Lesdits moyens de limitation de passage peuvent comprendre au moins un calorstat monté dans une conduite d'entrée ou de sortie 5 d'un fluide et sensible à la température dudit fluide. Dans une variante, lesdits moyens peuvent comprendre au moins une vanne commandée. Selon un autre mode de réalisation, lesdits moyens de limitation de passage peuvent comprendre au moins un organe mobile 10 monté à l'intérieur de l'appareil et actionné depuis l'extérieur, ledit organe mobile étant capable d'obturer partiellement ou totalement l'entrée ou la sortie d'une partie des canaux. Un tel organe mobile peut être un piston mobile en translation sous l'action d'un moteur d'entraînement extérieur à l'appareil. 15 Le piston mobile peut être entraîné par une tige mobile en translation ou par une tige rotative. Pour des raisons d'étanchéité, l'organe mobile peut être isolé de l'extérieur par une interface étanche ou par un couplage magnétique. Un autre aspect de l'invention concerne l'utilisation d'un 20 appareil tel que décrit précédemment pour réaliser un échange thermique entre deux fluides ou encore une réaction exothermique ou endothermique sur au moins l'un des deux fluides. L'appareil peut être utilisé à poste fixe industriel ou domestique ou embarqué par exemple dans un véhicule automobile. 25 L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : 2903768 4 -la figure 1 illustre schématiquement un premier mode de réalisation d'un appareil selon l'invention, comportant deux compartiments séparés et muni de calorstats ; -la figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième 5 mode de réalisation d'un appareil selon l'invention, comportant également deux compartiments séparés et muni cette fois de vannes commandées ; -la figure 3 illustre un autre mode de réalisation appliqué à un échangeur à plaques dans lequel les moyens de limitation de débit 10 comprennent un organe mobile, la figure représentant l'organe mobile dans une première position ; et -la figure 4 illustre le même appareil que la figure 3 dans une autre position de l'organe mobile. Tel qu'il est illustré sur la figure 1, l'appareil de traitement 15 selon l'invention, référencé 1 dans son ensemble, est divisé en deux sous-parties, notées A et B, par une cloison interne 2. Dans chacune des sous-parties A et B, un fluide peut circuler dans des canaux séparés par des cloisons internes, non représentées sur la figure. Ces canaux peuvent être des canaux tubulaires ou des canaux délimités par 20 des plaques, de façon à assurer un échange thermique ou à permettre une réaction exothermique ou endothermique avec transfert de calories d'un premier fluide vers un deuxième fluide. Le premier fluide est amené par une conduite d'entrée 3 à l'intérieur de la première sous-partie A. Ce premier fluide s'échappe de la sous-partie A par une 25 conduite de sortie 4. Le même fluide pénètre également par une conduite d'entrée 5 dans la deuxième sous-partie B de l'appareil 1 avant de ressortir par une conduite de sortie 6 qui est reliée à la conduite de sortie 4. Une vanne thermostatique ou un calorstat 7 sensible à la température du 2903768 5 fluide qui s'écoule dans la conduite d'entrée, est monté dans la conduite d'entrée 5. Un deuxième fluide capable d'échanger des calories avec le premier fluide est amené par une conduite d'entrée 8 sur les entrées 5 respectives des deux sous-parties A et B. Ce deuxième fluide sort par une conduite de sortie 9 de la première sous-partie A et par une conduite de sortie 10 de la deuxième sous-partie B. Dans la conduite de sortie 10, est monté un calorstat 11 ou une vanne thermostatique analogue. 10 Dans l'exemple illustré, les deux fluides peuvent traverser les deux sous-parties A et B de l'appareil 1 à contre-courant et échanger des calories entre eux. Les deux calorstats 7 et 11 sont montés respectivement à l'entrée du premier fluide sur la conduite 5 qui amène à la deuxième 15 sous-partie B et à la sortie 10 du deuxième fluide issu de cette même sous-partie B. Les deux calorstats 7 et 11 sont ainsi capables d'autoriser ou de bloquer la circulation des deux fluides dans la sous-partie B de l'appareil de traitement 1. Les calorstats sont des dispositifs totalement passifs qui ne nécessitent pour leur 20 fonctionnement ni énergie ni commande externe. En dessous de la température nominale de fonctionnement, la circulation des deux fluides n'est autorisée par les deux calorstats 7 et 11 que dans la sous-partie A de l'appareil 1, afin d'optimiser énergétiquement la montée en température du système. La surface d'échange se trouve réduite, 25 puisque seule la surface d'échange de la sous-partie A est utilisée et la vitesse des fluides traversant l'appareil est accrue. Toutefois, les calorstats 7 et 11 exigent, pour leur bon fonctionnement, un écoulement de fluide permanent afin de dilater un bulbe de cire qui est monté à l'intérieur de ces dispositifs et qui 2903768 6 permet leur ouverture ou leur fermeture en fonction de la température du fluide qui les traverse. Un débit de fuite est donc généré à travers les deux calorstats 7 et 11, même dans leur position complètement fermée. Ce débit de fuite permet d'obtenir une lente montée en 5 température de la sous-partie B de l'appareil de traitement 1. Au-delà du seuil de température prévu, les calorstats 7 et 11 s'ouvrent progressivement jusqu'à pleine ouverture afin d'atteindre les conditions nominales de fonctionnement. On comprendra que l'appareil de la figure 1, qui ne comporte 10 que deux sous-parties séparées par une cloison interne 2, pourrait comporter une pluralité de sous-parties séparées chacune par des cloisons internes appropriées avec une pluralité de calorstats. En fonction du découpage, il est donc possible de maîtriser, en fonction de l'application souhaitée, l'adaptation de l'appareil de traitement aux 15 conditions de fonctionnement. Les calorstats équipant l'appareil illustré sur la figure 1 présentent cependant une précision relativement faible, de l'ordre de quelques degrés Celsius. Dans la variante de la figure 2, sur laquelle les éléments 20 identiques portent les mêmes références, les calorstats 7 et 11 ont été remplacés par des vannes commandées. Deux vannes commandées 12 et 13 sont montées sur les conduites d'entrées respectives 3 et 5 du premier fluide dans les sous-parties A et B. Deux autres vannes commandées, 14 et 15, sont montées dans 25 les conduites de sorties respectives 9 et 10 du deuxième fluide issu des deux sous-parties respectives A et B de l'appareil de traitement 1. Il est possible de commander les quatre vannes précitées, indépendamment de la température des fluides qui traversent l'appareil de traitement 1. C'est ainsi que l'alimentation des différentes sous- 2903768 7 parties A et B de l'appareil de traitement 1 peut être pilotée en fonction de paramètres de fonctionnement autres que la température, tels que la pression, la vitesse d'écoulement des fluides ou encore l'avancement d'une réaction se déroulant à l'intérieur de l'appareil de 5 traitement 1. Ce mode de réalisation nécessite l'utilisation d'un dispositif de commande non représenté sur la figure 2, alimenté en énergie, et permet un pilotage plus fin et parfaitement adapté selon les applications. 10 Afin de réduire les coûts, selon les pertes de charge et la structure des vannes 13 et 15, qui sont montées respectivement sur l'une des entrées et l'une des sorties de la sous-partie B de l'appareil 1, on peut envisager de supprimer les autres vannes 12 et 14 ou de les remplacer par des restrictions calibrées. 15 On peut également envisager de disposer des vannes sur les sorties 4 et 6 du premier fluide et/ou sur les entrées 8 du deuxième fluide. Le mode de réalisation illustré sur les figures 3 et 4 montre un appareil référencé 16 dans son ensemble, réalisé sous la forme d'une 20 échangeur à plaques 17. Un premier fluide, symbolisé par la flèche 18, pénètre dans l'appareil par une tubulure d'entrée 19, traverse des canaux définis entre les plaques 17, pour sortir de l'appareil 16 par une tubulure de sortie 20. Un deuxième fluide, non illustré sur les figures, s'écoule 25 également dans des passages entre les plaques 17, par exemple dans une direction perpendiculaire au plan de la figure. Un organe mobile 21, réalisé sous la forme d'un piston 22, entraîné par une tige 23, peut être mis en translation à l'intérieur de l'appareil 16 au moyen d'un moteur extérieur 24. Le piston 22 peut se 2903768 8 déplacer dans un collecteur d'admission 25 de l'appareil 16, de façon à obturer le passage du fluide 18 vers un certain nombre de passages d'écoulement entre les plaques 17. Dans la position illustrée sur la figure 3, le piston 22 est dans une position où il laisse un seul passage 5 entre deux plaques 17. Au contraire, dans la position illustrée sur la figure 4, le piston 22 s'est déplacé vers la droite sur la figure, libérant ainsi plusieurs passages pour le fluide 18 entre plusieurs plaques 17. Le moteur 24 permet de faire coulisser la tige 21 au travers de la paroi frontale 26 de l'appareil 16 et de placer le piston 22 dans une 10 position appropriée à l'intérieur du collecteur d'admission 25, et ce en fonction d'un paramètre d'état de ce fluide ou de tout autre paramètre de fonctionnement de l'appareil. Si l'échangeur à plaques 16 comporte N canaux, le déplacement du piston 22 permet une variation du nombre de canaux mis à 15 disposition, de 0 à N. Dans ce mode de réalisation, il est donc possible d'obtenir une variation des conditions de fonctionnement canal par canal. Le guidage du piston 22 à l'intérieur de l'appareil peut être assuré par tous moyens appropriés. En particulier, des moyens d'étanchéité peuvent être prévus autour du piston 22 et à l'endroit de 20 la traversée de la paroi 26 par la tige 23. Il est également possible de prévoir un débit de passage calibré à travers le piston 2 ou autour du piston 2, afin d'assurer une montée en température lente de la partie de l'appareil 16 qui n'est pas traversée par le flux principal. 25 Dans le cas illustré sur les figures 3 et 4, où l'on souhaite réguler les échanges uniquement sur l'un des fluides, un seul piston 22 sur ledit fluide est utilisé. Si, au contraire, on souhaite réguler les échanges également sur l'autre fluide, on peut utiliser un deuxième piston monté dans le collecteur d'admission du deuxième fluide. 2903768 9 Dans ce dernier cas, les deux pistons peuvent éventuellement être couplés mécaniquement au même actionneur. La tige d'actionnement du piston 22 peut être déplacée en translation ou au contraire être rotative et actionnée par un système à 5 vis. Les échanges thermiques dans l'appareil entre les fluides peuvent être de type co-courant, contre-courant ou croisés. L'appareil, selon la présente invention, peut être utilisé pour des échanges thermiques entre deux gaz, entre un gaz et un liquide ou 10 entre deux liquides. L'appareil peut également être utilisé sous forme d'un réacteur à l'intérieur duquel se déroulent des réactions diverses, telles que des réactions de reformage, des réactions de gaz à l'eau, des réactions d'oxydation partielle, des réactions de déshydrogénation avec combustion ou avec un fluide caloporteur. 15 L'appareil jouant le rôle de réacteur et simultanément d'échangeur thermique, peut être alimenté d'un côté en combustible gazeux, et de l'autre en combustible hydrogéné. Le premier fluide permet de réaliser une réaction exothermique de combustion, qui peut être catalytique. Le second fluide est soumis à une réaction 20 endothermique de reformage ou de déshydrogénation. L'appareil peut permettre le chauffage de fluide, alors le second fluide est un fluide caloporteur liquide, biphasique ou gazeux. Lors du démarrage, seule une partie réduite de l'appareil est mise à disposition de l'écoulement des fluides, ce qui permet de 25 monter uniquement en température une partie de l'appareil en réduisant son inertie thermique. Le seuil minimal de température pour un fonctionnement nominal du système peut ainsi être rapidement atteint. La surface d'échange mise à disposition au sein de l'appareil, peut ensuite être augmentée en fonction de la montée en température 2903768 10 de l'appareil ou de tout autre paramètre pertinent. Les pertes thermiques sont ainsi réduites. REVENDICATIONS 1-Appareil de traitement de fluides dans lequel un échange thermique intervient entre deux fluides circulant dans des canaux séparés par des cloisons internes, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens (7, 11) pour limiter le débit de passage d'au moins un des fluides dans une partie (A, B) des canaux en fonction d'au moins un paramètre d'état dudit fluide. 2-Appareil selon la revendication 1 dans lequel lesdits moyens sont capables de limiter le débit de passage des deux fluides dans deux parties des canaux. 3-Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel lesdits moyens comprennent au moins un calorstat monté dans une conduite d'entrée ou de sortie d'un fluide et sensible à la température dudit fluide. 4-Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel lesdits moyens comprennent au moins une vanne commandée (12-15). 5-Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel lesdits moyens comprennent au moins un organe mobile (22) monté à l'intérieur de l'appareil et actionné depuis l'extérieur, ledit organe mobile étant capable d'obturer l'entrée ou la sortie d'une partie des canaux. 6-Appareil selon la revendication 5 dans lequel l'organe mobile est un piston mobile en translation sous l'action d'un moteur d'entraînement extérieur à l'appareil. 7-Appareil selon la revendication 6 dans lequel le piston mobile est entraîné par une tige mobile en translation. 8-Appareil selon la revendication 6 dans lequel le piston mobile est entraîné par une tige rotative. 2903768 12 9-Utilisation d'un appareil selon l'une des revendications précédentes à un échange thermique entre deux fluides. 10-Utilisation d'un appareil selon l'une des revendications 1 à 8 à une réaction exothermique ou endothermique sur au moins l'un des 5 deux fluides.