Brevet FR2907888A1 — publié le 20080502

La présente invention est relative à un procédé de réchauffement et éventuellement de vaporisation d'un liquide cryogénique dans un échangeur de chaleur et à un échangeur de chaleur adapté à opérer selon un tel procédé. En particulier elle concerne un procédé de réchauffement et éventuellement de vaporisation de gaz naturel liquéfié par échange de chaleur avec un fluide provenant d'une installation de séparation de gaz de l'air par distillation cryogénique. Pour réchauffer et vaporiser les liquides cryogéniques comme le gaz naturel liquéfié contre un fluide calorigène afin de récupérer les frigories, on a utilisé dans le passé soit : - une technologie consistant à enrouler sous forme de galettes un système de deux éléments allongés reliés entre eux par un ligament. L'élément allongés sont soudés ou dudgeonnés sur des collecteurs transversaux aux galettes ; - des échangeurs brasés ou soudés par diffusion à plaque et à ailettes ; - des échangeurs tubulaires bobinés. Ce type de procédé conduit à des écarts de température élevés dépassant 120 C, donc il y a un risque important d'endommagement du fait des contraintes élevées et de la fatigue thermomécanique qui en résulte. Les structures des échangeurs brasés sont particulièrement sensibles à ces contraintes. Dans le cas où on voudrait récupérer les frigories pour liquéfier des gaz de l'air, on veut absolument éviter une pollution accidentelle de l'azote ou de l'oxygène par un hydrocarbure. Les géométries tubulaires ne sont pas très efficaces thermiquement et conduisent souvent à un surdimensionnement coûteux. L'objet de l'invention est de proposer un procédé de réchauffement et éventuellement de vaporisation de liquide cryogénique utilisant un échangeur de chaleur qui pallie les défauts de l'art antérieur et plus généralement un procédé d'échange de chaleur qui évite de polluer le fluide calorigène qui transfère sa chaleur au liquide. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réchauffement et éventuellement de vaporisation de liquide cryogénique et de refroidissement et éventuellement de condensation d'un fluide calorigène dans un échangeur de chaleur constitué d'un empilement d'au moins deux élément allongés et d'au 2 2907888 moins une onde pliée, l'onde et les élément allongés étant de préférence brasés ou soudés par diffusion les uns avec l'autre, et dans lequel le liquide cryogénique à réchauffer circule à l'intérieur d'au moins un élément allongé et un fluide calorigène circule à l'intérieur d'un élément allongé adjacent. Les ondes jouent le rôle de : - retenir les éléments allongés entre eux -assurer le transfert thermique entre les éléments allongés - permettre le léger déplacement d'un élément allongé par rapport à l'autre L'onde doit avoir suffisamment de souplesse pour se déformer sous le déplacement différentiel des éléments allongés. A titre d'exemple on présente un calcul de rigidité pour déterminer la longueur d'ailette nécessaire pour que la déformation de ce dernier reste dans le domaine élastique. Coefficient de dilatation linéique : a Longueur d'élément allongé libre : L Différence de température entre élément allongés : AT Allongement différentiel : :=a L A T Longueur projetée de l'ailette : 1 Chargement équivalent : P Moment de flexion applicable : M Module d'Young : E Moment d'inertie de la section de l'ailette : I Distance à la fibre neutre pour la section d'ailette considérée : c Contrainte dans l'ailette: a Il vient donc que l'on peut exprimer à largeur donnée (dans le cas d'une ailette de section rectangulaire) une longueur minimale : P13 := '"' 3 E I c Re : Contrainte à la limite d'élasticité 'ailette j S•3•E•c Re 3 2907888 Le procédé selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le pliage des ondes est sensiblement parallèle à l'axe des éléments allongés ; - les éléments allongés et ondes sont en aluminium, pur ou allié ; - les éléments allongés et ondes sont en alliage à base de cuivre ; - les éléments allongés et ondes sont en alliage à base de fer ; - les éléments allongés sont oblongs et/ou aplatis ; - l'élément allongé a des canaux parallèles à l'intérieur comprenant des deux parois plates parallèles et des parois internes reliés aux deux parois plates et définissant les canaux parallèles ; - la surface d'échange à l'intérieur des éléments allongés est obtenue par pliage, par extrusion ou par des inserts de préférences brasés par exemple des ondes ; - les ondes sont perforées ; - les ondes sont droites ; - le liquide cryogénique a pour composant principal un hydrocarbure, par exemple du gaz naturel liquéfié ; - le fluide calorigène a pour composant principal de l'oxygène, de l'azote ou de l'argon, ou du CO2. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un échangeur de chaleur constitué d'un empilement d'au moins deux élément allongés et d'au moins une onde pliée, l'onde et les élément allongés étant de préférence brasés les uns avec l'autre, une conduite de distribution pour envoyer un liquide cryogénique à réchauffer, éventuellement à vaporiser, à l'intérieur d'au moins un élément allongé à une extrémité du élément allongé, une conduite collectrice pour recueillir le liquide cryogénique vaporisé à l'autre extrémité du élément allongé, des moyens pour envoyer un fluide calorigène à refroidir, éventuellement à condenser, à au moins un élément allongé adjacent et une conduite pour collecter le fluide calorigène. Le pliage des ondes est de préférence sensiblement parallèle à l'axe des éléments allongés. Les avantages de cette façon d'opérer sont multiples : 4 2907888 1) La production des échangeurs pourra bénéficier des infrastructures disponibles pour la production des cryogéniques de type BAHX suivant code ALPEMA permettant une diminution très substantielle du coût et délais de développement industriel et de fabrication de ces échangeurs. 2) Cette technologie permettra aussi d'offrir d'autres alternatives au niveau des matériaux. Certes, l'aluminium restera une possibilité mais des échangeurs en cuivre/bronze ou en aciers inoxydables seront possibles à réaliser. Il est intéressant d'avoir de la surface supplémentaire à l'intérieur des éléments allongés : inserts, ondes brasées (ou non), pliages, extrusion... (brevet US-A-6241012, publication Design Innovations). La surface complémentaire à l'intérieur des éléments allongés sera optimisée en fonction du fluide traité : par exemple dans le cas d'un échange entre un fluide GNL à 75 bars et un azote à basse pression, les ailettes internes relatives au GNL seront plus massives que celles relatives à l'azote. On pourra, de même, en jouant sur la densité des ailettes, modifier le coefficient d'échange relatif et contrôler la température des parois du élément allongé, de façon à les minimiser donc aussi à minimiser les allongements différentiels. Des modes particuliers de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la Figure 1 est une vue en coupe, dans un plan vertical, d'un empilement de tubes et d'ondes d'un échangeur de chaleur selon un troisième mode de réalisation; et - les Figures 2 et 3 sont des vues en perspective, à plus grande échelle et selon la même direction, d'une variante simplifiée de l'échangeur représenté sur la Figure 1, - les Figures 4 et 5 sont des vues en perspective, à plus grande échelle et selon la même direction, d'un échangeur selon l'invention. Sur la Figure 1, on a illustré une forme de réalisation d'un empilement de tubes et d'ailettes, adaptées pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Dans cet empilement, les tubes 203 sont également des tubes de section allongée transversalement, à faces opposées planes et parallèles. Leur volume intérieur est cependant divisé en une pluralité de canaux longitudinaux 203A 5 2907888 parallèles, séparés par des parois planes 23 parallèles entre elles, ici verticales. Le diamètre hydraulique de ces canaux est typiquement entre 0,5mm et 2 mm. Ils peuvent être munis d'ailettes internes pour faciliter le transfert de chaleur. Ainsi, une partie de la surface d'échange se trouve à l'intérieur des tubes 203. Les parois 23 peuvent être vêtues de matière avec les parois extérieures du tube 203, par exemple par extrusion, ou encore être constituées d'inserts, de préférence brasés. Ces inserts peuvent être très similaires aux ailettes 17. Dans l'exemple représenté, chaque couche de tubes est constituée de deux tubes parallèles adjacents agencés dans un même plan. Eventuellement, une paroi 204 entoure les tubes 203 et les ailettes 17 de manière à rendre l'échangeur étanche vis-à-vis de son environnement. Cette paroi peut être brasée sur les tubes 203 ou simplement cerclée autour des tubes 203. Dans la forme de réalisation de la Figure 1, le gaz naturel liquéfié à vaporiser circule dans les canaux 203A des éléments allongés 203 et un gaz provenant d'un appareil de séparation d'air circule dans les canaux 203A' des éléments allongés 203'. Le tapis formé par les ailettes 17 est ici de forme rectangulaire mais pourrait être de forme trapézoïdale (si les deux éléments allongés n'ont pas la même largeur). Les ailettes peuvent avoir un profil variable. A la Figure 2, on a représenté un tronçon d'une partie d'une variante simplifiée échangeur 201 de la Figure 1, constituée de deux élément allongés 203, 203' consécutifs, et d'une ailette ondulée 17 ménagée entre ces deux élément allongés. Comme cela est apparent sur cette Figure, l'élément allongés 3 ont une section courante, dans le plan vertical XY, de forme allongée transversalement, suivant l'axe X, de sorte qu'ils possèdent chacun deux faces opposées sensiblement planes et parallèles. En d'autres termes, l'élément allongés 3 ont une section oblongue suivant l'axe transversal X, et de forme aplatie. L'ailette 17 est ondulée selon une direction d'ondulation ou de pliage Y, perpendiculaire à l'axe longitudinal des éléments allongés 3. L'ailette 17 est fixée 6 2907888 à l'élément allongés 3, de préférence par brasage, au niveau de ses sommets 19. Cette opération de brasage peut être concomitante au brasage des éléments allongés 3 sur les colonnes 5,7. Les ailettes 17 peuvent être de tout type adapté, par exemple de l'un parmi les types suivants, couramment utilisés dans les échangeurs de chaleur à plaques, à savoir : les ailettes perforées, droites, Les ailettes 17 peuvent avoir, en section dans le plan YZ, une forme sinusoïdale, en créneau, ou triangulaire, ou encore présenter tout autre type adapté de motif géométrique. Les jambes des ailettes peuvent avoir des pliures pour les rendre plus souples. Le diamètre hydraulique des canaux formés par les ailettes 17 est typiquement entre 100 pm et 10 mm. Ces ailettes peuvent être en tôles pleines, en tôles perforées, tôles feuilletées (performances en souplesse). Les éléments allongés 3 et les ailettes 17 peuvent être réalisés en aluminium pur ou allié. En variante, les tubes 3 et les ailettes 17 peuvent être réalisées en alliage à base de cuivre. En autre variante, les tubes 3 et les ailettes 17 peuvent être réalisées en alliage à base de fer. Dans l'exemple de la Figure 3, le volume intérieur délimité par chaque tube est divisé en deux longitudinalement. Pour cela, le tube 203 a sa face supérieure découpée suivant une ligne longitudinale médiane, les deux bords 21, 22 séparés par cette ligne étant rabattus vers l'intérieur du tube et soudés sur la paroi inférieure. Les bandes ainsi rabattues sont jointives et forment une double paroi de séparation entre les deux compartiments longitudinaux 203A, 203B ainsi définis. Ces compartiments sont appelés canaux. Le soudage des bords 21, 22 sur la paroi inférieure peut par exemple être réalisée au laser. Un échangeur de chaleur constitué à partir de tubes de ce type est susceptible de mieux résister à la pression du fluide circulant dans les canaux 203A, 203B car de dimension plus réduite que le tube 3. Une telle conception 7 2907888 peut être utilisée pour générer un nombre de canaux supérieur à 2, comme on voit dans la Figure 1. Il sera aisément compris que les tubes de liquide cryogénique et les tubes de fluide calorigène peuvent être différents de par leur forme (par exemple leur largueur), leur matériau, leur nombre de canaux, leur dimension de canaux, leur forme de canaux etc. De même les tubes peuvent d'être d'un matériau différent de celui des ondes, pour autant qu'ils puissent être brasés ensemble. En particulier, l'invention s'applique au cas où du gaz naturel liquéfié contenant 90% de méthane rentre dans l'échangeur selon l'invention à 75 bars et -160 C et sort à -110 C en forme monophasique, puisque sa pression est supercritique. Le gaz calorigène est de l'azote à 35 bars qui rentre à 10 C et sort à -150 C. Etant également supercritique, le gaz ne se condense pas. La Figure 4 montre un échangeur similaire à celui des Figures 2 et 3 mais permettant l'échange de chaleur entre trois fluides différents A,B,C. On a représenté un tronçon d'un échangeur constituée de trois tubes 203, 204, 205 consécutifs, et de deux ailettes ondulées 17 ménagée entre chaque paire de tubes. Comme cela est apparent sur cette Figure, les tubes 3 ont une section courante, dans le plan vertical XY, de forme allongée transversalement, suivant l'axe X, de sorte qu'ils possèdent chacun deux faces opposées sensiblement planes et parallèles. En d'autres termes, les tubes 3 ont une section oblongue suivant l'axe transversal X, et de forme aplatie. L'ailette 17 est ondulée selon une direction d'ondulation ou de pliage Y, perpendiculaire à l'axe longitudinal des tubes 3. L'ailette 17 est fixée aux tubes 3, de préférence par brasage, au niveau de ses sommets 19. Cette opération de brasage peut être concomitante au brasage des tubes 3 sur les colonnes 5,7. Chaque tube comprend cinq canaux et est alimenté par un fluide différent de celui qui alimente le tube adjacent. La Figure 5 montre l'échangeur similaire à celui de la figure 4 avec des conduites d'amenée de fluide 3,4,5, chacune des quelles alimente un élément allongé 203,204,205 respectivement avec un fluide A,B ;C. Ici les éléments 8 2907888 allongés sont constitués par des canaux reliés entre eux par des parois plats, à la différence de la Figure 4. 9 REVENDICATIONS 1. Procédé de réchauffement et éventuellement de vaporisation d'un liquide cryogénique dans un échangeur de chaleur (201) constitué d'un empilement d'au moins deux élément allongés (203, 203', 204 ,205) et d'au moins une onde pliée (17), l'onde et les élément allongés étant de préférence brasés les uns avec l'autre, et dans lequel le liquide cryogénique, circule à l'intérieur d'au moins un élément allongé (203), et un fluide calorigène à refroidir, éventuellement à condenser, circule à l'intérieur d'au moins un élément allongé adjacent (203', 204, 205). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le pliage des ondes (17) est sensiblement parallèle à l'axe de l'élément allongé (203). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'élément allongés (203, 203') et ondes (17) sont en aluminium, pur ou allié. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'élément allongés (203, 203') et ondes (17) sont en alliage à base de cuivre. 5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'élément allongé (203, 203') et les ondes (17) sont en alliage à base de fer. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les éléments allongés (203, 203') sont constitués par des tubes oblongs et/ou aplatis. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les ailettes sont élastiques dans le sens de l'élément allongé. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une partie de la surface d'échange (23) soit à l'intérieur des éléments allongés (203, 203', 204, 205). 10 2907888 9. Procédé selon lâireventâication 7 dans lequel au moins un élément allongé (203, 203',204, 205) contient des canaux ayant un diamètre hydraulique d'entre 0,5mm et 2mm. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la surface d'échange à l'intérieur des éléments allongés (203, 203', 204, 205) est obtenue par pliage, par extrusion ou par des inserts de préférences brasés. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les ondes (17) sont perforées ou droites. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide cryogénique circule à l'intérieur d'au moins un élément allongé (203, 203', 204, 205) selon une direction verticale descendante. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide cryogénique a pour composant principal un hydrocarbure. 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide calorigène a pour composant principal de l'oxygène, de l'azote ou de l'argon. 15. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide calorigène est un gaz dérivé de l'air à condenser. 16. Echangeur de chaleur constitué d'un empilement d'au moins deux élément allongés (203, 203') et d'au moins une onde pliée (17), l'onde et les élément allongés étant de préférence brasés les uns avec l'autre, une conduite de distribution pour envoyer un liquide cryogénique, à réchauffer, éventuellement à vaporiser, à l'intérieur d'au moins un élément allongé (203) par une extrémité du élément allongé, une conduite collectrice pour recueillir le liquide cryogénique 11 2907888 vaporisé à l'autre extrémité de l'élément allongé, des moyens pour envoyer un fluide calorigène à refroidir, éventuellement à condenser, à au moins un élément allongé adjacent (203', 204, 205) et une conduite pour collecter le fluide calorigène. 17. Echangeur de chaleur selon la revendication 15 caractérisé en ce que le pliage des ondes (17) est sensiblement parallèle à l'axe des éléments allongés (203, 203', 204, 205).