Brevet FR2929392A1 — publié le 20091002

La présente invention concerne le domaine de la conception et de la réalisation de systèmes d'échange thermique pour le traitement thermique de fluides, et notamment le domaine des échangeurs à plaques pour le traitement de fluides hétérogènes. L'invention se rapporte plus particulièrement à un dispositif d'homogénéisation d'un flux d'entrée d'un dit fluide dans un tel échangeur à plaques. Dans le domaine ci-dessus, il a été constaté par les utilisateurs d'échangeurs thermiques à plaques soudées que le traitement de certains fluides, notamment des fluides hétérogènes tels que des mélanges gaz-liquide ou des mélanges liquide-solide, procure de très faibles rendements et surtout des usures rapides et prématurées des faisceaux de plaques de l'échangeur, engendrant des arrêts de production pour réparer ou remplacer les échangeurs fréquemment, et donc un surcoût important d'exploitation. Ces phénomènes, particulièrement rencontrés dans le domaine de l'hydrométallurgie pour le refroidissement des boues minérales, ont été explorés par la Déposante pour en comprendre les causes. Les études menées ont ainsi démontré que les phénomènes d'usures et de mauvais rendements rencontrés étaient essentiellement dus à une mauvaise distribution des veines fluides à traiter au niveau de la chambre d'admission des échangeurs, avec notamment, dans les cas de traitements de produits visqueux et/ou hétérogènes, des concentrations de matières localisées sur la surface d'entrée du faisceau de plaques de l'échangeur, engendrant des pertes de charges importantes ainsi que l'usure précoce du faisceau dans ces zones localisées. Il convient aussi de noter que l'angle d'incidence des veines fluides au droit de l'entrée des chambres d'échange revêt une importance fondamentale quant au développement rapide de zones érodées ponctuelles pouvant atteindre rapidement de grosses dimensions. La présente invention à pour objectif de résoudre ces problèmes liés à une mauvaise répartition d'un fluide à l'entrée d'un échangeur à plaques dans le cadre notamment de traitement de fluides hétérogènes, cette 2 2929392 mauvaise répartition du fluide pouvant elle-même être générée par un mauvais agencement de la tuyauterie et/ou de la tubulure des organes d'admission en amont du faisceau. Un autre objectif de l'invention consiste à procurer une solution aux 5 problèmes évoqués ci-avant qui soit économe et simple de réalisation et d'utilisation. Un autre objectif de l'invention consiste à procurer une solution aux problèmes évoqués ci-avant qui ne nécessite pas ou peu de modifications sur les échangeurs à plaques existants. 10 Les différents objectifs de l'invention sont atteints grâce à un dispositif d'homogénéisation d'un flux de matière, en particulier de veines fluides, à l'entrée d'un échangeur à plaques, ledit dispositif étant conçu et adapté pour être disposé dans la chambre d'admission d'un dit échangeur à plaques, et ce de préférence contre le faisceau de plaques dudit échangeur. Ce dispositif 15 est composé d'une plaque, d'épaisseur suffisante pour résister à la pression du flux de matière, percée d'orifices, de préférence circulaires, répartis uniformément sur toute la surface de ladite plaque et générant une distribution uniforme et parallèle des veines fluides sur la surface d'entrée du faisceau de l'échangeur à plaques. 20 Un tel dispositif d'homogénéisation présente l'avantage, lorsqu'il est introduit dans la chambre d'admission d'un échangeur à plaques, de ré-accélérer, re-mélanger, distribuer et guider les veines fluides vers le faisceau de l'échangeur à plaques. Par l'introduction du dispositif de l'invention à l'entrée d'un échangeur à plaques, les angles d'attaque des veines fluides au 25 droit de l'entrée du faisceau de l'échangeur sont donc réduits au minimum. Ainsi, le fluide traversant les perforations du dispositif présente un débit uniforme et parallèle au sortir des dites perforations et donc à l'entrée du faisceau de plaques de l'échangeur. De plus, le fluide à traiter ne risque plus de se concentrer sur quelques 30 endroits de la surface du faisceau ni d'impacter celui-ci violemment, mais est réparti uniformément sur toute la section grâce à des perforations judicieuses réalisées dans le dispositif d'homogénéisation. 3 2929392 Les premiers essais menés ont ainsi permis de démontrer une réduction des pertes de charges et des phénomènes d'usures au niveau des faisceaux de plaques lorsque le dispositif de l'invention est introduit dans la chambre d'admission d'un échangeur. 5 Conformément à une première caractéristique préférée du dispositif de l'invention, la superficie totale des orifices représente entre 35% et 45% de la surface totale de la plaque perforée, et, de préférence, sensiblement 40%. De plus, conformément à une autre caractéristique préférée de l'invention, le diamètre des orifices de la plaque perforée est compris entre 10 20 et 30 mm, de préférence sensiblement égal à 25 mm. Toujours selon l'invention, il est également avantageux que les orifices soient arrangés sur la surface de la plaque selon un pas triangulaire. Dans un mode de réalisation privilégié, la plaque perforée du dispositif de l'invention est constituée de métal et formée de matière ou fixée sur un 15 cadre de renforcement et de calage dans la membrure d'entrée de la chambre d'admission d'un échangeur à plaques. De préférence, la plaque métallique perforée du dispositif de l'invention est renforcée sur une face dorsale par des raidisseurs positionnés symétriquement par rapport au moins à un plan transversal médian du 20 dispositif. Dans ce mode de réalisation, le cadre de renforcement et les raidisseurs fixés sur la plaque perforée sont de préférence encore formés d'une même pièce métallique moulée ou forgée, et constituée par exemple d'acier. En variante, raidisseurs et cadre de renforcement peuvent également être réalisées à partir de tôles mécano-soudées. 25 Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, une forme préférée de réalisation du dispositif de l'invention et parmi lesquelles : - la figure 1 représente en perspective le dispositif d'homogénéisation 30 de la présente invention ; - la figure 2 représente une vue arrière du dispositif de la figure 1 ; - la figure 3 représente une coupe selon l'axe III-III sur la figure 2 ; 4 2929392 - la figure 4 représente un échangeur à plaques avec en éclaté le dispositif d'homogénéisation de l'invention de la figure 1 dans la chambre d'admission dudit échangeur, - la figure 5 est une vue analogue à la figure 4 avec le dispositif 5 d'homogénéisation de l'invention en position d'utilisation dans la chambre d'admission de l'échangeur à plaques ; - la figure 6 est une vue analogue aux figures 4 et 5 sur laquelle l'échangeur est fermé en configuration d'utilisation avec les chambres d'admission et d'extraction de l'échangeur en communication avec des 10 tubulures d'entrée et de sortie de l'échangeur. La présente invention propose un dispositif d'homogénéisation de flux d'un fluide dans la chambre d'admission d'un échangeur à plaque soudée. Un tel dispositif d'homogénéisation 1 est représenté en détail aux figures 1 à 3 et est destiné à être intégré dans la chambre d'admission 2 15 d'un échangeur à plaques 3 comme représenté aux figures 4 à 6. Un échangeur à plaques tel que représenté sur les figures 4 à 6 est bien connu de l'état de la technique et sa structure particulière ne sera pas décrite en détail ci-après. Le dispositif d'homogénéisation 1 de la présente invention consiste en 20 une sorte de grille perforée d'orifices 5, de préférence circulaires, et répartis de façon uniforme sur toute la surface de la grille 1. Ladite grille est constituée de façon avantageuse d'une plaque métallique 6 dans laquelle sont percés les orifices 5, les dits orifices 5 débouchant de part et d'autre de la plaque métallique sur une première face 25 6a, dite face frontale, et sur une seconde face 6b, dite face dorsale. Cette plaque métallique 6 est solidaire d'un cadre de renforcement 7 périphérique, également métallique et rapporté et solidarisé sur les côtés non perforés de la plaque 6 par soudage, ou bien, le cas échéant, formé de matière avec ladite plaque, par exemple lors du moulage et/ou du forgeage 30 de ladite plaque avant réalisation des perforations 5 au travers de celles-ci. En complément du cadre de renforcement 7, la grille 1 comporte également des raidisseurs 9, au moins au nombre de deux, disposés contre 5 2929392 la face dorsale 6b de la plaque 6, symétriquement par rapport à un plan médian Pm et solidaires du cadre de renforcement 7 au niveau de leurs extrémités. Ces raidisseurs 9, tout comme le cadre de renforcement 7 de la grille 1, ont pour fonction de renforcer la plaque métallique 6 perforée afin 5 d'éviter les déformations de celle-ci sous la pression procurée par un fluide F dans le cadre de l'utilisation du dispositif 1 de l'invention dans un échangeur à plaques 3, comme il sera décrit par la suite. Les orifices 5 ou perforations de la grille 1, présentent de façon préférée un diamètre compris entre 20 et 30 mm, et de préférence 10 sensiblement égal a 25 mm, et sont formés et répartis de façon uniforme sur la surface de la plaque 6 selon un pas triangulaire, la surface totale des perforations 5 représentant selon l'invention environ 40 % de la surface totale de la plaque métallique 6 du dispositif 1. Les dimensions et épaisseurs de la plaque 6, du cadre de renforcement 15 7 et des raidisseurs 9 du dispositif d'homogénéisation 1 de l'invention, sont choisies et adaptées pour correspondre, d'une part aux dimensions de la chambre d'admission 2 d'un échangeur à plaques 3 dans lequel il est destiné à être intégré comme représenté aux figures 4 à 6, mais également pour être capable de résister à la pression d'un fluide à traiter propulsé dans la 20 chambre d'admission 2 par une pompe, même si tous les orifices 5 du dispositif d'homogénéisation 1 venaient à se boucher. Comme représenté aux figures 4 à 6, le dispositif d'homogénéisation de flux 1 est destinée à être inséré dans la chambre d'admission 2 d'un échangeur à plaques 3 au niveau de l'entrée du faisceau de plaques 4 de 25 l'échangeur, dans la membrure 8 de la chambre d'admission délimitant la surface d'entrée Se du faisceau 4. Le dispositif 1 ainsi logé dans la membrure 8 de la chambre d'admission de l'échangeur permet l'homogénéisation d'un flux de fluide F à traiter admis sous pression dans la chambre d'admission 2 par une tubulure d'entrée Te de l'échangeur. 30 Comme représenté sur les figures, le cadre de renforcement 7 peut être muni d'encoches 10 prévues sur chacun de ses côtés pour coopérer avec des patins de calage 11 formés pour rapporter sur la membrure 8 de la 6 2929392 chambre d'admission de manière à caler correctement le dispositif d'homogénéisation 1 contre la surface d'entrée Se du faisceau 4 de l'échangeur, de sorte que le dispositif d'homogénéisation 1 recouvre intégralement cette surface d'entrée Se. 5 Le dispositif 1 est disposé dans la membrure 8 de telle sorte que la face 6a frontale de la plaque 6 soit celle rencontrée la première par le fluide F admis dans la chambre d'admission 2, la face dorsale 6b du dispositif 1 faisant face à la surface d'entrée Se du faisceau 4 de l'échangeur. Ainsi, le cadre de renforcement 7 et les raidisseurs 9 du dispositif 1 peuvent remplir 10 leur fonction de renforcement et de rigidification de la plaque 6, laquelle est soumise à la pression du fluide admis dans la chambre d'admission 2 pour traverser l'échangeur à plaque 3, cette pression pouvant être comprise de façon courante entre 5 et 20 bars. Une fois mise en place telle que décrit précédemment dans la chambre 15 d'admission d'un échangeur à plaque 3, le dispositif d'homogénéisation 1 de l'invention permet, grâce à ses orifices 5, disposés de façon uniforme et homogène sur toute la surface de la plaque 6, de forcer le fluide F, que celui-ci soit homogène ou hétérogène, à être mélangé puis à passer par les orifices 5, pour poursuivre sa route vers le faisceau 4 de l'échangeur, pour 20 traverser celui-ci et y être refroidi ou réchauffé. Les orifices 5 du dispositif 1 permettent une distribution homogène du fluide traité sur toute la surface de la plaque 6 du dispositif 1 et donc sur toute la surface d'entrée Se du faisceau 4 de l'échangeur, ce qui réduit les pertes de charge dans la tubulure d'entrée de l'échangeur, homogénéise et 25 redirige le débit de fluide traversant les orifices 5, vers le faisceau de l'échangeur. Le respect des critères dimensionnels des orifices 5 et de leur surface cumulée sur la plaque 6 revêt une importance particulière dans le cadre de l'invention ; en effet, en deçà des valeurs spécifiées ci-avant, le diamètre des 30 orifices 5 est trop réduit, ce qui engendre des pertes de charges du fluide traité dans l'échangeur alors qu'au delà de ces valeurs on obtient plus les effets d'homogénéisation du fluide dans la chambre d'admission de 7 2929392 l'échangeur. Il en est de même concernant la surface cumulée des orifices 5 par rapport à la surface totale de la plaque 6. Le dispositif d'homogénéisation de l'invention procure ainsi une amélioration du rendement de l'échangeur 3, tout en même temps qu'une 5 réduction des phénomènes d'usure à l'entrée du faisceau de plaques 4 de l'échangeur, dus précédemment aux concentrations localisées de matières dans certaines zones du faisceau de la surface d'entrée Se du faisceau. Le dispositif d'homogénéisation 1 de l'invention permet ainsi une amélioration des performances des échangeurs à plaques connus, 10 notamment dans le cadre d'applications au traitement de fluides hétérogènes tels que des mélanges liquides/gaz ou liquides/solides tels que les boues minérales ou autres qui, jusqu'à présent, provoquaient une usure importante des échangeurs à plaques. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car 15 diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. 8 REVENDICATIONS1 - Dispositif d'homogénéisation (1) d'un flux de matière à l'entrée d'un échangeur à plaques (3), ledit dispositif étant adapté pour être disposé dans la chambre d'admission (2) d'un dit échangeur à plaques (3), de préférence contre le faisceau (4) de plaques dudit échangeur, et comportant une plaque (6) percée d'orifices (5), de préférence circulaires, répartis uniformément sur toute la surface de ladite plaque (6) et permettant une répartition uniforme d'un flux de matière sur la surface d'entrée (Se) du faisceau (4) de l'échangeur. 2 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la superficie totale des orifices (5) de la plaque (6) représente entre 35% et 45% de la surface totale de la grille, et, de préférence, sensiblement 40%. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le diamètre des orifices (5) de la plaque (6) est compris entre 20 et 30 mm, de préférence 15 sensiblement égal à 25 mm. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les orifices (5) sont arrangés selon un pas triangulaire sur la surface de la plaque (6). 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite plaque (6) perforée est constituée de métal et formée de matière ou fixée 20 sur un cadre (7) de renforcement. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la plaque (6) perforée est renforcée sur une face (6b), dite dorsale, par des raidisseurs (9) positionnés symétriquement par rapport a au moins un plan transversal médian (Pm) du dispositif. 25 7 - Dispositif selon les revendications 5 ou 6, dans lequel le cadre de renforcement (7) et les raidisseurs (9) sont formés d'une même pièce métallique moulée ou forgée. 8 - Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel la plaque perforée, le cadre de renforcement et les raidisseurs sont constitués d'acier.