Brevet FR2926877A1 — publié le 20090731

La présente invention concerne un échangeur de chaleur, un dispositif de refroidissement comprenant un tel échangeur et son utilisation. L'invention concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur du type à plaques, dont le corps comprend une section d'échange pour un fluide calorigène, ladite section d'échange comprenant un ou des premiers passages de circulation du premier fluide calorigène à refroidir et un ou des seconds passages sensiblement verticaux, ouverts en haut et en bas, pour la circulation par thermosiphon d'un fluide de refroidissement. La présente invention est relative au refroidissement d'un fluide calorigène (avec ou sans changement de phase) par échange thermique avec un bain de liquide cryogénique en vue par exemple de la vaporisation partielle de ce liquide. De façon connue, le fluide calorigène est refroidi via des tubes ou un échangeur à plaque immergé dans un liquide cryogénique, ce dernier circulant dans l'échangeur par thermosiphon. Les échangeurs de chaleur à plaques, largement utilisés dans les installations de distillation d'air, comprennent un assemblage de nombreuses plaques rectangulaires verticales en aluminium définissant entre elles un grand nombre de passages plats de grandes dimensions. Des ondes, servant d'entretoises entre les plaques et d'ailettes thermiques, sont disposées entre les plaques. Les bords des passages sont fermés par des barrettes ou entretoises, et des interruptions de celles-ci permettent l'introduction des fluides dans l'échangeur et leur extraction, via des boîtes d'entrée et de sortie fixées en regard de ces interruptions. Parmi ces échangeurs, certains, dits "vaporiseurs à bain", comportent des passages de vaporisation complètement ouverts en haut et en bas. Ils sont couramment utilisés, par exemple, pour vaporiser l'oxygène liquide par condensation d'azote moyenne pression des colonnes basse pression des doubles colonnes de distillation d'air. Un tel vaporiseur à bain est immergé dans le bain du fluide à vaporiser (de l'oxygène pour le cas d'une double colonne). La circulation de ce fluide est obtenue par effet thermosiphon. Une technique connue est décrite par exemple dans le document EP-A-0507648. Lorsqu'il est nécessaire de refroidir plusieurs fluides calorigènes indépendants on utilise classiquement plusieurs échangeurs indépendants immergés dans un même bain cryogénique. On constate cependant que cette solution génère des vaporisations trop 5 brutales du liquide cryogénique du bain lors notamment de fonctionnements cycliques ou alternés du ou des fluides calorigènes à refroidir. De plus, le dispositif obtenu présente un encombrement important qui détermine la taille de la virole (réservoir) qui contient le bain de liquide cryogénique. 10 De plus, les échangeurs doivent être disposés et supportés dans la virole en conservant des degrés de liberté pour tenir compte des dilatations différentielles des échangeurs et des tuyauteries. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. 15 A cette fin, l'échangeur selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le corps de l'échangeur comprend au moins une section d'échange supplémentaire pour un fluide calorigène supplémentaire, chacune de la ou des sections d'échange supplémentaires comprenant un ou des passages de 20 circulation du fluide calorigène supplémentaire et un ou des seconds passages sensiblement verticaux, ouverts en haut et en bas, pour la circulation par thermosiphon du fluide froid de refroidissement, la première section d'échange et la ou les sections d'échange supplémentaires étant disposées de façon adjacente et successives dans l'épaisseur du même corps d'échangeur. 25 Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les passages de circulation des fluides calorigènes à refroidir sont alternés avec les seconds passages pour le fluide de refroidissement et en particulier les deux passages des fluides calorigènes adjacents de deux sections adjacentes 30 sont séparés par un passage pour le fluide de refroidissement, - les circuits de circulations des différents fluides calorigènes de l'échangeur sont indépendants au sein du corps de l'échangeur et alimentés via des têtes d'entrée et de sorties respectives distinctes, - les têtes d'entrée des fluide calorigènes de deux sections d'échange adjacentes sont disposées sur deux extrémités ou côtés opposés du corps de l'échangeur, -les têtes de sortie des fluide calorigènes de deux sections d'échange 5 adjacentes sont disposées sur deux extrémités ou côtés opposés du corps de l'échangeur, - les passages pour la circulation du fluide de refroidissement sont à contre-courant des passages de circulation des fluides calorigène à refroidir, - l'échangeur est du type à plaques brasées en aluminium. 10 Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de refroidissement de plusieurs fluides calorigènes par échange thermique indirect avec un même bain de liquide cryogénique, utilisant un échangeur conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après. Un autre but de l'invention est de proposer une utilisation du dispositif ci- 15 dessus dans laquelle les fluides calorigènes à refroidir comprennent l'un ou plusieurs parmi : l'Hélium, les gaz de l'air ( N2 , 02, Ar, Ne, Kr, Xe), H2, CO, CH4, CO2 ou des mélanges associés et le fluide froid de refroidissement est choisi parmi : l'hélium, les gaz de l'air ( N2 , 02, Ar, Ne, Kr, Xe), H2, CO, CH4, CO2 ou des mélanges associés 20 D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue en perspective et schématique d'un exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention, - la figure 2 représente une vue de dessus de l'échangeur de chaleur de la 25 figure 1 immergé dans un bain de fluide froid de refroidissement, - la figure 3 représente schématiquement et partiellement le principe de circulation des fluides au sein d'un échangeur de la figure 1, - la figure 4 représente schématiquement et partiellement le principe de circulation des fluides au sein d'un échangeur selon l'invention. 30 L'échangeur 1 représenté à la figure 1 a une forme générale parallélépipédique. Il est constitué d'un grand nombre de plaques rectangulaires verticales, de préférence en aluminium, délimitant entre elles deux séries de passages 11 et 10, 12, 13, 14 (cf. les figures explicatives schématiques 3 et 4). Un premier type de passage 11, ou passage de vaporisation du liquide du bain est ouvert en haut et en bas du corps de l'échangeur 1 et fermé de chaque côté, sur toute la hauteur de l'échangeur. Classiquement, ce premier type de passage 11 contient une onde (non représentée par soucis de simplification) qui s'étend de préférence sur toute sa hauteur et qui sert à la fois d'entretoise entre deux plaques adjacentes et d'ailette thermique. Le second type de passage 10, 12, 13, 14, ou passage de refroidissement de liquide calorigène, est fermé latéralement et aux extrémités supérieure et inférieure de l'échangeur. Classiquement, le second type de passage 10, 12, 13, 14 comprend également une onde non représentée servant à la fois d'entretoise entre deux plaques adjacentes et d'ailette thermique. De préférence, l'échange thermique est réalisé de façon indirect, à contre-courant (ou courant croisé) avec effet thermosiphon pour le liquide de refroidissement (se vaporisant). Cest-à-dire que le fluide à refroidir est forcé à descendre dans l'échangeur 1 tandis que le fluide de refroidissement du bain remonte dans l'échangeur 1 par thermosiphon. Selon l'invention, le corps de l'échangeur 1 définit plusieurs sections d'échange thermique (A à G cf. figure 1, ou A à c figure 3) adjacentes indépendantes prévues pour des fluides calorigènes indépendants. Chaque section d'échange thermique (A à G cf. figure 1, ou A à c figure 3) est formée par un ou plusieurs passages 12, 13, 14 de circulation du fluide calorigène à refroidir alternés avec des passages 11 pour la circulation par thermosiphon du fluide froid de refroidissement. C'est-à-dire que chaque passage 12, 13, 14 de circulation du fluide calorigène est situé entre deux passages 11 pour la circulation du fluide froid de refroidissement (cf. figures 3 ou 4). Les sections d'échange (A à G cf. figure 1, ou A à c figure 3) sont disposées de façons adjacentes et successives selon une direction perpendiculaire à l'axe vertical de l'échangeur 1. Deux passages 12, 13, 14 de circulation du fluide calorigène adjacents appartenant à deux sections distinctes (dans lesquelles circulent des fluides distincts) sont également séparés par un passage 11 pour la circulation du fluide froid de refroidissement. L'échangeur 1, de préférence en aluminium et à plaque brasée, combine ainsi, dans un même corps, plusieurs circuits indépendants de refroidissement pour des fluides calorigènes distincts. Les fluides calorigènes utilisant les sections distinctes respectives de l'échangeur 1 peuvent rester indépendants (pression, débit, température.). A cet effet, les circuits de circulations des différents fluides calorigènes de l'échangeur sont indépendants au sein du corps de l'échangeur et alimentés via des têtes d'entrée 100, 112, 113, 114, 115, 116, 117 et de sorties 200, 212, 213, 214, 215, 216, 217 respectives distinctes. Pour encore augmenter la compacité du corps de l'échangeur 1, les têtes d'entrée 100, 112, 113, 114, 115, 116, 117 et de sorties 200, 212, 213, 214, 215, 216, 217 respectives des sections adjacentes sont alternées. C'est-à-dire que les têtes d'entrée 100, 112, 113, 114, 115, 116, 117 des fluide calorigènes de deux sections d'échange A à G adjacentes sont disposées sur deux extrémités ou côtés opposés du corps de l'échangeur 1. De même, les têtes de sortie 200, 212, 213, 214, 215, 216, 217 des fluide calorigènes de deux sections d'échange A à G adjacentes sont disposées sur deux extrémités ou côtés opposés du corps de l'échangeur 1 (cf. figures 1 et 2). Cette alternance dans la disposition des têtes de circuits adjacents permet de ménager des espaces importants entre les têtes d'entrée (en partie haute de l'échangeur 1) et également entre les têtes de sortie (en partie basse de l'échangeur 1). Ceci permet d'obtenir un espacement formant une distance nécessaire au soudage des têtes sur le corps de l'échangeur 1, sans pour autant introduire de passage inactif dans la séquence d'empilage du corps de l'échangeur 1. Dans l'échangeur 1 selon l'invention les fluides calorigènes adjacents n'interfèrent pas ou peu thermiquement les uns avec les autres. En effet, ces fluides calorigènes restent confinés dans des sections d'échange indépendantes et sont toujours séparées par un passage 11 de fluide de refroidissement. De plus, le corps monobloc de l'échangeur 1 selon l'invention permet à chaque fluide calorigène de bénéficier de l'inertie complète de l'ensemble du corps de l'échangeur 1. Ceci permet de limiter les vaporisations brutales du liquide du bain en cas notamment de fonctionnements cycliques ou alternés des circuits calorigènes. L'échangeur 1 compact selon l'invention peut être installé et supporté aisément dans un bain 7 par un système à cornière simple et un serrage sous le corps. L'invention s'applique de façon particulièrement avantageuse aux au refroidissement de plusieurs circuits (sept par exemple) d'hélium gazeux dans un bain d'hélium liquide (hélium gazeux à des températures supérieures de quelques degrés à la température du bain 7 d'hélium liquide). Les circuits d'hélium gazeux peuvent faire partie d'une boucle secondaire de refroidissement d'un réfrigérateur dans lequel le bain de liquide 7 est un tampon. L'invention peut s'appliquer également notamment à la vaporisation / condensation des fluides cryogéniques, en particulier des mélanges H2/CO/CH4 des installations de séparation cryogénique H2/CO.15 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur du type à plaques, dont le corps comprend une première section d'échange (A) pour un premier fluide calorigène, ladite première section (A) d'échange comprenant un ou des premiers passages (10) de circulation d'un premier fluide calorigène à refroidir et un ou des seconds passages (Il) sensiblement verticaux, ouverts en haut et en bas, pour la circulation par thermosiphon d'un fluide de refroidissement, caractérisé en que le corps de l'échangeur (1) comprend au moins une section d'échange (B à G) supplémentaire pour un fluide calorigène supplémentaire, chacune de la ou des sections (B à G) d'échange supplémentaires comprenant un ou des passages (12, 13, 14) de circulation du fluide calorigène supplémentaire et un ou des seconds passages (11) sensiblement verticaux, ouverts en haut et en bas, pour la circulation par thermosiphon du fluide froid de refroidissement, la première section d'échange (A) et la ou les sections d'échange supplémentaires (B à G) étant disposées de façon adjacente et successives dans l'épaisseur du même corps d'échangeur (1). 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les passages (10, 12, 13, 14) de circulation des fluides calorigènes à refroidir sont alternés avec les seconds passages (11) pour le fluide de refroidissement et en particulier les deux passages des fluides calorigènes adjacents (10, 12, 13, 14) de deux sections (A, B, C) adjacentes sont séparés par un passage (11) pour le fluide de refroidissement. 3. Echangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les circuits de circulations des différents fluides calorigènes de l'échangeur (1) sont indépendants au sein du corps de l'échangeur et alimentés via des têtes d'entrée (100, 112, 113, 114, 115, 116, 117) et de sorties (200, 212, 213, 214, 215, 216, 217) respectives distinctes. 4. Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les têtes d'entrée (100, 112, 113, 114, 115, 116, 117) des fluide calorigènes de deux sections d'échange (A à G) adjacentes sont disposées sur deux extrémités ou côtés opposés du corps de l'échangeur (1). 5. Echangeur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les têtes de sortie (200, 212, 213, 214, 215, 216, 217) des fluide calorigènes de deux sections d'échange (A à G) adjacentes sont disposées sur deux extrémités ou côtés opposés du corps de l'échangeur (1). 6. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les passages (11) pour la circulation du fluide de refroidissement sont à contre-courant des passages (10, 12, 13, 14) de circulation des fluides calorigène à refroidir. 7. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est du type à plaques brasées en aluminium. 8. Dispositif de refroidissement de plusieurs fluides calorigène par échange thermique indirect avec un même bain (7) de liquide cryogénique de refroidissement, caractérisé en ce qu'il utilise un échangeur (1) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Utilisation du dispositif selon la revendication précédente dans laquelle les fluides calorigènes à refroidir comprennent l'un ou plusieurs parmi : l'Hélium gazeux, les gaz de l'air (N2, 02, Ar, Ne, Kr, Xe) , H2, CO, CH4, CO2 ou des mélanges associés et le fluide froid de refroidissement est choisi parmi : l'hélium liquide, les gaz de l'air (N2, 02, Ar, Ne, Kr, Xe), H2, CO, CH4, CO2 ou des mélanges associés.