Brevet FR2935473A1 — publié le 20100305

La présente invention est relative à un échangeur de chaleur. Pour réchauffer et vaporiser des liquides cryogéniques de type gaz naturel liquéfié (GNL) ou équivalent contre un fluide calorigène afin de récupérer les frigories du liquide, on a utilisé dans le passé soit : • Une technologie consistant à enrouler sous forme de galettes un système de deux tubes reliés entre eux par un ligament. Les tubes sont soudés ou dudgeonnés sur des collecteurs transversaux aux galettes. • Des échangeurs brasés à plaques et ailettes • Des échangeurs tubulaires bobinés. Dans le cas où l'on veut récupérer les frigories transférés au fluide calorigène, par exemple pour liquéfier des gaz de l'air, on veut absolument éviter une pollution accidentelle du fluide, par exemple de l'azote ou de l'oxygène par un gaz hydrocarbure, en particulier quand le liquide circule dans l'échangeur à une pression supérieure à celle du fluide calorigène. Les géométries tubulaires ne sont pas très efficaces thermiquement et conduisent souvent à un surdimensionnement coûteux. Les échangeurs en aluminium brasés ne sont pas très résistants, en particulier en cas d'écart de température importante entre fluides. • On propose l'utilisation d'un échangeur du type à circuit imprimé, donc de technologie PCHE (� Printed Circuit Heat Exchangers � ou échangeurs de chaleur à circuit imprimé) en acier austénitique. L'acier austénitique a une résistance mécanique très supérieure à celle de l'aluminium et donc peut endurer des écarts de température entre fluides très élevés. Des échangeurs de ce type sont connus de EP-A-1132699, � Industrial Microchannel Devices-where are we today ? � , First International Conference on Microchannels and Minichannels, avril 2003, � High Effectiveness Micro Exchanger Performance', AIChE 2002 Spring National Meeting, � Miniaturized heat exchangers for chemical processing �, The Chemical Engineer, décembre 1986, "Guide to compact heat exchangers", ETSU,1994 et "Developments and Applications of Printed Circuit Heat Exchangers" de la conference "Advances in Heat Transfer", avril 1996. Ces échangeurs exhibent également des performances thermiques impressionnantes. • Toutefois la fabrication de ces échangeurs se fait par soudage-diffusion d'un empilage de plaques. A la différence du brasage il n'y a pas de métal d'apport susceptible de combler les défauts de planéité entre les pièces. Il y a donc un risque de chemin de fuite entre plaques en particulier au-dessus des zones débouchant sur l'extérieur lesquelles sont moins bien serrées pendant l'étape de soudage-diffusion. La figure 1 schématise les étapes de soudage par diffusion. Dans la figure la est illustré le contact initial limité aux aspérités de surface. Dans la figure 1 b on voit la première étape de déformation plastique puis le fluage des aspérités. Cette étape correspond à un rapprochement physique des surfaces et les phénomènes tels que rupture des films d'oxydes y interviennent. Dans la figure 1c on voit la deuxième étape avec la croissance des graines à travers l'interface, les nouveaux joints tendant vers une configuration d'équilibre ; les pores subsistants commencent à s'éliminer par diffusion sur joints de graine. La troisième étape est illustrée à la figure 1d où on voit l'élimination des derniers pores par diffusion en volume. • On se propose donc de rajouter une ouverture d'évent (ou passage auxiliaire) à la pression atmosphérique en bordure de plaque, isolant ainsi les canaux actifs d'une fuite vers le fluide opposé. • Ces canaux d'évent (ou passage auxiliaire) seront collectés au moyen d'une ou plusieurs passages traversant de part en part l'empilage. Selon un aspect de l'invention, il est prévu un échangeur de chaleur Un échangeur de chaleur pour chauffer un premier fluide par échange de chaleur indirect avec un deuxième fluide, l'échangeur comprenant : a) un corps ayant une pluralité de plaques, chaque plaque étant en contact thermique avec au moins une autre plaque, chaque plaque comprenant ou juxtaposant une pluralité de canaux espacés b) des moyens pour envoyer un premier fluide à des premiers canaux c) des moyens pour retirer le premier fluide chauffé des premiers canaux d) des moyens pour envoyer un deuxième fluide à des deuxièmes canaux s'étendant dans un sens général globalement perpendiculaire à celui des premiers canaux au moins dans une zone de distribution e) des moyens pour retirer le deuxième fluide refroidi des deuxièmes canaux caractérisé en ce que la zone de distribution comprend un passage auxiliaire traversant ou adjacent à l'épaisseur de toutes les plaques de sorte qu'il relie au moins un premier et/ou deuxième canal avec l'atmosphère.35 Eventuellement : - le passage relie au moins un premier canal, éventuellement formé dans une première plaque, avec au moins un deuxième canal, éventuellement formé dans une deuxième plaque. -le passage auxiliaire relie un seul premier ou deuxième canal, éventuellement formé dans chaque première ou deuxième plaque, avec l'atmosphère. - le passage auxiliaire relie un seul premier canal , éventuellement formé dans chaque première plaque, avec un seul deuxième canal, éventuellement formé dans chaque deuxième plaque. - le passage auxiliaire est percé à une distance égale à au plus un dixième de la longueur du corps du bord formant la longueur du corps. - le passage auxiliaire est percé à une distance égale à au plus un dixième de la largeur du corps du bord formant la largeur du corps. - le diamètre du passage auxiliaire ne dépasse pas le triple, voire le double de la largeur des premiers et/ou deuxièmes canaux. - les plaques forment un échangeur du type à circuit imprimé - l'échangeur est un échangeur à plaques et à ailettes brasées, les espaces formés entre les ailettes constituant les canaux. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé d'échange de chaleur entre un premier et un deuxième fluide utilisant un échangeur tel que décrit ci-dessus. Le corps comprend un empilage de premières et deuxièmes plaques de section rectangulaire, de dimensions sensiblement identiques. Chacune des premières plaques comporte une zone de distribution, comprenant une série de canaux qui confèrent un sens général d'écoulement au premier fluide qui coule dans les canaux. De même, dans cette zone de distribution du corps, chacune des deuxièmes plaques comprend une série de canaux qui confèrent un sens général d'écoulement au deuxième fluide qui coule dans les canaux de la deuxième plaque, sensiblement perpendiculaire au sens général d'écoulement du premier fluide qui coule dans les canaux de la première plaque. Les canaux peuvent être de direction droite, sinusoïdale ou en forme de zigzag. Les canaux des premières et deuxièmes plaques dans la zone de distribution sont éventuellement de section identique et/ou d'espacement identique. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures. La Figure 2A représente la zone de distribution d'une première plaque d'un échangeur selon l'invention, la Figure 2B représente une section prise sur les lignes A-A de la Figure 2A, la Figure 3A représente la zone de distribution d'une première plaque d'un échangeur selon l'invention et la Figure 3B représente la zone de distribution d'une deuxième plaque d'un échangeur selon l'invention. La Figure 4A représente la zone de distribution d'une première plaque d'un échangeur à plaques selon l'invention utilisant des ondes-ailettes de type `arête de hareng `, la Figure 4B représente une section prise sur les lignes A-A de la Figure 4A, la Figure 4C représente une section prise sur les lignes B-B de la Figure 4A. La Figure 4D représente des sections alternatives de la barre 109. La Figure 5A représente la zone de distribution d'une première plaque d'un autre échangeur à plaques selon l'invention utilisant des ondes-ailettes de type `arête de hareng `, la Figure 5B représente une section prise sur les lignes B- de la Figure 5A. Les Figures 2 et 3 représentent des échangeurs du type PCHE et les Figures 4 et 5 montrent des échangeurs à plaques et à ailettes (soudées par diffusion ou brasées). Dans la Figure 2A, une première plaque rectangulaire 1 présente dans la zone de distribution, seule illustrée, une pluralité de canaux 10 sensiblement identiques en zigzag, traversant la plaque dans le sens de sa longueur. Tous les canaux 10 débouchent au bord formé par la largeur de la plaque 1, le canal devenant droit en proximité du bord. Un canal 10A situé le plus près du bord formé par la longueur de plaque est également en forme de zigzag mais ne débouche pas sur le bord de la plaque. Au bout du canal en proximité d'un coin de la plaque se trouvé un évent (ou passage auxiliaire) 5, constitué par un passage à section circulaire traversant l'épaisseur de la première plaque 1 et de toutes les autres plaques 1,2 en dessous, pour déboucher à l'extérieur du corps ayant traversé toutes les plaques. Ce passage a dans ce cas précis un rayon du même ordre de grandeur que la largeur d'un canal 10,10A. Un seul canal 20A de la deuxième plaque 2 située en dessous de la première plaque 1 est dessiné en trait hachuré. Celui-ci débouche également dans l'évent (ou passage auxiliaire) 5. La Figure 2B montre les zones de distribution de l'empilage des plaques 1,2 placées les unes au-dessus des autres pour former le corps de l'échangeur. L'évent (ou passage auxiliaire) 5 est un passage à section circulaire qui traverse le corps dans un sens perpendiculaire à la fois à la longueur et à la largeur des plaques. La Figure 3A montre de nouveau la zone de distribution d'une première plaque 1 de l'échangeur. La Figure 3B montre une deuxième plaque de l'échangeur. Ici les canaux 20 en zigzag traversent la plaque dans le sens de sa largeur et sont donc globalement perpendiculaires à ceux des plaques 1. Le canal 20A le plus proche de la largeur de la plaque 2 débouche dans l'évent (ou passage auxiliaire) 5. Les canaux 20 deviennent droits avant de déboucher sur le bord de la longueur de la plaque. Seuls quatre de la pluralité des canaux sont illustrés. La Figure 4A représente la zone de distribution d'une plaque 101 d'un échangeur à plaques et à ailettes, les espaces formés entre les ailettes constituant les canaux. L'échangeur de chaleur sert à chauffer un premier fluide par échange de chaleur indirect avec un deuxième fluide et comprend un corps ayant une pluralité de plaques 101,102,103,104, 105 chaque plaque étant en contact thermique avec au moins une autre plaque à travers une onde 106 , chaque plaque comprenant juxtaposant une pluralité de canaux espacés 10,20 formés par les espaces entre les ailettes. Il y a des moyens pour envoyer un premier fluide aux canaux 1 dans l'onde d'un premier passage entre deux plaques et des moyens pour retirer le premier fluide chauffé des canaux 1 dans l'onde du premier passage entre les plaques. De même il y a des moyens pour envoyer un deuxième fluide aux canaux 2 d'au moins un deuxième passage, adjacent au premier passage formé entre deux plaques et des moyens pour retirer le deuxième fluide refroidi des canaux 2 du deuxième passage. Dans une zone de distribution de la Figure 4A, le sens général des canaux du premier passage est sensiblement perpendiculaire au sens général des canaux du deuxième passage et la zone comprend un passage auxiliaire 5 traversant l'épaisseur de toutes les plaques de sorte qu'il relie au moins un canal d'un premier ou deuxième passage avec l'atmosphère à travers une ouverture percée dans la plaque 101. Eventuellement le passage auxiliaire 5 relie au moins un canal du premier passage avec au moins un canal du deuxième passage. Le passage auxiliaire 5 est percé à une distance égale à au plus un dixième de la longueur du corps du bord formant la longueur du corps et à une distance égale à au plus un dixième de la largeur du corps du bord formant la largeur du corps. Le diamètre hydraulique du passage auxiliaire 5 ne dépasse pas le triple, voire le double de la largeur des canaux. Les passages sont fermés vers les boîtes de distribution 107 au moyen de barres 109 pour les premiers passages et 209 pour les deuxièmes passages, comme on voit à la Figure 4B et à la Figure 4C. Il y a un risque que le fluide du premier passage arrive à passer entre le barre 109 et la plaque 102 ou 103 ou 104. Les passages auxiliaires 5 formés sur le bord de la barre forment un passage de circulation facile vers l'atmosphère, en passant éventuellement par une boîte de distribution, dédiée ou pas. De cette façon, le fluide ne passe pas d'un passage à l'autre en passant entre les barres 109 et les plaques. Les passages auxiliaires 5 sur la barre 109 peuvent être de section rectangulaire , semi-circulaire ou triangulaire, ou d'une forme composée des précédentes. Ils peuvent être aussi déterminés par deux barres pleines de type 109 en opposition. (cf figure 4D ) La Figure 5A représente la zone de distribution d'une plaque 101 d'un autre échangeur à plaques et à ailettes, les espaces formés entre les ailettes constituant les canaux. L'échangeur de chaleur sert à chauffer un premier fluide par échange de chaleur indirect avec un deuxième fluide et comprend un corps ayant une pluralité de plaques 101,102,103,104, 105 chaque plaque étant en contact thermique avec au moins une autre plaque à travers une onde 106 , chaque plaque comprenant ou juxtaposant une pluralité de canaux espacés 10,20 formés par les espaces entre les ailettes. Il y a des moyens pour envoyer un premier fluide aux canaux 1 dans l'onde d'un premier passage entre deux plaques et des moyens pour retirer le premier fluide chauffé des canaux 1 dans l'onde du premier passage entre les plaques. De même il y a des moyens pour envoyer un deuxième fluide aux canaux 2 d'au moins un deuxième passage, adjacent au premier passage formé entre deux plaques et des moyens pour retirer le deuxième fluide refroidi des canaux 2 du deuxième passage. Dans une zone de distribution de la Figure 4A, le sens général des canaux du premier passage est sensiblement perpendiculaire au sens général des canaux du deuxième passage et la zone comprend un passage auxiliaire 5 formé dans les barres 109 et débouchant dans un distributeur 110. Eventuellement le passage auxiliaire 5 relie au moins un canal du premier passage avec au moins un canal du deuxième passage. Le passage auxiliaire 5 est percé à une distance égale à au plus un dixième de la longueur du corps du bord formant la longueur du corps et à une distance égale à au plus un dixième de la largeur du corps du bord formant la largeur du corps. Le diamètre hydraulique du passage auxiliaire 5 ne dépasse pas le triple, voire le double de la largeur des canaux. Les passages auxiliaires 5 sur la barre 109 peuvent être de section rectangulaire, semi-circulaire ou triangulaire, ou d'une forme composée des précédentes. Ils peuvent être aussi déterminés par deux barres pleines de type 109 en opposition. Les passages sont fermés vers les boîtes de distribution 107 au moyen de barres 109 pour les premiers passages et 209 pour les deuxièmes passages. Il y a un risque que le fluide F du premier passage arrive à passer entre la barre 109 et la plaque 102 ou 103 ou 104. Les passages auxiliaires 5 formés sur le bord de la barre forment un passage de circulation facile vers l'atmosphère, en passant éventuellement par une boîte de distribution, dédiée ou pas. De cette façon, le fluide ne passe pas d'un passage à l'autre en passant entre les barres 109 et les plaques. Revendications1. Un échangeur de chaleur pour chauffer un premier fluide par échange de chaleur indirect avec un deuxième fluide, l'échangeur comprenant a) un corps ayant une pluralité de plaques (1,2), chaque plaque étant en contact thermique avec au moins une autre plaque, chaque plaque comprenant ou juxtaposant une pluralité de canaux espacés (10,20) b) des moyens pour envoyer un premier fluide à des premiers canaux (10) c) des moyens pour retirer le premier fluide chauffé des premiers canaux d) des moyens pour envoyer un deuxième fluide à des deuxièmes canaux (20) s'étendant dans un sens général globalement perpendiculaire à celui des premiers canaux au moins dans une zone de distribution e) des moyens pour retirer le deuxième fluide refroidi des deuxièmes canaux caractérisé en ce que la zone de distribution comprend un passage auxiliaire (5) traversant ou adjacent à l'épaisseur de toutes les plaques de sorte qu'il relie au moins un premier et/ou deuxième canal avec l'atmosphère. 2. Echangeur selon la revendication 1 dans lequel le passage (5) relie au moins un premier canal, éventuellement formé dans une première plaque (1), avec au moins un deuxième canal, éventuellement formé dans une deuxième plaque (2). 3. Echangeur selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le passage auxiliaire (5) relie un seul premier ou deuxième canal (10A, 20A), éventuellement formé dans chaque première ou deuxième plaque, avec l'atmosphère. 4. Echangeur selon la revendication 3 dans lequel le passage auxiliaire relie un seul premier canal (20A), éventuellement formé dans chaque première plaque, avec un seul deuxième canal (10A), éventuellement formé dans chaque deuxième plaque. 5. Echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel le passage auxiliaire (5) est percé à une distance égale à au plus un dixième de la longueur du corps du bord formant la longueur du corps. 6. Echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel le passage auxiliaire (5) est percé à une distance égale à au plus un dixième de la largeur du corps du bord formant la largueur du corps. 7. Echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel le diamètre du passage auxiliaire (5) ne dépasse pas le triple, voire le double de la largeur des premiers et/ou deuxièmes canaux. 5 8. Echangeur selon l'une des revendications précédentes dans lequel les plaques (1,2) forment un échangeur du type à circuit imprimé. 9. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 6 qui est un échangeur à plaques et à ailettes brasées, les espaces formés entre les ailettes constituant les canaux. 10. Procédé d'échange de chaleur entre un premier et un deuxième fluide utilisant un échangeur selon l'une des revendications précédentes.