Brevet FR3087880A1 — publié le 20200501

L'invention concerne un procédé pour la fabrication d'une série d'au moins un premier et un deuxième échangeur de chaleur. Elle concerne également un échangeur de chaleur et une unité de séparation d'air comportant un échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur est un échangeur configurable à plaques brasées pour refroidir par exemple au moins un fluide destiné à être distillé dans un appareil de séparation d'air. Il est connu d'utiliser un échangeur à plaques brasées, généralement en aluminium, pour concevoir un échangeur cryogénique par exemple. Typiquement, l'échangeur comporte un ou plusieurs matrices d'échange reliées entre elles par des tuyauteries de distribution des fluides (collecteurs). Chaque matrice d'échange est composée d'au moins un empilement de tôles brasées, entre lesquelles sont les passages, ainsi que de boîtes collectant les fluides des différents passages. La matrice brasée comprend un empilement successif de tôles et d'ondes, et une pluralité de passages qui sont délimités par l'empilement des tôles et des ondes pour permettre l'écoulement d'au moins un premier fluide et un deuxième fluide à travers l'échangeur qui échangent leur chaleur avec au moins un troisième fluide. Les passages débouchent dans les faces du corps par des ouvertures qui sont chapeautées par lesdites boîtes de répartition des fluides. Les appareils de séparation d'air qui comportent des échangeurs à tôles brasées doivent répondre à des demandes variables des commanditaires. En effet, les pressions et les débits de l'air et des différents fluides qui traversent les échangeurs varient d'un projet d'appareil de séparation d'air à l'autre. Ce même problème se rencontre évidemment dans d'autres domaines où de multiples échangeurs sont utilisés. Un moyen courant permettant de s'adapter à la demande du client est de concevoir et de fabriquer les échangeurs sur mesure. Cette fabrication sur mesure des échangeurs représente un coût élevé et est sujette à des délais de fabrication élevés et non réductibles car la fabrication sur mesure ne permet pas d'approvisionner en avance certaines matières premières (tôles, ondes, etc ) 2 Il est également connu de fabriquer des échangeurs comportant des matrices standardisées, comme proposé dans le document WO-A-2009/044065. On entend par matrice standardisée une matrice qui présente une longueur, une largeur et une hauteur d'empilage de tôles prédéfinie, des types d'ondes dans chaque 5 passage prédéfini et qui comporte un nombre de passages et d'ouvertures prédéfini. Ainsi, les matrices standardisées d'un même type sont tous identiques et peuvent être fabriqués en série et en amont de la phase de conception d'un échangeur pour un appareil de séparation d'air ou de distillation par exemple. Le document WO-A-2009/044065 décrit et représente un appareil de séparation 10 d'air comportant une ligne d'échange qui comporte une première assemblée d'échangeurs montés en série et une seconde assemblée d'échangeurs montés en série. Les échangeurs comportent des matrices standardisées du même type. L'appareil de séparation d'air décrit dans le document WO-A-2009/044065 consiste notamment à jouer sur le nombre de corps montés en série pour s'adapter au cahier des charges. 15 Cette caractéristique implique de mettre plus de matrices que nécessaires, ce qui augmente le coût de l'appareil, ou de mettre moins de matrices que nécessaire, ce qui implique une dégradation de l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'appareil de séparation d'air. La présente invention vise notamment à résoudre ces inconvénients et se rapporte 20 pour ce faire à un procédé pour la fabrication d'une série d'au moins un premier et un deuxième échangeur de chaleur, chaque échangeur comportant : - au moins une matrice d'échange qui comprend un empilement successif de tôles séparatrices et d'ondes délimitant une pluralité de passages adaptés pour permettre l'écoulement d'au moins un premier fluide, un deuxième fluide et un 25 troisième fluide à travers la matrice , de sorte que le troisième fluide puisse chauffer ou être chauffé par les premier et deuxième fluides, chaque plaque ayant une longueur et une largeur, l'empilement ayant un sens d'empilement perpendiculaire à la longueur et à la largeur des tôles, 30 - la matrice comprenant un nombre prédéterminé d'ouvertures qui sont chacune ménagées dans une face périphérique de la matrice et qui communiquent chacune avec un desdits passages associés, 3 - au moins une boîte de répartition allongée des fluides qui chapeaute au moins une partie des ouvertures et qui est reliée à un conduit , l'axe de la boîte étant parallèle au sens d'empilement et perpendiculaire à la largeur et à la longueur des tôles 5 - la ou les matrices du premier échangeur étant sensiblement identique(s) à celle(s) du deuxième échangeur, - le procédé consistant à adapter les échangeurs de la série: en partitionnant la boîte en plusieurs compartiments par un moyen de cloisonnement prévu à cet effet, pour répartir le nombre d'ouvertures assignées 10 au premier fluide et au deuxième fluide, le moyen de cloisonnement étant conçu pour diviser ladite boîte en plusieurs compartiments qui sont chacun reliés à un conduit pour le passage du premier fluide ou à un conduit pour le passage du deuxième fluide et qui communiquent chacun avec un nombre d'ouvertures variant suivant la configuration adoptée par le moyen de cloisonnement, pour 15 répartir le nombre d'ouvertures assignées au premier fluide et au deuxième fluide. Selon d'autres objets facultatifs- le moyen de cloisonnement comporte au moins une première cloison ,dans une boîte principale de répartition, dont la position sur la matrice est choisie entre une pluralité de positions qui permet de choisir le nombre d'ouvertures assignées au 20 premier fluide et au deuxième fluide . les ouvertures sont alignées et espacées de façon régulière sur ladite face périphérique de l'échangeur. une boîte principale de répartition couvre la totalité des ouvertures. une boîte , éventuellement une boîte principale, de répartition couvre une 25 partie seulement, voire la plupart, des ouvertures et au moins une autre boîte de répartition couvre une autre partie, voire le reste, des ouvertures. les conduits qui sont reliés auxdits compartiments et/ou au moins un collecteur reliant différents conduits des différents corps d'échange de chaleur d'une unité de séparation entre eux, présentent une position dans l'espace identique quelle 30 que soit la configuration du moyen de cloisonnement . - le moyen de cloisonnement est une plaque semi-circulaire disposée parallèlement aux tôles. la forme du moyen de cloisonnement épouse le contour de la boîte la cloison est parallèle à la largeur des tôles 4 la cloison est perpendiculaire à l'axe de la boîte principale. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une série d'échangeurs de chaleur fabriqués tel que décrit ci-dessus. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une unité de séparation d'air 5 comprenant au moins une série d'échangeurs de chaleur tel que décrit ci-dessus. L'invention permet de choisir le nombre de passages assignés à chaque fluide après la fabrication de la matrice brasée, en définissant au cas par cas le système de boîtes de répartition. Ceci permet de réaliser des économies d'échelle en produisant des matrices en série. 10 De plus, la préfabrication des matrices permet de réduire le délai de fabrication de l'échangeur. Selon un mode de réalisation préféré, le moyen de cloisonnement comporte au moins une première cloison, dans la boîte principale de répartition, dont la position sur la matrice peut varier entre une pluralité de positions ; ce qui permet de choisir le 15 nombre d'ouvertures assignées au premier fluide et au deuxième fluide. Cette caractéristique permet de facilement assigner un nombre d'ouvertures choisi à chaque fluide. De préférence, pour permettre de préfabriquer la matrice de l'échangeur en avance et de réaliser des économies d'échelle, la matrice est une matrice standardisée. 20 Selon une variante de réalisation de l'invention, le moyen de cloisonnement comporte au moins une boîte secondaire de répartition qui forme un compartiment à l'intérieur de la boîte principale, qui chapeaute un nombre délimité d'ouvertures en fonction de sa dimension et qui est reliée à un conduit pour le passage du fluide associé. Cette boîte secondaire peut n'être qu'en partie recouverte par la boîte principale. 25 Classiquement, les ouvertures sont alignées et réparties de façon régulière sur ladite face périphérique de l'échangeur. Aussi, la matrice de l'échangeur peut comporter une succession de séquences identiques, chaque séquence étant formée par un empilement successif de tôles séparatrices et d'ondes formant une série de passages. 30 De plus, la boîte principale (ou l'addition de la boîte principale et des boîtes secondaires) de répartition couvre la totalité des ouvertures du premier et deuxième fluide. Avantageusement, les conduits qui sont reliés auxdits compartiments, et/ou les collecteurs reliant les différents conduits des différents corps d'échange de l'unité de 5 séparation entre eux, présentent une position dans l'espace identique quelle que soit la configuration du moyen de cloisonnement. Cette caractéristique permet de conserver les mêmes interfaces entre l'échangeur et le reste de l'installation, ou de l'usine, quelle que soit la configuration choisie des 5 moyens de cloisonnement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective avec arrachement, qui illustre un 10 échangeur comportant une boîte principale de répartition équipée de cloisons de position variable selon les projets, selon un exemple préféré de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective avec arrachement, qui illustre l'échangeur de la figure 1 avec ses cloisons de position variable selon les projets dans une autre 15 configuration ; - la figure 3 est une vue en perspective avec arrachement, qui illustre un échangeur comportant une boîte principale de répartition renfermant une boîte secondaire de répartition; - la figure 4 est une vue en perspective avec arrachement, qui illustre un 20 échangeur comportant une boîte principale de répartition formée de trois boîtes de répartition accolées, Dans la description et les revendications, on adoptera à titre non limitatif la terminologie longitudinal, vertical et transversal en référence au trièdre L, V, T indiqué aux figures. Le sens de l'empilement des tôles L est perpendiculaire à la longueur dans 25 le sens vertical V et la largeur dans le sens transversal T des tôles séparatrices 15. La tôle séparatrice est représentée sous une forme raccourcie et en réalité sa longueur dans le sens vertical V est bien plus grande que sa largeur dans le sens transversal T. Pour les différentes variantes de réalisation, les mêmes références pourront être 30 utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction, par souci de simplification de la description. On a représenté à la figure 1 un échangeur 10 de chaleur du type à tôles brasées, qui est destiné notamment à équiper une unité de séparation d'air. 6 L'échangeur 10 comporte une matrice 12 comprenant un empilement successif de tôles séparatrices 15 et d'ondes 16 suivant un axe longitudinal, qui sont brasées et qui délimitent une pluralité de passages (non représentés). 14 correspond aux passages du troisième ou des autres fluides échangeant avec le premier et le deuxième fluide et ne 5 débouchant donc pas sur une ouverture dans la ou les boîtes de répartition du premier et deuxième fluide. Dans le cas où l'échangeur est associé à un appareil de séparation d'air, le premier fluide peut être de l'azote résiduaire provenant de colonne basse pression d'une double colonne, le deuxième fluide peut être de l'azote pur provenant de la colonne basse pression et le troisième fluide peut être de l'air destiné à la colonne 10 haute pression de la double colonne. Les passages s'étendent verticalement et ils sont adaptés pour permettre l'écoulement des fluides et le transfert de chaleur à travers l'échangeur 10. Dans les figures la boîte est disposée au-dessus de l'empilement de tôles mais la boîte peut alternativement être disposée sur le bord latéral de l'empilement de tôles en contact 15 avec des ouvertures permettent le transfert de fluides vers les passages. La matrice 12 est ici une matrice standard. On entend par matrice 12 standard une matrice qui présente une longueur verticale, une largeur transversale et une hauteur longitudinale d'empilage prédéfinie et qui comporte un nombre de passages, de type d'ondes par passages et d'ouvertures 20 prédéfi ni s. Ainsi, les matrices d'échangeurs standards d'un même type sont toutes identiques et peuvent être fabriquées en série et en amont de la phase de conception d'un échangeur pour un appareil de séparation d'air par exemple. Selon l'exemple décrit ici, la matrice 12 effectue un échange de chaleur entre un 25 premier fluide A, un deuxième fluide B, et au moins un troisième fluide. A cet effet, l'échangeur 10 comporte un nombre prédéterminé d'ouvertures 20 qui sont chacune ménagées dans une face d'entrée 22 du corps d'échange 12 et qui communiquent chacune avec un passage associé. De plus, l'échangeur 10 comporte une boîte principale 24 de répartition allongée 30 des fluides qui chapeaute les ouvertures 20 ménagées sur la face d'entrée 22 de la matrice 12. Elle est positionnée avec son axe dans le sens de l'empilement L, perpendiculaire à la longueur et à la largeur des tôles. 7 La boîte principale 24 de répartition comporte un moyen de cloisonnement 34 conçu pour diviser la boîte principale 24 en plusieurs compartiments 28. Ici le moyen 34 est une plaque semi-circulaire disposée parallèlement aux tôles. Sa forme épouse le contour de la boîte 24. La cloison est parallèle à la largeur des tôles et perpendiculaire à 5 l'axe de la boîte principale. Chaque compartiment 28 est relié à un conduit 30 pour le passage du premier fluide A ou à un conduit 40 pour le passage du deuxième fluide B. 10 L'invention permet de répartir le nombre d'ouvertures 20 assignées au premier fluide A et au deuxième fluide B de façon variable, après la fabrication de la matrice 12. Avantageusement, les conduits 30 et 40, et/ou un collecteur qui relie plusieurs conduits venant de différents corps d'échange 10 de la même unité de séparation, 15 présentent une position dans l'espace identique quelle que soit la configuration du moyen de cloisonnement 32,34. Cette caractéristique permet de conserver les mêmes interfaces entre l'échangeur 10 et le reste de l'installation, ou de l'usine, quelle que soit la configuration choisie des moyens de cloisonnement 32,34. 20 Selon un exemple de réalisation préféré de l'invention, représenté aux figures 1 et 2, le moyen de cloisonnement comporte une première cloison 32 et une seconde cloison 34 qui sont chacune montées au cas par cas, après le brasage de la matrice, à des positions variables dans la boîte principale 24 de répartition pour compartimenter le volume de la boîte principale 24 en trois compartiments 28. Les cloisons 32,34 sont en 25 forme de semi cercle et épousent la paroi de la boîte 24 afin de rendre les compartiments 28 étanches les uns aux autres. Les deux compartiments 28 latéraux regroupent les ouvertures 20 qui sont assignées au deuxième fluide B et le compartiment 28 central regroupe les ouvertures 20 qui sont assignées au premier fluide A, par exemple. 30 La figure 1 illustre un premier exemple de positionnement des cloisons 32,34 dans lequel les trois compartiments 28 sont de dimensions identiques, chaque compartiment 28 regroupant le même nombre d'ouvertures 20. 8 En variante, la figure 2 illustre un second exemple de positionnement des cloisons 34 dans lequel le compartiment 28 central regroupe moins d'ouvertures 20 que les deux autres compartiments 28. Ainsi en comparant les figures 1 et 2, on voit que le procédé selon l'invention 5 permet de fabriquer deux échangeurs différents à partir de deux matrices sensiblement identiques en variant uniquement le cloisonnement de la boîte 24, de sorte que le fluide A circule dans le premier échangeur de la série illustré Figure 1 dans plus de passages que dans le deuxième échangeur de la série illustré Figure 2. On constate également que le premier échangeur dédie moins de passages au fluide B que le deuxième. 10 L'attribution des passages peut également se faire d'autres manières. Selon une première variante de réalisation de l'invention représentée à la figure 3, le moyen de cloisonnement 26 comporte une boîte secondaire 36 de répartition qui forme un compartiment 38 à l'intérieur de la boîte principale 24. Ce compartiment 38 peut être recouvert totalement ou partiellement par la boîte principale 24. 15 La boîte secondaire 36 est équipée d'un conduit 30 pour le passage du premier fluide A, le conduit 30 traversant la boîte principale 24. De même, la boîte principale 24 est équipée d'un seul conduit 40 pour le passage du deuxième fluide B. La boîte secondaire 36 chapeaute un nombre délimité d'ouvertures 20 en fonction 20 de sa dimension suivant l'axe longitudinal. Selon une seconde variante de réalisation de l'invention représentée à la figure 4, la boîte principale 24 de répartition est formée de trois boîtes 42 qui sont accolées, ou non de façon à chapeauter les ouvertures 20 de la matrice 12. Selon cette variante de réalisation, le moyen de cloisonnement 26 est constitué 25 par l'association des boîtes 42. La dimension longitudinale des boîtes 42 est adaptée en fonction du nombre d'ouvertures 20 et de passage que l'on souhaite associer au premier fluide A et au deuxième fluide B. Selon un exemple de réalisation préféré de l'invention, la matrice 12 de 30 l'échangeur 10 est formée par une succession de séquences identiques, chaque séquence étant formées par un empilement successif de tôles séparatrices 15 et d'ondes 14 et 16 formant une série de passages. Avantageusement, les séquences peuvent être préfabriquées et accolées/brasées les unes àla suite des autres pour former la matrice 12. 9 De plus, selon un exemple de réalisation de l'invention, les ouvertures 20 sont alignées et réparties sur la face d'entrée 22 de la matrice 12. L'invention concerne aussi un procédé pour la fabrication d'un échangeur 10 de chaleur du type décrit précédemment. 5 Le procédé consiste notamment à monter la boîte principale 24 sur la matrice 12 standard et à partitionner la boîte principale 24 en plusieurs compartiments 28 par le moyen de cloisonnement 26 prévu à cet effet, en fonction des spécificités souhaitées pour l'échangeur 10, pour répartir le nombre d'ouvertures 20 assignées au premier fluide A et au deuxième fluide B. 10 La présente description de l'invention est donnée à titre d'exemple non limitatif Pour clarifier la description, seule la boîte principale 24 de répartition des fluides qui chapeaute les ouvertures 20 ménagées sur la face d'entrée 22 de la matrice 12 est décrite. On comprendra que l'échangeur 10 selon l'invention peut comporter plusieurs 15 autres boîtes pour collecter et/ou répartir le ou les autres fluides ; Dans les exemples, la boîte 24 est disposée sur la surface supérieure de l'échangeur de chaleur. Elle peut également être disposée sur la surface inférieure ou sur une paroi latérale de l'échangeur. REVENDICATIONS1. Procédé pour la fabrication d'une série d'au moins un premier et un deuxième échangeur (10) de chaleur, chaque échangeur (10) comportant : - au moins une matrice d'échange (12) qui comprend un empilement successif de tôles séparatrices (14) et d'ondes (16) délimitant une pluralité de passages (20) adaptés pour permettre l'écoulement d'au moins un premier fluide (A), un deuxième fluide (B) et un troisième fluide à travers la matrice (12), de sorte que le troisième fluide puisse chauffer ou être chauffé par les premier et deuxième fluides, chaque plaque ayant une longueur et une largeur, l'empilement ayant un sens d'empilement perpendiculaire à la longueur et à la largeur des tôles, - la matrice comprenant un nombre prédéterminé d'ouvertures (20) qui sont chacune ménagées dans une face périphérique (22) de la matrice (12) et qui communiquent chacune avec un desdits passages (20) associés, - au moins une boîte (24,42) allongée de répartition des fluides qui chapeaute au moins une partie des ouvertures (20) et qui est reliée à un conduit (30,40), l'axe de la boîte étant parallèle au sens d'empilement et perpendiculaire à la largeur et à la longueur des tôles - la ou les matrices du premier échangeur étant sensiblement identique(s) à celle(s) du deuxième échangeur, - le procédé consistant à adapter les échangeurs de la série: en partitionnant la boîte (24) en plusieurs compartiments (28) par un moyen de cloisonnement (26,32,34) prévu à cet effet, pour répartir le nombre d'ouvertures (20) assignées au premier fluide (A) et au deuxième fluide (B), le moyen de cloisonnement (26,32,34) étant conçu pour diviser ladite boîte en plusieurs compartiments (28) qui sont chacun reliés à un conduit (30) pour le passage du premier fluide (A) ou à un conduit (40) pour le passage du deuxième fluide (B) et qui communiquent chacun avec un nombre d'ouvertures (20) variant suivant la configuration adoptée par le moyen de cloisonnement (26,32,34), pour répartir le nombre d'ouvertures (20) assignées au premier fluide (A) et au deuxième fluide (B). 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen de cloisonnement (26) comporte au moins une première cloison (32,34), dans une boîte 11 principale (24) de répartition, dont la position sur la matrice est choisie entre une pluralité de positions qui permet de choisir le nombre d'ouvertures (20) assignées au premier fluide (A) et au deuxième fluide (B). 5 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ouvertures (20) sont alignées et espacées de façon régulière sur ladite face périphérique (22) de l'échangeur (10). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en 10 ce qu'une boîte principale (24) de répartition couvre la totalité des ouvertures (20). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3caractérisé en ce qu'une boîte principale de répartition (42) couvre une partie seulement des ouvertures (20) et au moins une autre boîte de répartition (42) couvre une autre partie, voire le reste, des 15 ouvertures. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduits (30) qui sont reliés auxdits compartiments (28) et/ou au moins un collecteur reliant différents conduits des différents corps d'échange de chaleur d'une 20 unité de séparation d'air entre eux, présente(nt) une position dans l'espace identique quelle que soit la configuration du moyen de cloisonnement (26,32,34) et/ou des boîtes. 7. Série d'échangeurs de chaleur fabriqués selon un procédé selon une des revendications précédentes. 25 8. Unité de séparation d'air comprenant au moins une série d'échangeurs de chaleur selon la revendication 7.