Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
2 ~ 2 ~
La présente invention est relative aux
échangeurs de chaleur indirects à plaques, c'est-à-dire
du type comprenant une série de plaques parallèles
delimitant entre elles des passages de forme générale
plate contenant des ondes-entretoises, un premier ensem-
ble de ces passages, constituant des passages d'échange
thermique, comportant des moyens d'entrée/sortie de
fluides destinés à échanger entre eux de la chaleur.
Ces échangeurs de chaleur sont particuliè-
rement rationnels à construire. En effet, il suffit
d'empiler tous leurs éléments (plaques, ondes servant
d'entretoises et d'ailettes, barrettes de fermeture des
passages) et de les relier les uns aux autres en une
seule opération par brasage dans un four.
Cependant, cet avantage est en pratique
partiellement perdu par la nécessité de raccorder à
l'échangeur de nombreux accessoires, tels que des
tuyauteries ou des séparateurs de phases, assurant les
fonctions auxiliaires de l'échangeur : recirculation du
liquide, stabilisation de l'alimentation en liquide,
séparation des phases des fluides diphasiques, etc. De
plus, dans de nombreux cas, il est nécessaire de posi-
tionner l'échangeur dans une enceinte de rétention de
liquide telle que la cuve d'une colonne de distillation.
Toutes ces opérations constituent des travaux de chau-
dronnerie, moins performants que le brasage au four.
L'invention a pour but de réduire le travail
de chaudronnerie associé à la mise en oeuvre des échan-
geurs de chaleur à plaques.
A cet effet, l'invention a pour objet un
échangeur de chaleur indirect du type précité, carac-
térisé en ce qu'il comprend, sur au moins une partie de
sa longueur et de sa largeur, des passages annexes, en
- ;~. i. ~
relation d'échange thermique réduite ou à peu près nulle
avec les passages d'echange thermique et agencés pour
remplir au moins une fonction annexe de l'échangeur de
chaleur, notamment une fonction de stoc~age de liquide
et/ou de recirculation de liquide et/ou de séparation li-
quide/vapeur.
Suivant d'autres caractéristiques :
- les passages annexes sont plus épais que
les passages d'échange thermique;
- les passages annexes contiennent des ondes
moins denses que celles des passages d'échange thermique;
- tous les passages annexes sont adjacents
les uns aux autres;
- les passages annexes sont distincts des
passages d'échange thermique et, de meme que ces der-
niers, s'étendent chacun sur toute la longueur et sur
toute la largeur de l'échangeur;
- au moins cèrtains passages de l'échangeur
constituent sur une partie de la largeur de celui-ci un
passage d'échange thermique et sur le reste de sa largeur
un passage annexe;
- au moins certains passages de l'échangeur
constituent sur une partie de la longueur de celui-ci un
passage d'échange thermique et sur le reste de sa
longueur un passage annexe;
- les passages annexes comprenant des passa-
ges de séparation liquide/vapeur, ces passages de
séparation contiennent un garnissage de séparation
liquide/vapeur disposé en regard d'une fenetre d'entrée
de fluide diphasique;
- le garnissage est constitué par une onde
"serrated" à génératrices obliques;
- les passages de séparation liquide/vapeur
comportent à leur extrémité supérieure une fenetre de
sortie de vapeur coiffée par une bolte de sortie, cette
.
3 ~ 7, ~
dernière communiquant avec des passages de renvoi de
vapeur à un niveau différent de l'échangeur.
Des exemples de réalisation de l'invention
vont maintenant être decrits en regard des dessins
5annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 représente en perspective, avec
arrachements, un échangeur de chaleur conforme à l'inven-
tion;
- les Figures 2 a 4 représentent respecti-
10vement, en coupe verticale, les trois types de passages
de cet échangeur;
- la Figure 5 illustre schématiquement une
variante du meme échangeur;
- la Figure 6 est une vue analogue à la
15Figure 1 d'un deuxième mode de réalisation de l'échangeur
de chaleur suivant l'invention;
- les Figures 7 et 8 représentent respecti-
vement, en coupe verticale, les deux types de passages
de cet échangeur;
20- les Figures 9 et 10 sont des vues analogues
respectivement aux Figures 7 et 8 d'une variante de
l'échangeur de chaleur de la Figure 6;
- les Figures 11 et 12 sont des vues
analogues respectivement aux Figures 7 et 8 d'une autre
25variante de l'échangeur de chaleur de la Figure 6;
- les Figures 13 et 14 sont des vues
analogues respectivement aux Figures 7 et 8 d'encore une
autre variante de l'échangeur de chaleur de la Figure 6;
- la Figure 15 illustre schématiquement une
30application d'un troisième mode de réalisation de l'é-
changeur de chaleur suivant l'invention;
- la Figure 16 est une vue analogue à la
Figure 1 de ce troisième mode de réalisation; et
- les Figures 17 et 18 représentent respec-
35tivement, en coupe verticale, les deux types de passages
.
de l'echangeur de la Figure 16.
L'échangeur de chaleur représenté aux Figures
1 à 4 est un vaporiseur de liquide, du type à thermosi-
phon. On le décrira dans son application en tant que
vaporiseur-condenseur principal d'une double colonne de
distillation d'air, mettant en relation d'échange
thermique l'azote gazeux de tete de la colonne moyenne
pression, sous environ 6 bars absolus, et l'oxygène
liquide de cuve de la colonne basse pression, sous
environ 1 bar absolu, afin de vaporiser l'oxygène en
condensant l'azote.
L'échangeur 1 comprend un corps parallélé-
pipédique 2 en aluminium, assemblé en une seule opération
par brasage au four, trois boîtes semi-cylindriques 3 à
5 d'entrée/sortie de fluides, et un dame supérieur 6, les
éléments 3 à 6 étant fixés à joint étanche sur le corps
- 2 par soudage.
Le corps 2 est constitué d'un grand nombre de
plaques verticales parallèles 7 entre lesquelles sont
délimités des passages 8 de forme générale plate conte-
nant des ondes-entretoises 9 à génératrices verticales.
Ces passages sont délimités par des barrettes de ferme-
ture 10 indiquées par des traits forts sur les Figures
2 à 4. Dans ce qui suit, on appellera "longueur" la
dimension verticale du corps 2, "épaisseur" sa dimension
horizontale perpendiculaire aux plaques 7, et "largeur"
sa dimension horizontale parallèle à ces plaques.
Le corps 2 est constitué de deux parties
juxtaposées : à gauche sur la Figure 1, une partie 2A
d'échange de chaleur, et à droite une partie annexe 2B
assurant les fonctions annexes de recirculation de liqui-
de, de séparation liquide/vapeur, de stockage de liquide
et d'alimentation uniforme en liquide de la partie 2A.
Les passages 8A de la partie 2A sont alter-
nativement de deux types différents, représentés res-
. .
5 ~'4 ~
pectivement sur les Figures 2 et 3 :
(1) des passages 8A-l de condensation
d'azote, fermés sur toute leur largeur en haut et en bas,
qui comportent latéralement à leur extrémité supérieure
une fenêtre 11 d'entrée d'azote gazeux et, en regard de
celle-ci, une onde oblique 12 de répartition de cet azote
gazeux sur toute la largeur du passage. La boîte 3
précitée recouvre toutes les fenêtres 11 et est alimentée
en azote gazeux par une conduite d'alimentation 13. Les
passages 8A-l comportent latéralement, du même côté et
à leur extrémité inférieure, une fenêtre 14 de sortie
d'azote liquide et, en regard de celle-ci, une onde
oblique 15 de collection de cet azote liquide débouchant
sur la fenêtre 14. La boîte 4 précitée recouvre toutes
les fenêtres 14 pour collecter l'azote liquide sortant
de celles-ci et l'évacuer via une conduite 16.
(2) Des passages 8A-2 de vaporisation
d'oxygène, fermés sur toute leur largeur en bas mais
ouverts sur toute leur largeur en haut, qui comportent
latéralement à leur extrémité inférieure une fenêtre 17A
d'entrée d'oxygène liquide, et en regard de celle-ci, une
onde oblique 18A de répartition de cet oxygène liquide
sur toute la largeur du passage. La boîte 5 précitée
recouvre toutes les fenêtres 17A.
Les passages 8B de la partie 2B, représentés
sur la Figure 4, ont la même constitution que les
passages de vaporisation d'oxygène 8A-2, leurs fenêtres
inférieures 17B communiquant également avec la boîte 5.
Toutefois, leurs ondes verticales 9B sont moins denses
que les ondes 9A-1 des passages 8A-1 et que les ondes 9A-
2 des passages 8A-2, grâce à un pas d'onde supérieur,
et/ou leur épaisseur est supérieure à celle des passages
8A-1 à celle des passages 8A-2.
Il résulte de la description ci-dessus que la
boîte 5 s' étend sur toute l'épaisseur du corps de
. - . -: ~
-. .:
' ~ :
.
6 ~ 3
l'échangeur, c'est-à-dire recouvre ses deux parties 2A
et 2B, tandis que les boîtes 3 et 4 ne s'étendent que sur
celle de la partie 2A.
Le dome 6 se raccorde tout le long des quatre
côtés de la base supérieure du parallélépipède formé par
le corps 2. Il est muni d'une conduite 19 d'alimentation
en oxygène liquide et d'une conduite 20 d'évacuation
d'oxygène gazeux qui part de son sommet.
En fonctionnement, l'azote gazeux est
condensé sous environ 6 bars absolus en descendant dans
les passages 8A-l, et les passages 8A-2 et 8B sont emplis
d'oxygène liquide sous environ 1 bar absolu, jusqu'à un
niveau situé dans le dôme 6, comme on le voit sur la
Figure 1.
La chaleur de condensation de l'azote met en
ébullition l'oxygène liquide contenu dans les passages
8A-l, ce qui provoque une circulation ascendante de
l'oxygène liquide dans ces passages par effet de thermo-
siphon. Des bulles d'oxygène gazeux se forment progressi-
vement de bas en haut des mêmes passages, de sorte que
c'est un mélange diphasique qui déborde à l'extrémité
supérieure de ces passages.
L'oxygène liquide ne pouvant descendre ni
dans les passages 8A-2, OU règne une circulation as-
cendante, ni dans les passages 8A-l, fermés en haut,
descend dans les passages 8B et, à l'extrémité inférieure
de ceux-ci, pénètre dans la boîte 5, via leurs fenêtres
latérales 17B ( Figure 4). Cet oxygène liquide coule
ensuite le long de la boîte 5 jusqu'aux fenêtres 17A
d'entrée des passages 8A-2 (Figure 3), de sorte que ceux-
ci sont alimentés en oxygène liquide.
Les passages 8B assurent donc la recircula-
tion de l'oxygène liquide en excès, la séparation des
deux phases de l'oxygène, et un stockage d'oxygène
liquide permettant d'alimenter sans à-coup et de manière
7 ~
uniforme en oxygène liquide les passages de vaporisation
8A-2.
Dans la plupart des passages 8B, la circu-
lation descendante de l'oxygène liquide n'est entravée
par aucun phénomène de vaporisation, puis~ue ces passages
ne sont pas en relation d'échange thermique avec les
passages d'azote. La situation est un peu différente pour
le passage 8B adjacent à la partie 2A du corps 2, mais
l'échange thermique y est réduit de façon importante
d'une part par la proximité d'un passage 8A-2, d'autre
part par la plus grande épaisseur des passages 8B et/ou
par la moindre densité de l'onde 9B, conduisant a un
effet d'ailette réduit.
La variante de la Figure 5 ne diffère de
celle qui vient d'être décrite que par le fait que la
partie 2B du corps 2 est divisée en deux sous-parties 2B-
1 et 2B-2 encadrant la partie d'échange thermique 2A.
Ceci montre que les passages auxiliaires 8B peuvent être
répartis de différentes manières. Toutefois, on préfère
actuellement l'agencement de la Figure 1, où le chauffage
des passages 8B est minimal.
Le mode de réalisation de l'échangeur de
chaleur représenté aux Figures 6 à 8 diffère essen-
tiellement du précédent par le fait que les parties 2A
et 2B du corps 2 sont réparties non plus suivant l'é-
paisseur de l'échangeur, mais suivant sa largeur, c'est-
à-dire qu'une partie de chaque passage 8 sert à l'échange
thermique et le reste aux fonctions annexes.
Ainsi, un passage sur deux est constitué, sur
la majeure partie de sa largeur (Figure 7), d'un passage
de condensation d'azote 8A-l ayant la constitution
décrite plus haut en regard de la Figure 2, et, sur le
reste de sa longueur, d'un passage annexe 8B-l ouvert en
haut et en bas et contenant une simple onde verticale 9B,
les passages 8A-1 et 8B-l étant séparés de façon étanche
' ,'
~ .
~, '
sur toute la longueur du corps 2 par une barrette verti-
cale 10.
Les autres passages sont constitués (Figure
8) d'un passage de vaporisation d'oxygène 8A-2 ouvert à
ses deux extrémités, de meme largeur que les passages 8A-
1 et situé en regard de ceux-ci, ce passage 8A-2 conte-
nant une simple onde verticale, et d'un passage annexe
8B-2 analogue aux passages 8B-l, avec interposition d'une
barrette verticale 10 entre les passages 8A-2 et 8B-2.
La boîte 5 de la Figure 1, destinée à
l'alimentation en oxygène liquide des passages 8A-2, est
supprimée et remplacée par un dôme inférieur 21 relié à
joint étanche aux quatre côtés inférieurs du corps 2.
Ainsi, les passages 8A-2 sont alimentés en oxygène
liquide directement par le bas.
En variante (Figures 9 et 10), les passages
8B-1 sont fermés en bas, et le dôme inférieur 21 est
remplacé par des perforations 22 prévues dans la partie
inférieure des plaques 7, dans les passages 8B-l.
L'oxygène liquide passe alors dans les passages de
vaporisation 8A-2 via une fenêtre latérale inférieure 17A
prévue à la base d'une barrette 10 sur deux, puis est
réparti par une onde oblique 18A sur la longueur des
passages 8A-2, de la même manière qu'à la Figure 3.
Cette variante peut être modifiée de la
manière illustrée aux Figures 11 et 12 : les trous 22
sont supprimés; chaque passage 8B-l comporte à sa base
une fenêtre de sortie 17B-1 et une onde oblique 18B comme
aux Figures 1 à 4, et chacun des passages 8B-2 comporte
à sa base une fenêtre d'entrée 17B-2. On retrouve la
boîte 5 des Figures 2 à 4, qui coiffe toutes les fenêtres
17B-1 et 17B-2. De plus, la partie inférieure des
passages 8B-2 comporte une onde 23 à génératrices
horizontales, par exemple, comme représenté, du type
"serrated", c'est-à-dire comportant à intervalles
réguliers des creves décalés verticalement d'un quart de
pas d'onde.
En variante encore (Figures 13 et 14), les
barrettes verticales 10 peuvent n'etre prévues qu'entre
les passages 8A-1 et 8B-l, aucune cloison ne séparant les
passages 8A-2 et 8B-2, lesquels comportent seulement une
onde commune verticale non perforée et, dans leur partie
inférieure, une onde horizontale 24 de forme triangulaire
qui s'étend sur toute la largeur de l'échangeur,
Dans une telle variante, dans un passage sur
deux, l'oxygène liquide suit un trajet descendant dans
la zone 8B-2, horizontal suivant l'onde 24 puis ascendant
dans la zone 8A-2. Dans cette dernière zone, l'oxygène
liquide se trouve en relation d'échange thermique
indirect avec l'azote qui se condense dans les passages
8A-l, et les passages 8B-l sont des zones mortes, qui
peuvent etre ouvertes vers le haut et par conséquent
emplies d'oxygène liquide, comme représenté, ou bien, en
variante, fermées à leurs deux extrémités.
La Figure 15 représente schématiquement une
application d'un échangeur à plaques servant de dé-
phlegmateur, par exemple pour produire de l'azote. Dans
un passage sur deux, l'air, introduit sous environ 6 bars
absolus, est partiellement condensé en montant, comme
illustré par les flèches 25, ce qui produit au bas de
ces passages du "liquide riche" (air enrichi en oxygène)
LR et, en haut des memes passages, de l'azote gazeux NG.
Pour assurer la condensation de l'air, le
liquide riche est détendu vers 1 bar absolu dans une
vanne de détente 26, ce qui produit un flash. La partie
supérieure des passages précités est utilisée pour
séparer les deux phases, lesquelles sont ensuite re-
combinées dans les passages restants, où le liquide riche
basse pression diphasique frigorigène circule de haut en
bas puis est évacué sous forme de liquide riche vaporisé ~!
" :
~3~ ,'
LRV.
La constitution de l'échangeur de chaleur est
représentee sur les Figures 16 à 18.
Un passage sur deux (Figure 17) est subdivisé
en deux parties par une barrette horizontale 27 :
(1) Une partie principale d'échange thermique
28, s'étendant à partir du bas de l'échangeur, qui
comporte, de bas en haut, une zone 29 de distribution
d'air et de collection de liquide riche, une zone de
déphlegmation 30 et une zone 31 de collection et d'éva-
cuation d'azote gazeux. La zone 29 contient une onde
oblique 32 perforée débouchant sur une fenetre latérale
33 d'entrée d'air et, sous cette onde, une onde verticale
34 qui débouche sur une fenêtre inférieure 35 de sortie
de liquide riche. La zone 30 contient une onde verticale
36, et la zone 31 contient une onde oblique 37 débouchant
sur une fenêtre latérale 38 d'évacuation d'azote. Des
boltes 39 d'entrée d'air, 40 de sortie de liquide riche
et 41 de sortie d'azote communiquent respectivement avec
les fenêtres 33, 35 et 38.
(2) Une partie annexe supérieure 42 formant
séparateur de phases. Cette partie contient, de bas en
haut, une zone de faible hauteur, sans onde, où chaque
plaque verticale présente une rangée horizontale de trous
43, une première zone contenant une onde verticale 44,
une zone contenant une onde "serrated" 45 à génératrices
obliques, communiquant avec une fenetre latérale d'entrée
46, une seconde zone contenant une onde verticale 47, et
une zone contenant une onde oblique 48 débouchant sur une
fenetre latérale de sortie 49. Des boltes 50 d'entrée de
liquide riche diphasique et 51 de sortie de liquide riche
vaporisé recouvrent les fenetres 46 et 49 respectivement.
Les passages restants 60 (Figure 18) compor-
tent, de haut en bas, une zone d'entrée de liquide riche
vaporisé communiquant avec une fenetre latérale d'entrée
52 et contenant une onde oblique 53, une zone contenant
une onde verticale 54, une zone sans onde, de faible
hauteur, dans laquelle débouchent les trous 43, une zone
d'échange thermique à onde verticale 55, et une zone de
sortie de liquide riche vaporisé contenant une onde
oblique 56 qui débouche sur une fenêtre de sortie 57. La
boîte 51 communique également avec les fenêtres 52, et
une bo;te de sortie 58 communique avec les fenêtres 57.
Lorsque le liquide riche détendu pénètre sous
forme diphasique dans la boite 50 puis dans les zones 42
de la Figure 17, il y rencontre une foret de petits
obstacles créés par les crevés de l'onde "serrated" 46.
Ceci provoque la séparation de ses deux phases. La phase
liquide se rassemble sur la barrette 27 et, en traversant
les trous 43, pénètre, sous la forme d'autant de jets,
dans les passages 60 adjacents de la Figure 18. En meme
temps, la phase vapeur est renvoyée par la boite 51 dans
les fenetres 52 de ces passages adjacents, de sorte que
cette vapeur circule vers le bas le long des ondes 54 et
se recombine avec le liquide au niveau des trous 43, pour
former un fluide diphasique frigorigène qui se vaporise
en descendant le long des ondes 55.
Dans une variante non représentée, on peut
utiliser la zone de séparation de phases 42 pour renvoyer
la phase vapeur séparée, via la boite 51 et les passages
contenant l'onde 54, à un niveau différent de l'échan-
geur, par exemple à son extrémité inférieure~ Dans ce
cas, la phase vapeur est sortie latéralement audit
niveau, reprise par une boite de sortie et envoyée par
celle-ci dans d'autres passages de l'échangeur.
