Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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La présente invention est relative aux
échangeurs de chaleur à contre-courant utilisés dans
les installations de traitement de fluides à fonc-
tionnement discontinu.
Ces installations posent des problèmes
particuliers, pour les raisons suivantes.
En régime de fonctionnement continu, un
échangeur de chaleur à contre-courant a un profil de
température à peu près linéaire entre son bout froid
et son bout chaud.
Ce profil étant lié à la température des
fluides qui le traversent et échangent de la chaleur
entre eux, tout arrêt brutal de circulation de ces
fluides provoque une uniformisation rapide, par con-
duction, des températures de l'échangeur vers unetempérature qui est sensiblement la moyenne des
températures du bout chaud et du bout froid.
L'échangeur subit donc des variations ra-
pides de température à ses extrémités, et un risque
majeur de déformation ou de rupture apparait lors des
redémarrages, du fait des chocs thermiques produits
par les fluides traités.
Par exemple~ dans le cas de l'échangeur de
chaleur principal d'une installation de distillation
d'air et de production d'azote du type HPN (High Pu-
rity Nitrogen), l'air traité à 8 bars entre à +20C et
est refroidi autour de -169C à contre-courant des
produits sortants : l'azote, réchauffé de -173C à
+15C, et le gaz résiduaire, réchauffé de -180C à
+15C. En régime permanent, l'échangeur a une tem-
pérature qui varie linéairement de -175C environ-au
bout froid jusqu'à environ +17C au bout chaud. Si
l'on arrête brusquement la circulation des fluides, la
température de l'échangeur va rapidement s'équilibrer
,
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autour de -80C.
L'invention a pour but d'éviter les risques
de déformation et de rupture de l'échangeur de chaleur
lors des redémarrages.
A cet effet, l'invention a pour objet un
procédé de conduite d'un échangeur de chaleur faisant
partie d'une installation de traitement ds fluides à
fonctionnement discontinu, du type dans lequel, pen-
dant des périodes de temps actives séparées par des
périodes d'arrêt, on fait circuler au moins un fluide
frigorigène dans des premiers passages de l'échangeur,
du bout froid au bout chaud de celui-ci, et au moins
un fluide calorigène dans des seconds passages de
l'échangeur, du bout chaud au bout froid de celui-ci,
caractérisé en ce que, pendant les périodes d'arrêt,
on apporte de la chaleur au bout chaud et du froid au
bout froid de l'échangeur de façon à maintenir ces
deux bouts à des températures relativement voisines de
celles correspondant aux périodes actives, l'un au
moins de ces deux apports étant fourni par un fluide
de réserve de l'installation.
Suivant d'autres caractéristiques :
- à la fin de chaque période d'arrêt, on
augmente progressivement lesdites quantités de chaleur
et/ou de froid pour amener progressivement les tempé-
ratures des deux bouts de l'échangeur aux températures
correspondant aux périodes actives;
- lorsque, pendant les périodes actives,
l'un des deux bouts de l'échangeur est à une tempéra-
ture voisine de la température ambiante, on met cebout de l'échangeur en relation d'échange thermique
avec l'atmosphère extérieure pendant les périodes
d'arrêt;
- dans le cas d'une installation cryogéni-
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que, on met le bout chaud en relation d'échange ther-
mique avec l'atmosphère extérieure par conduction et
le bout froid en relation d'échange thermique avec des
évaporations d'un liquide cryogénique de réserve de
l'installation;
- on apporte au bout chaud, pendant les
périodes d'arrêt, une quantité de chaleur addition-
nelle, notamment par effet Joule;
- on fait circuler lesdites évaporations du
bout froid au bout chaud de l'échangeur, dans lesdits
seconds passages de celui-ci ou dans des passages
spécialement prévus à cet effet.
L'invention a également pour ob;et un échan-
geur de chaleur destiné à la mise en oeuvre d'un tel
procédé. Cet échangeur, du type comprenant un bout
froid, un bout chaud, des premiers passages s'étendant
du bout froid au bout chaud pour la circulation d'un
fluide frigorigène, et des seconds passages s'étendant
du bout chaud au bout froid pour la circulation d'un
fluide calorigène, est caractérisé en ce qu'il compor-
te d'une part, à un premier bout, des supports thermi-
quement conducteurs s'étendant jusqu'à une source de
chaleur, et d'autre part des moyens pour mettre un
fluide de réserve de l'installation en relation
d'échange thermique avec l'autre bout de l'échangeur.
Suivant d'autres caractéristiques :
- lesdits moyens comprennent des passages de
l'échangeur spécialement prévus pour la circulation
dudit fluide de réserve, reliés à une réserve de`ce
fluide;
- l'échangeur étant du type à plaques bra-
sées, lesdits moyens comprennent un serpentin fixé en
relation d'échange thermique sur chaque face de
l'échangeur comportant les tranches d'extrémité des
.
:
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plaques, ce serpentin étant relié à une réserve du
fluide de stockage;
- le serpentin définit une surface d'échange
thermique plus importante au voisinage dudit autre
bout de l'échangeur ;
- les supports thermiquement conducteurs
sont équipés de moyens de chauffage additionnels, no-
tamment de résistances électriques.
Des exemples de mises en oeuvre de l'inven-
tion vont maintenant être décrits en regard du dessinannexé, sur lequel :
- la Fig.1 est une vue schématique partielle
en perspective d'un échangeur de chaleur conforme à
l'invention ; et
- la Fig.2 est une vue analogue d'un autre
mode de réalisation de l'échangeur de chaleur suivant
l'invention.
La Fig.1, qui ne représente que les éléments
utiles à la compréhension de l'invention, montre un
échangeur de chaleur à contre-courant du type à pla-
ques d'aluminium brasées, faisant partie d'une instal-
lation de traitement de fluides à fonctionnement dis-
continu, qui est typiquement une installation de dis-
tillation d'air. Il s'agit plus précisément dans cet
exemple d'une installation de production d'azote du
type HPN.
Comme il est bien connu, un échangeur à
plaques brasées est constitué d'un empilement de nom-
breuses plaques d'aluminium 2, supposées verticales,
qui sont toutes identiques, rectangulaires et paral-
lèles entre elles. Ces plaques délimitent entre elles
de nombreux passages plats. Sur les bords des plaques
sont prévues des barrettes-entretoises, et des inter-
ruptions judicieuses de ces barrettes définissent
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,
des fen8tres d'entrée ou de sortie de fluides dans des
groupes de passages sélectionnés.
Les entrées - sorties de fluides s'effec-
tuent grâce à des boites semi-cylindriques accolées
aux faces de l'échangeur comportant des barrettes.
Dans l'exemple considéré, l'extrémité infé-
rieure, ou bout froid, de l'échangeur comporte trois
boites :
- sur une face verticale de l'échangeur, une
boite 3 servant normalement à l'entrée d'azote gazeux,
frigorigène, produit par l'installation, cet azote
gazeux arrivant dans la boite 3 via une conduite 4
équipée d'une vanne d'arrêt 5 ;
- sur la face inférieure de l'échangeur, une
boite 6 servant normalement à l'entrée de gaz rési-
duaire, également frigorigène, de l'installation,
lequel gaz arrive dans la boite 6 via une conduite 7
équipée d'une vanne d'arrêt 8 ; et
- sur l'autre face verticale de l'échangeur,
~,JO une boite 9 servant à la sortie de l'air à distiller,
après refroidissement, cet air constituant le fluide
calorigène de l'échangeur de chaleur et sortant de la
boite 9 via une conduite 10.
La sortie hors de l'échangeur de l'azote et
.5 du gaz résiduaire s'effectue par des boites de sortie
respectives (non représentées) prévues à l'extrémité
supérieure, ou bout chaud, de l'échangeur ; de meme,
l'entrée de l'air à traiter s'effectue par une boite
d'entrée (non représentée) prévue à cette extrémité
supérieure.
Au voisinage de son bout chaud, l'échangeur
est monté sur deux supports horizontaux 11 qui s'éten-
dent jusqu'à une enveloppe extérieure métallique 12
de l'installation dont la face extérieure est au
'
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contact de l'atmosphère extérieure. Ces supports sont
thermiquement conducteurs et sont en contact étroit,
assurant un bon échange de chaleur, avec les faces
verticales respectives de l'échangeur 1 comportant les
boites 3 et 9, sur toute la largeur de ces faces.
L'installation de distillation d'air com-
prend une réserve de liquide cryogénique, qui est par
exemple un séparateur de phases liquide/vapeur, la
cuve d'une colonne de distillation ou un réservoir de
liquide. Cette réserve a été schématisée en 13, et on
supposera dans la suite qu'il s'agit d'un réservoir
d'azote liquide. De la partie supérieure de cette
réserve 13 part une conduite 14 équipée d'une vanne
d'arret 15. Cette conduite se divise en deux conduites
16, 17 aboutissant respectivement dans les boites 3 et
6.
Pendant les périodes de fonctionnement nor-
mal de l'installation, la circulation à contre-courant
d'une part des deux fluides frigorigènes (azote et gaz
-~D résiduaire), d'autre part de l'air à traiter calorigè-
ne, maintient les deux extrémités de l'échangeur 1 à
des températures définies, par exemple de l'ordre de
~15C pour le bout chaud avec un écart de température
d'environ 5C entre les fluides sortants et entrant,
et de l'ordre de -170 à -180C pour le bout froid,
avec un écart de température d'environ 10C entre les
fluides entrants et sortant.
Lorsque la production d'azote est interrom-
pue, on ferme les vannes 5 et 8 et on ouvre la va~ne
15. Ainsi, un débit contrôlé d'azote gazeux froid est
envoyé dans tous les passages de fluides frigorigènes,
tandis qu'un flux de chaleur à la température ambiante
atteint tous les passages de l'échangeur à son bout
chaud, via les supports 11.
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On peut ainsi, avec une très faible consom-
mation d'azote, maintenir entre le bout chaud et le
bout froid de l'échangeur, pendant des périodes d'ar-
ret de l'installation, un gradient de température re-
lativement voisin de celui correspondant au fonction-
nement normal de l'installation. Cette expression doit
etre comprise dans un sens très large comme désignant
un gradient de température entre une température
cryogénique, par exemple de l'ordre de -110C, pour le
bout froid, et une température voisine de l'ambiante,
par exemple de l'ordre de +5C, pour le bout chaud.
On évite ainsi les chocs thermiques lors du
redémarrage de l'installation, et on diminue du meme
coup le temps de redémarrage nécessaire pour atteindre
l'équilibre nominal de l'échangeur. De plus, les per-
tes thermiques sont réduites grâce au maintien per-
manent en froid du bout froid de l'échangeur.
Comme indiqué en trait mixte à la Fig.1, en
variante, l'échangeur 1 peut être pourvu de passages
supplémentaires spéclalement affectés à la circulatlon
des évaporations de la réserve 13 pendant les périodes
d'arrêt. Dans ce cas, la conduite 14 aboutit directe-
ment à une boîte d'entrée 3A, adjacente à la boîte 3,
débouchant dans ces passages supplémentaires.
Le mode de réalisation représenté à la Fig.2
diffère du précédent par les points suivants.
D'une part, au bout chaud de l'échangeur de
chaleur lA, les supports 11 sont munis de résistances
électriques 18 qui permettent d'apporter un supplément
contrôlé de chaleur à ce bout chaud, et donc de main-
tenir celui-ci à une température déterminée voisine-de
la température ambiante. Pour cela, le courant élec-
trique est envoyé dans ces résistances sous la comman-
de de sondes de température l9 associées à chaque
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support 11.
D'autre part, les évaporations de la
réserve d'azote liquide 13 sont amenées par la
conduite 14 non plus dans les boîtes 3 et 6 ou 3A,
mais dans des serpentins rapportés 20 accolés en
relation d'échange thermique sur les deux faces
verticales opposées de l'échangeur comportant les
boîtes 3 et 9.
Les deux serpentins 20 sont agencés en
zigzag, sur toute la largeur desdites faces, avec un
pas serré dans la zone froide de l'échangeur, où le
plus grand apport de froid est nécessaire, et un pas
progressivement croissant en remontant le long de
l'échangeur, jusqu'à leur sortie, voisine des
supports 11, qui est reliée à une conduite commune 21
d'évacuation d'azote réchauffé.
Les serpentins 20 sont fixés sur
l'échangeur de manière à être en contact thermique
avec tous les passages de l'échangeur. Cette
fixation peut avantageusement être mixte et comporter
une fixation mécanique et un collage au moyen d'une
résine cryogénique thermiquement conductrice
appropriee. `
Il est à noter que l'echangeur 1 ou lA peut
être monte soit dans une boîte froide classique à
pression atmospherique soit, dans certaines
installations, dans un espace sous vide délimite,
entre autres, par la paroi exterieure 12.
En variante, une autre manière de maintenir
un gradient de temperature dans l'echangeur pendant
les periodes d'arrêt de l'appareil, est de fournir
une puissance electrique constante au bout chaud par . -.
lesdites resistances, d'envoyer les evaporations de
la reserve 13 au bout froid de l'echangeur et de
contrôler la temperature du bout chaud par le debit
des evaporations de la reserve. Ainsi, les
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évaporations de la réserve 13 sont envoyées dans
l'échangeur (vanne 15 ouverte) lorsque la température
du bout chaud est supérieure à une limite supérieure
(10C par exemple), et elles sont arrêtées (vanne lS
fermée) lorsque la température du bout chaud devient
inférieure à une limite inférieure (0C par exemple).
Sous l'effet du flux de chaleur envoyé au bout chaud,
la température du bout chaud remonte et, quand elle
devient supérieure à la limite supérieure, les
évaporations de la réserve sont à nouveau introduites
dans l'échangeur.
