ÉCHANGEUR DE CHALEUR PRÉSENTANT DES ÉLÉMENTS DE MICROSTRUCTURE ET UNITÉ DE SÉPARATION COMPRENANT UN TEL ÉCHANGEUR DE CHALEUR

Description

[0001] La présente invention concerne un échange de chaleur entre un liquide primaire, par exemple contenant de l'oxygène, et un fluide secondaire, par exemple contenant de l'azote. De plus, la présente invention concerne une unité de séparation de gaz par cryogénie comprenant un tel échange de chaleur. La présente invention concerne plus particulièrement un échangeur de chaleur tel que défini par le préambule de la revendication 1, et tel que divulgué dans le document WO03/060413A1.

[0002] La présente invention s'applique au domaine des échangeurs de chaleurs configurés pour réaliser des échanges de chaleur entre un liquide primaire et un fluide secondaire. En particulier, la présente invention peut s'appliquer au domaine de la séparation de gaz par cryogénie, notamment de la séparation des gaz de l'air, des gaz acides et du gaz naturel.

[0003] EP0130122A1 décrit un échangeur de chaleur qui comprend généralement des plaques parallèles, des entretoises parallèles, qui définissent i) des canaux primaires et ii) des canaux secondaires, ainsi qu'une entrée reliée à un bain de liquide primaire via un distributeur. En général, chaque canal primaire a globalement une forme de prisme à base rectangulaire, le liquide primaire circulant le long du prisme et perpendiculairement à la base rectangulaire.

[0004] Lorsque l'échangeur de chaleur de EP0130122A1 est en service, le liquide primaire qui circule dans les canaux primaires échange de la chaleur avec le fluide secondaire qui s'écoule dans les canaux secondaires. Dans le cas d'une unité de séparation d'air par cryogénie, le liquide primaire contient une grande proportion d'oxygène et le fluide secondaire contient une grande proportion d'azote gazeux. Le débit de liquide primaire est relativement faible dans un canal primaire.

[0005] Cependant, comme le montre la figure 1 de la présente demande, les canaux primaires de EP0130122A1 ont des petites dimensions transversales, en l'occurrence millimétriques, de sorte que liquide primaire n'est pas réparti de manière homogène sur tout le périmètre rectangulaire 51 de chaque canal primaire lisse 50. Donc le liquide primaire forme des ménisques 52 et se concentre dans les coins 53 du périmètre rectangulaire 51 de chaque canal primaire lisse 50, ce qui induit l'apparition de zones sèches sur les côtés longs 54 du périmètre rectangulaire 51 de chaque canal primaire lisse 50.

[0006] Le nombre et la superficie des zones sèches augmentent au fur et à mesure de la vaporisation du liquide primaire s'écoulant vers les sorties des canaux primaires lisse. Ces zones sèches sont donc inutilisées lors des échanges de chaleur, ce qui réduit les performances de l'échangeur de chaleur. En outre, ces zones sèches risquent de causer des dépôts d'impuretés, ce qui peut peut à terme induire une défaillance dans la sécurité du personnel et du matériel.

[0007] La présente invention a notamment pour but de résoudre, en tout ou partie, les problèmes mentionnés ci-avant, en fournissant un échangeur de chaleur permettant de conserver des canaux primaires et secondaires avec une géométrie classique, sans générer de pertes de charge additionnelles, tout en augmentant le transfert thermique et la sécurité de l'échangeur de chaleur.

[0008] Dans ce but, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur, pour réaliser des échanges de chaleur entre un liquide primaire et un fluide secondaire, l'échangeur de chaleur comprenant au moins :

• plusieurs plaques disposées parallèlement entre elles,
• des entretoises s'étendant entre les plaques et disposées parallèlement entre elles de façon à définir i) des canaux primaires conformés pour l'écoulement du liquide primaire et ii) des canaux secondaires conformés pour l'écoulement du fluide secondaire, chaque canal primaire étant agencé de façon à pouvoir échanger de la chaleur avec au moins un canal secondaire respectif,
• une entrée de liquide primaire, destinée à être reliée fluidiquement à un distributeur de liquide primaire,

l'échangeur de chaleur étant caractérisé en ce que chaque canal primaire a globalement une forme de prisme à section polygonale, le prisme étant composé de plusieurs faces globalement planes, et
en ce que les canaux primaires comprennent des canaux primaires rugueux, chaque canal primaire rugueux présentant des éléments de microstructure ayant des dimensions comprises entre 1 µm et 300 µm, de préférence comprises entre 1 µm et 100 µm, et
en ce que les éléments de microstructure sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux :

où :

• r est le rapport de la surface réelle d'un canal primaire rugueux respectif, en tant que numérateur, sur la surface géométrique d'un canal primaire rugueux respectif, en tant que dénominateur,
• R_a (en m) est l'écart moyen arithmétique par rapport à la ligne moyenne, et
• ε est le taux de vide de la surface réelle d'un canal primaire rugueux respectif.

[0009] Le rapport r est parfois dénommé « taux de rugosité » ou « rugosité ». L'écart moyen arithmétique R_a (en m) représente la rugosité du canal primaire rugueux. Dans la présente demande, le terme « ligne moyenne » désigne une ligne située à l'altitude moyenne de la surface réelle. En pratique, la ligne moyenne peut être calculée à partir du relevé topographique du profil de coupe de la surface en appliquant la méthode des moindres carrés.

[0010] Dans la présente demande, le terme « taux de vide d'une surface » correspond à un taux calculé de la manière suivante : On considère une tranche dont l'épaisseur est égale à la hauteur du pic le plus élevé (par rapport au point le plus bas) de cette surface. Sur cette tranche, le taux de vide ε correspond au rapport du volume non occupé par des éléments de microstructure sur le volume total de la tranche. Ce rapport s'exprime comme suit :

où :

V_tot (en m³) est le volume compris entre le point le plus élevé et le point le plus bas de la surface réelle, et

V_surf (en m³) est le volume compris entre la surface réelle et le point le plus bas de la surface réelle.

[0011] Par conséquent :

où : R_z est la hauteur du pic le plus élevé par rapport au point le plus bas de la surface,

z (en m) est la hauteur d'un point respectif par rapport au point le plus bas de la surface réelle, la hauteur z étant mesurée point par point, z (en m) est la moyenne arithmétique de la hauteur z mesurée point par point.

[0012] Ainsi, un tel échangeur de chaleur permet de conserver des canaux primaires et secondaires avec une géométrie classique, donc simple à fabriquer et à mettre en oeuvre, sans générer de pertes de charge additionnelles, tout en augmentant le transfert thermique et la sécurité lorsque l'échangeur de chaleur est en service. En effet, les éléments de microstructure permettent d'augmenter le transfert thermique, car la superficie d'échange et la surface mouillée sont plus importantes. D'autre part, la sécurité de l'échangeur de chaleur est améliorée, en raison de la grande mouillabilité des canaux primaires, laquelle permet d'éviter toute vaporisation à sec d'oxygène. Par ailleurs, les mesures ont montré que la géométrie prismatique à base polygonale présentait des coefficients de transfert de chaleur plus élevés qu'une géométrie tubulaire à base circulaire par exemple.

[0013] Le traitement de surface, avec les éléments de microstructure, permet de mouiller tout le périmètre du canal primaire et donc d'augmenter la surface d'échange.

[0014] Dans la majorité des applications, le liquide primaire et le fluide secondaire sont des fluides cryogéniques. Le liquide primaire et le fluide secondaire introduits dans l'échangeur de chaleur peuvent être monophasiques, c'est-à-dire intégralement liquide ou intégralement gazeux, ou diphasiques, c'est-à-dire composés de liquide et de gaz. Au cours de leur écoulement dans l'échangeur de chaleur, les proportions des phases du liquide primaire et du fluide secondaire peuvent varier.

[0015] Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque section polygonale a des dimensions comprises entre 1 mm et 10 mm, de préférence entre 3 mm et 7 mm, une section polygonale rectangulaire ayant par exemple une longueur environ égale à 5 mm et une largeur environ égale à 1,5 mm.

[0016] Ainsi, de telles dimensions transversales permettent d'adapter l'échangeur de chaleur aux débits de liquide primaire et de fluide secondaire à traiter.

[0017] Selon un mode de réalisation de l'invention, des éléments de microstructure sont distribués sensiblement sur toute la périphérie interne de chaque canal primaire rugueux.

[0018] Ainsi, une telle distribution garantit le mouillage de toute la section polygonale de chaque canal primaire rugueux.

[0019] Selon un mode de réalisation de l'invention, pour chaque canal primaire rugueux respectif, les éléments de microstructure sont distribués sur au moins 80% de la surface du canal primaire rugueux.

[0020] Ainsi, chaque canal primaire rugueux est substantiellement couvert d'éléments de microstructure qui augmentent la superficie d'échange.

[0021] Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments de microstructure ont des dimensions semblables entre eux et des formes semblables entre eux, et dans lequel les éléments de microstructure sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux :

où : h (en m) est la hauteur moyenne des éléments de microstructure.

[0022] Ainsi, de tels éléments de microstructure semblables permettent d'obtenir une plus grande mouillabilité de chaque canal primaire rugueux et de contrôler l'épaisseur minimale du film de liquide primaire.

[0023] Par exemple, des dimensions semblables des éléments de microstructure peuvent présenter un écart de 20% d'un élément de microstructure à l'autre. Deux éléments de microstructure ayant des formes semblables ont toutes leurs dimensions semblables.

[0024] Dans la présente demande, le terme « surface réelle » désigne notamment la surface obtenue après fabrication et le terme « surface géométrique » désigne notamment une surface parfaite, donc lisse, abstraction faite des éléments de microstructure éventuellement présents ; une surface géométrique peut être intégralement définie géométriquement par des cotes nominales. La surface géométrique est parfois dénommée « surface projetée » lorsqu'elle est considérée dans un plan.

[0025] Dans la présente demande, le terme « surface » peut désigner soit une entité topologique soit la superficie de cette entité topologique.

[0026] Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments de microstructure sont distribués de manière homogène. En particulier, les éléments de microstructure peuvent être semblables et distribués de manière homogène.

[0027] Ainsi, une telle distribution homogène permet de garantir une plus grande mouillabilité de chaque canal primaire rugueux et de contrôler l'épaisseur minimale du film de liquide primaire.

[0028] Alternativement au mode de réalisation précédent, les éléments de microstructure peuvent être semblables et distribués de manière hétérogène, par exemple de manière aléatoire.

[0029] Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments de microstructure sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux :

où :

• d (en m) est la distance moyenne entre les centres des éléments de microstructure adjacents, les centres étant situés sur la surface géométrique du canal primaire rugueux,
• P (en m) est le périmètre moyen de la section des éléments de microstructure.

[0030] Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments de microstructure sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux :

et dans lequel les éléments de microstructure (30) sont en outre configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux (21) :

où : S (en m²) est la surface moyenne de la section des microstructures.

[0031] Des éléments de microstructure ainsi configurés permettent d'avoir une vitesse de propagation du liquide adaptée au procédé d'échange de chaleur.

[0032] Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments de microstructure ont des formes irrégulières, par exemple avec des dimensions irrégulières, les éléments de microstructure pouvant en outre être distribués de manière hétérogène, par exemple de manière aléatoire.

[0033] En d'autres termes, les intervalles entre deux éléments de microstructure voisins sont variables, donc non constants, sur toute la surface réelle du canal primaire rugueux considéré.

[0034] Ainsi, une telle distribution hétérogène permet d'obtenir une mouillabilité constante tout le long de chaque canal primaire rugueux, en limitant la superficie de chaque zone dépourvue d'éléments de microstructure.

[0035] Alternativement à cette variante, chaque élément de microstructure peut avoir une forme ou une géométrie régulière, par exemple globalement en forme de cylindre, prisme, cône ou autre. Dans cette variante, les éléments de microstructure de formes régulières sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux :

[0036] Mais dans une variante où les éléments de microstructure ont des formes irrégulières, les éléments de microstructure sont configurés de sorte que :

[0037] Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments de microstructure sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux :

[0038] De tels éléments de microstructure forment une rugosité qui augmente particulièrement la mouillabilité de la surface de chaque canal primaire rugueux, ce qui permet au liquide de mouiller toute la surface du canal primaire rugueux même en présence d'un recoin.

[0039] Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque canal primaire rugueux parmi au moins une partie des canaux primaires rugueux a globalement une forme de prisme à base rectangulaire.

[0040] Comme l'indique l'adverbe « globalement », le prisme peut avoir une base approximativement rectangulaire. Par exemple, les arêtes du rectangle définissant la base du prisme peuvent être arrondies, par exemple par de la brasure.

[0041] Ainsi, une telle forme de canal primaire rugueux, à base rectangulaire, permet de conserver des canaux primaires rugueux et secondaires avec une géométrie classique, donc simple à fabriquer et à mettre en oeuvre lors de l'assemblage de l'échangeur de chaleur.

[0042] Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments de microstructure sont distribués seulement sur les côtés longs de la base rectangulaire.

[0043] En d'autres termes, les côtés courts du périmètre rectangulaire sont dépourvus d'éléments de microstructure. En effet, les côtés courts peuvent être mouillés en raison de la formation naturelle des ménisques au niveau des coins du périmètre rectangulaire.

[0044] Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments de microstructure sont distribués de façon à définir entre eux des passages pour l'écoulement du liquide primaire.

[0045] En d'autres termes, les éléments de microstructure s'étendent globalement au-dessus du niveau de la surface géométrique.

[0046] Ainsi, les éléments de microstructure sont distribués de façon à définir un état de surface avec une rugosité ouverte, c'est-à-dire une rugosité définie par des pics ou des massifs mais sans cavités étroites. Une cavité est considéré comme étroite lorsque les pics qui l'entourent sont trop proches pour permettre une circulation du liquide.

[0047] Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque canal primaire rugueux a une rugosité arithmétique R_a comprise entre 1 µm et 60 µm.

[0048] Ainsi, une telle rugosité arithmétique permet d'obtenir une grande mouillabilité des canaux primaires rugueux.

[0049] Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque canal primaire rugueux présente des éléments de nanostructure distribués sur au moins 80% de sa longueur, chaque élément de nanostructure ayant des dimensions comprises entre 1 nm et 500 nm.

[0050] Ainsi, de tels éléments de nanostructure permettent de maximiser la mouillabilité de chaque canal primaire rugueux.

[0051] Selon une variante de l'invention, les éléments de nanostructure sont distribués sur la surface de chaque canal primaire rugueux. Alternativement ou complémentairement à cette variante de l'invention, les éléments de nanostructure peuvent être distribués sur les surfaces des éléments de microstructure.

[0052] Selon une variante de l'invention, le revêtement est composé d'un matériau métallique et/ou d'un matériau inorganique, par exemple d'un matériau céramique. Le revêtement peut être obtenu par dépôt par projection (parfois désigné par le terme anglais « spray ») de particules et/ou de fibres sur la surface de chaque canal primaire rugueux.

[0053] Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments de microstructure sont formés par un traitement de la surface de chaque élément primaire, par exemple par anodisation, par sablage, par grenaillage ou par gravure chimique ou encore par frittage de poudre, par projection de métal fondu, par laser, par photolithographie ou par gravure mécanique de type laminage, brossage ou impression.

[0054] De plus, les éléments de microstructure peuvent être formés par un revêtement obtenu par imprégnation, par dépôt de projection par dépôt au plasma, par un procédé de fabrication additive, par exemple par impression tridimensionnelle

[0055] Selon une variante de l'invention, les plaques et/ou les entretoises sont composées de matériaux sélectionnés dans le groupe constitué de l'aluminium, du cuivre, du nickel, du chrome, du fer et des alliages d'aluminium, d'un alliage de cuivre, de nickel, de chrome, de fer, par exemple d'un alliage nickel-chrome ou d'un alliage nickel-chrome-fer.

[0056] Ainsi, de telles plaques et/ou entretoises permettent de traiter les liquides primaires et les fluides secondaires usuels dans le domaine de la cryogénie, par exemple un liquide contenant de l'oxygène et un gaz contenant de l'azote pour séparer les gaz de l'air, les gaz acides et le gaz naturel.

[0057] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'échangeur de chaleur est configuré pour former un vaporiseur-condenseur, les longueurs des canaux primaires rugueux et les longueurs des canaux secondaires étant déterminées de sorte que les échanges de chaleur permettent de vaporiser totalement ou partiellement le liquide primaire et de condenser totalement ou partiellement du fluide secondaire introduit sous forme de gaz secondaire.

[0058] Ainsi, un tel vaporiseur-condenseur permet de traiter les liquides primaires et les fluides secondaires usuels dans le domaine de la cryogénie, par exemple un liquide contenant de l'oxygène et un gaz contenant de l'azote pour séparer les composants de l'air.

[0059] Selon un mode de réalisation de l'invention, ladite entrée de liquide primaire est placée à une altitude supérieure aux canaux primaires rugueux lorsque l'échangeur de chaleur est en service de sorte que le distributeur de liquide primaire introduit le liquide primaire sous forme de film s'écoulant par gravité à travers ladite au moins une entrée de liquide primaire dans les canaux primaires rugueux.

[0060] Selon une variante de l'invention, les canaux secondaires comprennent des canaux secondaires rugueux, chaque canal secondaire rugueux étant formé de manière semblable aux canaux primaires rugueux. En particulier, un canal secondaire rugueux peut présenter des éléments de microstructure qui ont des dimensions comprises entre 1 µm et 300 µm, de préférence comprises entre 1 µm et 100 µm, et qui satisfont les équations applicables aux canaux primaires rugueux. Plus généralement, chacune des caractéristiques mentionnées ci-avant pour les canaux primaires rugueux peut s'appliquer aux canaux secondaires rugueux. Cependant, ces caractéristiques ne sont pas répétées ici, afin de faciliter la lecture de la présente demande de brevet.

[0061] Par ailleurs, la présente invention a pour objet une unité de séparation, pour séparer du gaz par cryogénie, l'unité de séparation comprenant au moins un échangeur de chaleur formant vaporiseur-condenseur selon l'invention, le vaporiseur-condenseur étant configuré pour permettre un échange de chaleur entre un liquide contenant de l'oxygène et un gaz contenant de l'azote.

[0062] Ainsi, une telle unité de séparation de gaz par cryogénie permet de traiter les liquides primaires et les fluides secondaires usuels dans le domaine de la cryogénie, par exemple un liquide contenant de l'oxygène et un gaz contenant de l'azote pour séparer les composants de l'air.

[0063] Les modes de réalisation et les variantes mentionnés ci-avant peuvent être pris isolément ou selon toute combinaison techniquement admissible.

[0064] La présente invention sera bien comprise et ses avantages ressortiront aussi à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

• la figure 1 est une section transversale d'un canal primaire lisse de l'état de l'art ;
• la figure 2 est une vue schématique en perspective d'une une unité de séparation conforme à l'invention et comprenant un échangeur de chaleur conforme à l'invention ;
• la figure 3 est une section transversale d'un canal primaire rugueux conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 4 est une vue en perspective illustrant des éléments de microstructure disposée sur le canal primaire rugueux de la figure 1 ;
• la figure 5 est une vue en perspective illustrant des éléments de microstructure disposée sur un canal primaire rugueux conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 6 est une vue schématique en coupe d'un motif formant des éléments de microstructure pour le canal primaire rugueux de la figure 4 ; et
• la figure 7 est une vue schématique en coupe d'un motif formant des éléments de microstructure pour un canal primaire rugueux conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention.

[0065] Les figures 2, 3 et 4 illustrent un échangeur de chaleur 1 pour réaliser des échanges de chaleur entre un liquide primaire et un fluide secondaire. L'échangeur de chaleur 1 appartient à une unité de séparation 2 pour séparer les composants de l'air par cryogénie.

[0066] Dans l'exemple des figures 2 à 4, l'échangeur de chaleur 1 est configuré pour former un vaporiseur-condenseur configuré pour permettre un échange de chaleur entre un liquide contenant de l'oxygène et un gaz contenant de l'azote. L'échangeur à plaque 1 peut ainsi être utilisé pour vaporiser un liquide riche en oxygène par échange de chaleur avec un gaz riche en azote qui est concomitamment condensé.

[0067] L'échangeur de chaleur 1 comprend plusieurs plaques 11, qui sont disposées parallèlement entre elles, et des entretoises 12, qui s'étendent entre les plaques 11 et qui sont aussi disposées parallèlement entre elles. Dans l'exemple des figures 2 à 4, les plaques 11 et les entretoises 12 sont composées d'un alliage d'aluminium. Les plaques 11 sont brasées entre elles de manière connue en soi.

[0068] Les entretoises 12 sont disposées de façon à définir :

i) des canaux primaires conformés pour l'écoulement du liquide primaire, en l'occurrence contenant du dioxygène liquide (O2L), les canaux primaires comprenant des canaux primaires rugueux 21 ; et

ii) des canaux secondaires 22 conformés pour l'écoulement du fluide secondaire, en l'occurrence contenant du diazote gazeux (N2G).

[0069] Chaque canal primaire rugueux 21 est agencé de façon à pouvoir échanger de la chaleur avec deux canaux secondaires respectifs 22. À cet effet, les canaux primaires rugueux 21 et les canaux secondaires 22 se succèdent en alternance suivant une direction d'empilement D des plaques 11. Les canaux primaires rugueux 21 et les canaux secondaires 22 sont ici montés dans une configuration à contre-courant. Alternativement, les canaux primaires rugueux 21 et les canaux secondaires 22 peuvent être montés dans une configuration à co-courant.

[0070] L'échangeur de chaleur 1 comprend en outre une entrée 14 de liquide primaire qui est reliée fluidiquement à un distributeur de liquide primaire 6 appartenant à l'unité de séparation 2. Le liquide primaire O2L forme un bain au-dessus du distributeur de liquide primaire 6.

[0071] L'entrée 14 est placée à une altitude supérieure aux canaux primaires rugueux 21 lorsque l'échangeur de chaleur 1 est en service. L'altitude est mesurée de manière usuelle par référence à une direction verticale dans le sens ascendant. Ainsi, le distributeur de liquide primaire 6 introduit le liquide primaire sous forme de film s'écoulant par gravité à travers l'entrée 14 dans les canaux primaires rugueux.

[0072] Par ailleurs, chaque canal primaire rugueux 21 a globalement une forme de prisme à section polygonale et s'étendant le long d'une direction longitudinale X. Ce prisme est composé de plusieurs faces globalement planes. Les arêtes du rectangle définissant la base du prisme sont ici un peu arrondies par la brasure. Chaque section polygonale -ou périmètre polygonal- du prisme a ici des dimensions comprises entre 1 mm et 5 mm.

[0073] Comme le montre la figure 3, chaque canal primaire rugueux 21 a ici globalement une forme de prisme à base rectangulaire et s'étendant le long de la direction longitudinale X. En l'occurrence, la section rectangulaire a une hauteur H21 environ égale à 4,5 mm et une largeur W21 environ égale à 1,5 mm. Lorsque l'échangeur de chaleur 1 est en service, le liquide primaire s'écoule le long du prisme et perpendiculairement à la base rectangulaire.

[0074] De plus, comme le montre la figure 3, chaque canal primaire rugueux 21 présente des éléments de microstructure 30. Les éléments de microstructure 30 sont distribués ou répartis sur au moins 80% de la longueur L21 du canal primaire rugueux 21 considéré. Pour dimensionner l'unité de séparation 2, les longueurs L21 des canaux primaires rugueux 21 et les longueurs des canaux secondaires 22 sont déterminées de sorte que les échanges de chaleur permettent de vaporiser tout ou partie du liquide primaire et de condenser tout ou partie du fluide secondaire introduit sous forme de gaz secondaire.

[0075] Chaque élément de microstructure 30 a des dimensions comprises entre 1 µm et 300 µm. Chaque élément de microstructure 30 a ici globalement la forme d'un cylindre étroit. Comme le montre la figure 4, les éléments de microstructure 30 ont des dimensions et des formes semblables entre eux. Les éléments de microstructure 30 sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux 21 :

où :

• r est le rapport de la surface réelle d'un canal primaire rugueux respectif 21, en tant que numérateur, sur la surface géométrique d'un canal primaire rugueux respectif 21, en tant que dénominateur,
• R_a (en m) est l'écart moyen arithmétique par rapport à la ligne moyenne, et
• ε est le taux de vide de la surface réelle d'un canal primaire rugueux respectif 21.

[0076] Dans l'exemple des figures 1 à 4, les éléments de microstructure 30 sont réguliers et répartis uniformément, et ils sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux 21 :

où : h (en m) est la hauteur moyenne des éléments de microstructure 30, la hauteur moyenne étant calculée à partir des hauteurs H30 de chaque élément de microstructure 30.

[0077] Dans l'exemple de la figure 4, les éléments de microstructure 30 ne sont pas distribués sur toute la section rectangulaire de chaque canal primaire rugueux 21. Au contraire, les éléments de microstructure 30 sont distribués seulement sur les côtés longs 44 de la section rectangulaire de chaque canal primaire rugueux 21, mais pas sur les côtés courts 45. En d'autres termes, les côtés courts 45 sont dépourvus d'éléments de microstructure 30. En effet, les côtés courts 45 sont mouillés en raison de la formation naturelle des ménisques au niveau des coins de la section rectangulaire.

[0078] Les éléments de microstructure 30 sont distribués de façon à définir entre eux des passages pour l'écoulement du liquide primaire O2L, ce qui définit un état de surface avec une rugosité ouverte. De plus, les éléments de microstructure 30 sont distribués de manière homogène. En d'autres termes, l'intervalle entre deux éléments de microstructure 30 successifs est sensiblement constant le long d'une direction quelconque. Les éléments de microstructure 30 sont donc agencés suivant une matrice uniforme et ordonnée.

[0079] Les éléments de microstructure 30 sont ici configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux 21 :

où :

[0080] Les éléments de microstructure 30 sont ici configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux 21 :

où :

• d (en m) est la distance moyenne entre les centres des éléments de microstructure 30 adjacents, les centres étant situés sur la surface géométrique du canal primaire rugueux 21, la distance moyenne étant calculée à partir de chaque distance d30 séparant, deux à deux, les centres des éléments de microstructure 30 adjacents,
• P (en m) est le périmètre moyen de la section des éléments de microstructure 30, et

[0081] De plus, les éléments de microstructure 30 sont ici configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux 21 :

[0082] En outre, les éléments de microstructure 30 sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux 21 :

où : S (en m²) est la surface moyenne de la section des microstructures.

[0083] En raison de la présence des éléments de microstructure 30, chaque canal primaire rugueux 21 a une rugosité arithmétique Ra comprise entre 1 µm et 60 µm. La rugosité arithmétique Ra est un paramètre statistique représentant l'écart moyen arithmétique par rapport à la ligne moyenne de la surface d'un canal primaire rugueux 21 considéré.

[0084] En outre, chaque canal primaire rugueux 21 peut présenter des éléments de nanostructure (non représentés) distribués sur au moins 80% de sa longueur L21. Chaque élément de nanostructure a des dimensions comprises entre 1 nm et 100 nm. Les éléments de nanostructure peuvent être distribués sur la surface de chaque canal primaire rugueux 21 et sur les surfaces des éléments de microstructure 30.

[0085] Par ailleurs, les éléments de microstructure 30 forment un revêtement obtenu ici par dépôt de projection (parfois désigné par le terme anglais « spray ») de particules sur la surface de chaque canal primaire rugueux 21. Les particules formant ce revêtement sont ici composées d'un matériau métallique.

[0086] Les figures 5 et 6 illustrent une partie d'un canal primaire rugueux 121 appartenant à un échangeur de chaleur conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention. Dans la mesure où le canal primaire rugueux 121 est similaire au canal primaire rugueux 21, la description de l'échangeur de chaleur et du canal primaire rugueux 21 donnée ci-avant en relation avec les figures 1 à 4 peut être transposée au canal primaire rugueux 121 et à son échangeur de chaleur, à l'exception des différences notables énoncées ci-après.

[0087] Le canal primaire rugueux 121 diffère du canal primaire rugueux 21, essentiellement car les éléments de microstructure 130 ont une forme de cylindre relativement large et haute et car l'intervalle entre deux éléments de microstructure 130 est plus grand que l'intervalle entre deux éléments de microstructure 30.

[0088] La figure 7 illustre, en section dans un plan x-z, une partie d'un canal primaire rugueux 221 appartenant à un échangeur de chaleur conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention. Dans la mesure où le canal primaire rugueux 221 est similaire au canal primaire rugueux 21, la description de l'échangeur de chaleur et du canal primaire rugueux 21 donnée ci-avant en relation avec les figures 1 à 4 peut être transposée au canal primaire rugueux 221 et à son échangeur de chaleur, à l'exception des différences notables énoncées ci-après.

[0089] Le canal primaire rugueux 221 diffère du canal primaire rugueux 21, notamment car les éléments de microstructure 230 ont des formes et des dimensions irrégulières, donc dissemblables entre elles. De plus, le canal primaire rugueux 221 diffère du canal primaire rugueux 21, notamment car les éléments de microstructure 230 sont distribués de manière hétérogène, en l'occurrence de manière aléatoire. En d'autres termes, les intervalles entre deux éléments de microstructure 230 voisins sont variables, donc non constants, sur toute la surface réelle du canal primaire rugueux 221.

[0090] Les éléments de microstructure 230 sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux 21 :

[0091] À la figure 7, une ligne moyenne z représente la moyenne arithmétique de la hauteur z mesurée point par point, incluant par exemple des hauteurs z1, z2, z3, z4 et z5. R_z est la hauteur du pic le plus élevé par rapport au point le plus bas de la surface.

[0092] Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers décrits dans la présente demande de brevet, ni à des modes de réalisation à la portée de l'homme du métier. D'autres modes de réalisation peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l'invention, à partir de tout élément équivalent à un élément indiqué dans la présente demande de brevet.

Revendications

1. Échangeur de chaleur (1), pour réaliser des échanges de chaleur entre un liquide primaire (O2L) et un fluide secondaire (N2G), l'échangeur de chaleur (1) comprenant au moins :

- plusieurs plaques (11) disposées parallèlement entre elles,

- des entretoises (12) s'étendant entre les plaques (11) et disposées parallèlement entre elles de façon à définir i) des canaux primaires (21 ; 121 ; 221) conformés pour l'écoulement du liquide primaire (O2L) et ii) des canaux secondaires (22) conformés pour l'écoulement du fluide secondaire (N2G), chaque canal primaire (21) étant agencé de façon à pouvoir échanger de la chaleur avec au moins un canal secondaire (22) respectif, et

- une entrée de liquide primaire (14), destinée à être reliée fluidiquement à un distributeur de liquide primaire (O2L), chaque canal primaire (21) a globalement une forme de prisme à section polygonale, le prisme étant composé de plusieurs faces globalement planes, les canaux primaires comprennent des canaux primaires rugueux, chaque canal primaire rugueux (21) présentant des éléments de microstructure (30 ; 130 ; 230 ; 330) ayant des dimensions comprises entre 1 µm et 300 µm, de préférence comprises entre 1 µm et 100 µm, l'échangeur de chaleur étant caractérisé

en ce que les éléments de microstructure (30) sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux (21) :

ou :

- r est le rapport de la surface réelle d'un canal primaire rugueux respectif (21), en tant que numérateur, sur la surface géométrique d'un canal primaire rugueux respectif (21), en tant que dénominateur,

- R_a (en m) est l'écart moyen arithmétique par rapport à la ligne moyenne, et

- ε est le taux de vide de la surface réelle d'un canal primaire rugueux respectif (21).

2. Échangeur de chaleur (1) selon la revendication 1, dans lequel chaque section polygonale a des dimensions (H21, W21) comprises entre 1 mm et 10 mm, de préférence entre 3 mm et 7 mm, une section polygonale rectangulaire ayant par exemple une longueur environ égale à 5 mm et une largeur environ égale à 1,5 mm.

3. Échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel des éléments de microstructure sont distribués sensiblement sur toute la périphérie interne de chaque canal primaire rugueux.

4. Échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, pour chaque canal primaire rugueux respectif (21), les éléments de microstructure (30) sont distribués sur au moins 80% de la surface du canal primaire rugueux (21).

5. Échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments de microstructure (30) ont des dimensions semblables entre eux et des formes semblables entre eux, et dans lequel les éléments de microstructure (30) sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux (21) :

où : h (en m) est la hauteur moyenne des éléments de microstructure (30).

6. Échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments de microstructure (30) sont distribués de manière homogène.

7. Échangeur de chaleur selon la revendication 6, dans lequel les éléments de microstructure (30) sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux (21) :

où :

- d (en m) est la distance moyenne entre les centres des éléments de microstructure (30) adjacents, les centres étant situés sur la surface géométrique du canal primaire rugueux (21),

- P (en m) est le périmètre moyen de la section des éléments de microstructure (30).

8. Échangeur de chaleur selon la revendication 7, dans lequel les éléments de microstructure (30) sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux (21) :

et dans lequel les éléments de microstructure (30) sont en outre configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux (21) :

où : S (en m²) est la surface moyenne de la section des microstructures.

9. Échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les éléments de microstructure ont des formes irrégulières, les éléments de microstructure (30) pouvant en outre être distribués de manière hétérogène, par exemple de manière aléatoire.

10. Échangeur de chaleur selon la revendication 9, dans lequel les éléments de microstructure (30) sont configurés de sorte que, pour chaque canal primaire rugueux (21) :

11. Échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque canal primaire rugueux (21) parmi au moins une partie des canaux primaires rugueux (21) a globalement une forme de prisme à base rectangulaire.

12. Échangeur de chaleur (1) selon la revendication 6, dans lequel les éléments de microstructure (30) sont distribués seulement sur les côtés longs (44) de la base rectangulaire.

13. Échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments de microstructure (30) sont distribués de façon à définir entre eux des passages pour l'écoulement du liquide primaire.

14. Échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque canal primaire rugueux (21) a une rugosité arithmétique Ra comprise entre 1 µm et 60 µm.

15. Unité de séparation (2), pour séparer du gaz par cryogénie, l'unité de séparation comprenant au moins un échangeur de chaleur formant vaporiseur-condenseur selon la revendication 13, le vaporiseur-condenseur étant configuré pour permettre un échange de chaleur entre un liquide contenant de l'oxygène et un gaz contenant de l'azote.

Ansprüche

1. Wärmeaustauscher (1), um Wärmeaustausche zwischen einer primären Flüssigkeit (O2L) und einer sekundären Flüssigkeit (N2G) durchzuführen, wobei der Wärmeaustauscher (1) mindestens umfasst:

- mehrere Platten (11), die untereinander parallel angeordnet sind,

- Zwischenstücke (12), die sich zwischen den Platten (11) erstrecken und parallel untereinander derart angeordnet sind, dass sie i) primäre Kanäle (21; 121; 221), die für das Strömen der primären Flüssigkeit (O2L) angepasst sind, und ii) sekundäre Kanäle (22) definieren, die für das Strömen der sekundären Flüssigkeit (N2G) angepasst sind, wobei jeder primäre Kanal (21) derart angeordnet ist, dass er Wärme mit mindestens einem entsprechenden sekundären Kanal (22) austauschen kann, und

- einen Einlass von primärer Flüssigkeit (14), der dazu bestimmt ist, um fluidisch mit einem Ausgeber von primärer Flüssigkeit (O2L) verbunden zu sein,

wobei jeder primäre Kanal (21) im Allgemeinen eine Prismenform mit polygonalem Schnitt aufweist, wobei das Prisma aus mehreren im Allgemeinen ebenen Seiten zusammengesetzt ist, wobei die primären Kanäle raue primäre Kanäle umfassen, wobei jeder raue primäre Kanal (21) Mikrostrukturelemente (30; 130; 230; 330) vorweist, die Dimensionen aufweisen, die zwischen 1 µm und 300 µm, vorzugsweise zwischen 1 µm und 100 µm liegen, wobei der Wärmeaustauscher dadurch gekennzeichnet ist, dass die Mikrostrukturelemente (30) derart konfiguriert sind, dass, für jeden rauen primären Kanal (21):

wobei:

- r das Verhältnis der reellen Oberfläche eines entsprechenden rauen primären Kanals (21) als Zähler zur geometrischen Oberfläche eines entsprechenden rauen primären Kanals (21) als Nenner ist,

- R_a (in m) die mittlere arithmetische Abweichung mit Bezug auf die mittlere Linie ist, und

- ε die Porenzahl der reellen Oberfläche eines entsprechenden rauen primären Kanals (21) ist.

2. Wärmeaustauscher (1) nach Anspruch 1, wobei jeder polygonale Schnitt Abmessungen (H21, W21) aufweist, die zwischen 1 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 3 mm et 7 mm liegen, wobei ein rechtwinkliger polygonaler Schnitt z. B. eine Länge von ungefähr gleich 5 mm und eine Breite von ungefähr gleich 1,5 mm aufweist.

3. Wärmeaustauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Mikrostrukturelemente im Wesentlichen auf dem gesamten inneren Umfang jedes rauen primären Kanals verteilt sind.

4. Wärmeaustauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei für jeden entsprechenden rauen primären Kanal (21) die Mikrostrukturelemente (30) auf mindestens 80 % der Oberfläche des rauen primären Kanals (21) verteilt sind.

5. Wärmeaustauscher (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mikrostrukturelemente (30) Abmessungen, die untereinander ähnlich sind, und Formen, die untereinander ähnlich sind, aufweisen, und wobei die Mikrostrukturelemente (30) derart konfiguriert sind, dass für jeden rauen primären Kanal (21):

wobei: h (in m) die mittlere Höhe der Mikrostrukturelemente (30) ist.

6. Wärmeaustauscher (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mikrostrukturelemente (30) auf homogene Weise verteilt sind.

7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, wobei die Mikrostrukturelemente (30) derart konfiguriert sind, dass für jeden rauen primären Kanal (21):

wobei:

- d (in m) der mittlere Abstand zwischen den Zentren der benachbarten Mikrostrukturelemente (30) ist, wobei sich die Zentren auf der geometrischen Oberfläche des rauen primären Kanals (21) befinden,

- P (in m) der mittlere Umfang des Schnitts der Mikrostrukturelemente (30) ist.

8. Wärmeaustauscher (1) nach Anspruch 7, wobei die Mikrostrukturelemente (30) derart konfiguriert sind, dass für jeden rauen primären Kanal (21):

und wobei die Mikrostrukturelemente (30) weiter derart konfiguriert sind, dass für jeden rauen primären Kanal (21):

wobei: S (in m²) die mittlere Oberfläche des Mikrostrukturschnitts ist.

9. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Mikrostrukturelemente unregelmäßige Formen aufweisen, wobei die Mikrostrukturelemente (30) weiter auf heterogene Weise, z. B. auf aleatorische Weise, verteilt sein können.

10. Wärmeaustauscher nach Anspruch 9, wobei die Mikrostrukturelemente (30) derart konfiguriert sind, dass für jeden rauen primären Kanal (21):

11. Wärmeaustauscher (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder raue primäre Kanal (21) aus mindestens einem Teil der rauen primären Kanäle (21) im Allgemeinen eine Prismenform mit rechteckiger Basis aufweist.

12. Wärmeaustauscher (1) nach Anspruch 6, wobei die Mikrostrukturelemente (30) nur auf den langen Seiten (44) der rechteckigen Basis verteilt sind.

13. Wärmeaustauscher (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mikrostrukturelemente (30) derart verteilt sind, dass sie untereinander Durchlässe zum Strömen der primären Flüssigkeit definieren.

14. Wärmeaustauscher (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder raue primäre Kanal (21) eine arithmetische Rauigkeit Ra aufweist, die zwischen 1 µm und 60 µm liegt.

15. Trenneinheit (2), um Gas durch Kryotechnik zu trennen, wobei die Trenneinheit mindestens einen Wärmeaustauscher umfasst, der einen Verdampfer-Kondensator nach Anspruch 13 bildet, wobei der Verdampfer-Kondensator konfiguriert ist, um einen Wärmeaustausch zwischen einer Flüssigkeit, die Sauerstoff enthält, und einem Gas, das Stickstoff enthält, zu ermöglichen.

Claims

1. Heat exchanger (1), for carrying out heat exchanges between a primary liquid (O2L) and a secondary fluid (N2G), the heat exchanger (1) comprising at least:

- several plates (11) arranged parallel to one another,

- spacers (12) extending between the plates (11) and arranged parallel between one another so as to define i) primary channels (21; 121; 221) shaped for the flow of the primary liquid (O2L) and ii) secondary channels (22) shaped for the flow of the secondary fluid (N2G), each primary channel (21) being arranged so as to be able to exchange heat with at least one respective secondary channel (22), and

- a primary liquid inlet (14), intended to be fluidically connected to a primary liquid dispenser (O2L), each primary channel (21) generally has the shape of a prism with a polygonal cross-section, the prism being composed of several generally flat faces,

the primary channels comprise rough primary channels, each rough primary channel (21) having microstructure elements (30; 130; 230; 330) having dimensions between 1µm and 300µm, preferably between 1µm and 100µm, the heat exchanger being characterised in that the microstructure elements (30) are configured such that, for each rough primary channel (21):

where:

- r is the ratio of the actual surface of a respective rough primary channel (21), as the numerator, over the geometric surface of a respective rough primary channel (21), as a denominator,

- R_a (in m) is the arithmetical mean deviation with respect to the average line, and

- ε is the void fraction of the actual surface of a respective rough primary channel (21).

2. Heat exchanger (1) according to claim 1, wherein each polygonal cross-section has dimensions (H21, W21) of between 1mm and 10mm, preferably between 3mm and 7mm, a rectangular polygonal cross-section having for example a length equal to around 5mm and a width equal to around 1.5mm.

3. Heat exchanger according to any preceding claims, wherein microstructure elements are substantially distributed over the entire inner periphery of each rough primary channel.

4. Heat exchanger according to any preceding claims, wherein, for each respective rough primary channel (21), the microstructure elements (30) are distributed over at least 80% of the surface of the rough primary channel (21).

5. Heat exchanger (1) according to any preceding claims, wherein the microstructure elements (30) have similar dimensions between them and similar shapes between them, and wherein the microstructure elements (30) are configured such that, for each rough primary channel (21):

where: h (in m) is the average height of the microstructure elements (30).

6. Heat exchanger (1) according to any preceding claims, wherein the microstructure elements (30) are distributed homogeneously.

7. Heat exchanger according to claim 6, wherein the microstructure elements (30) are configured such that, for each rough primary channel (21):

where:

- d (in m) is the average distance between the centres of the adjacent microstructure elements (30), the centres being located on the geometric surface of the rough primary channel (21),

- P (in m) is the average perimeter of the cross-section of the microstructure elements (30).

8. Heat exchanger according to claim 7, wherein the microstructure elements (30) are configured such that, for each rough primary channel (21):

and wherein the microstructure elements (30) are furthermore configured such that, for each rough primary channel (21):

where: S (in m²) in the average surface of the cross-section of the microstructures.

9. Heat exchanger according to any of claims 1 to 5, wherein the microstructure elements have irregular shapes, the microstructure elements (30) are furthermore able to be distributed heterogeneously, for example randomly.

10. Heat exchanger according to claim 9, wherein the microstructure elements (30) are configured such that, for each rough primary channel (21):

11. Heat exchanger (1) according to any preceding claims, wherein each rough primary channel (21) from among at least one portion of the rough primary channels (21) generally has a shape of a prism with a rectangular base.

12. Heat exchanger (1) according to claim 6, wherein the microstructure elements (30) are distributed only on the long sides (44) of the rectangular base.

13. Heat exchanger (1) according to any preceding claims, wherein the microstructure elements (30) are distributed so as to define between them passages for the flow of the primary liquid.

14. Heat exchanger (1) according to any preceding claims, wherein each rough primary channel (21) has an arithmetic roughness Ra of between 1µm and 60µm.

15. Separation unit (2), for separating gas by cryogenics, the separation unit comprising at least one heat exchanger forming a vaporiser-condenser according to claim 13, the vaporiser-condenser being configured to allow for a heat exchange between a liquid containing oxygen and a gas containing nitrogen.

Dessins