[0001] La présente invention a trait à un perfectionnement apporté aux échangeurs de chaleur
gaz/liquide dans lesquels l'échange thermique entraîne une condensation totale du
gaz.
[0002] Outre les échangeurs à plaques et les échangeurs tubulaires conventionnels, il a
été proposé depuis fort longtemps, notamment par le Demandeur, de réaliser des échangeurs
de chaleur constitués de blocs parallélépipédiques ou cylindriques en graphite, dans
lesquels sont percés deux séries de canaux, en général de forme cylindrique et disposés
orthogonalement les uns par rapport aux autres de manière à réaliser des circuits
indépendants pour les deux fluides entre lesquels doit s'effectuer l'échange thermique.
De tels blocs qui présentent l'avantage de pouvoir être construits en série et d'être
interchangeables, non seulement permettent d'obtenir une très grande surface d'échange
thermique mais permettent également de réaliser des échangeurs qui peuvent être facilement
adaptés en fonction des applications particulières pour lesquelles l'échangeur doit
être réalisé, puisqu'il se présente sous la forme de modules qu'il suffit d'empiler
à l'intérieur d'une enceinte définissant les chambres indépendantes pour la circulation
des fluides. Par ailleurs, il est évident que les problèmes d'étanchéité sont parfaitement
résolus étant donné que les canaux de circulation de fluide sont percés dans la masse.
[0003] De tels échangeurs sont utilisés dans de très nombreux domaines, par exemple pour
assurer le réchauffage d'un liquide (solution acide à faible concentration par exemple),
et ce au moyen d'un gaz à température élevée (vapeur d'eau en général).
[0004] Les principaux problèmes qui se posent avec de tels échangeurs sont, d'une part,
celui de l'écoulement régulier des condensats formés à partir de la phase gazeuse
entrante lors de l'échange thermique, afin d'éliminer tout risque de vibration ou
de coups de bélier qui sont particulièrement préjudiciables lorsque les matériaux
utilisés pour réaliser les blocs sont sensibles aux chocs (cas du graphite par exemple)
et, d'autre part, celui de la distribution régulière de la phase gazeuse entrante
sur toute la hauteur de l'échangeur.
[0005] Or on a trouvé, et c'est ce qui fait l'objet de la présente invention, un perfectionnement
à ce type d'échangeur constitué de blocs percés de deux séries de canaux permettant
de réaliser des circuits indépendants de circulation de gaz et de liquide à réchauffer
et qui permet de résoudre l'ensemble de ces problèmes.
[0006] D'une manière générale, l'échangeur de chaleur gaz/liquide conforme à l'invention
est du type constitué d'éléments modulaires sous forme de blocs juxtaposés à l'intérieur
d'une enceinte et dans lesquels sont percés deux séries de canaux s'étendant,l'une
sur toute la hauteur des blocs, l'autre sur toute leur largeur, et permettant respectivement
la circulation de la phase liquide et de la phase gazeuse entre lesquelles doit être
réalisé l'échange thermique :
- lesdits blocs étant disposés à l'intérieur de l'enceinte de manière à former une
colonne reliée à sa base et à sa partie supérieure au circuit permettant l'amenée
et la circulation de la phase liquide à l'intérieur des conduits longitudinaux ;
- l'espace entre l'enceinte et la colonne centrale précitée étant séparée en deux
chambres, l'une dite chambre d'admission, étant reliée au circuit d'alimentation
en phase gazeuse et l'autre, dite chambre de récu pération étant reliée au circuit
d'évacuation des condensats formés lors de l'échange thermique.
[0007] L'échangeur selon l'invention se caractérise en ce que :
- l'introduction de la phase gazeuse dans la chambre d'admission est réalisée au
moyen d'un boitier de distribution permettant de répartir ladite phase gazeuse sur
toute la hauteur de cette chambre ;
- les conduits transversaux percés dans les blocs d'échange proprement dit et qui
relient la chambre d'admission à la chambre de récupération présentent une légère
pente descendante dans le sens de la circulation de la phase liquide qui se forme
par condensation à partir de la phase gazeuse entrante.
[0008] Avantageusement et en pratique :
- les blocs d'échange et l'enceinte qui les entoure se présentent sous la forme cylindrique
; il est évident qu'il est également possible de réaliser ledit échangeur conforme
à l'invention sous une forme autre que cylindrique ;
- le boitier de distribution de la phase gazeuse sur toute la hauteur de l'échangeur
est disposé à l'extérieur de l'enceinte, des fentes verticales étant prévues sur
ladite enceinte afin de répartir le gaz sur toute la hauteur de la chambre, au moins
un déflecteur étant par ailleurs disposé, en regard desdites fentes, dans l'espace
compris entre l'enceinte extérieure et la colonne centrale d'échange, afin de répartir
le gaz sur toute la surface de la colonne disposée à l'intérieur de la chambre d'admission.
[0009] L'invention et les avantages qu'elle apporte seront cependant mieux compris grâce
à l'exemple de réalisation donné ci-après à titre indicatif mais non limitatif, et
qui est illustré par les figures annexées dans lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective éclatée de l'ensemble d'un échangeur
conforme à l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe selon le plan AA de la figure 1 illustrant
la manière dont est réalisé l'échange thermique ;
- la figure 3 est une vue de détail du système de distribution permettant de répartir
la phase gazeuse sur toute la hauteur de l'échangeur.
[0010] Si l'on se reporte aux schémas annexés et plus particulièrement à la figure 1, l'échangeur
conforme à l'invention est du type constitué d'éléments modulaires (1), se présentant
sous la forme de blocs, au nombre de trois dans l'exemple illustré à la figure 1,
maintenus juxtaposés à l'intérieur d'une enceinte (2). Ces éléments modulaires (1)
sont constitués d'un bloc de matériau choisi en fonction de la nature des fluides
ou gaz entre lesquels doit s'effectuer l'échange thermique et qui, dans le cas présent,
est du graphite. Les blocs (1) sont percés de deux séries de canaux (3,4) permettant
de réaliser des circuits indépendants pour le gaz et le liquide.
[0011] Dans l'exemple de réalisation illustré, les blocs (1) et l'enveloppe (2) sont de
forme cylindrique mais il est évident que l'échangeur pourrait avoir une toute autre
forme,par exemple parallélépipédique. Les canaux (3), dits "canaux longitudinaux",
s'étendent parallèlement à l'axe de révolution des blocs alors que les canaux (4)
dits "canaux transversaux" sont disposés parallèlement les uns aux autres entre chaque
série de canaux longitudinaux (3).
[0012] Les blocs constituant tout l'ensemble d'échange sont disposés à l'intérieur de l'enceinte
(2) de manière à former une colonne centrale. Les blocs (1) sont montés à l'intérieur
de l'enveloppe par l'intermédiaire de glissières (5) (une seule étant représentée
à la figure 1) s'étendant sur toute la hauteur de la colonne. Ces glissières (5) permettent
de former deux chambres séparées l'une de l'autre dans l'espace compris entre la
périphérie de la colonne centrale et l'enveloppe, l'une dite chambre d'admission (6),
l'autre dite chambre de récupération (7). L'amenée de la phase liquide au travers
des conduits longitudinaux (3) est réalisée par la base de l'ensemble au moyen d'un
circuit d'alimentation approprié (8), relié à un circuit d'alimentation liquide,
l'évacuation étant réalisée par la partie supérieure au moyen d'une conduite d'évacuation
(9) (non représentée à la figure 1).
[0013] Conformément à l'invention, afin d'assurer une répartition régulière à l'intérieur
de la chambre d'admission (6) de la phase gazeuse destinée à réchauffer la phase
liquide circulant à l'intérieur des conduits (3), l'alimentation de la chambre d'admission
(6) est réalisée indirectement en faisant déboucher le conduit (10) d'amenée de cette
phase gazeuse, non pas directement à l'intérieur de l'espace compris entre la zone
d'échange et l'enveloppe, mais dans un boitier de distribution (11) prévu à l'extérieur
de ladite enveloppe (2). Ce boitier de distribution (11) qui entoure partiellement
l'enveloppe s'étend sur pratiquement toute sa hauteur. L'introduction de la phase
gazeuse à l'intérieur de la chambre d'admission (6) est réalisée en prévoyant sur
l'enveloppe un passage (12), en forme de fente. Ce passage (12) en forme de fente
peut être soit continu et s'étendre sur toute la hauteur (voir figure 3), soit être
constitué d'une pluralité de fentes disposées dans le prolongement l'une de l'autre,
par exemple au nombre de deux comme représenté à la figure 1. Grâce à un tel mode
de réalisation, la distribution de la phase gazeuse s'effectue sur toute la hauteur
de l'échangeur. Par ailleurs, pour assurer une bonne répartition sur toute la périphérie
des blocs, des déflecteurs en forme de plaques (13) peuvent être disposés, à l'intérieur
de l'espace libre compris entre la colonne centrale et l'enveloppe, en regard des
fentes d'introduction de la phase gazeuse. Grâce à un tel mode de réalisation, la
phase gazeuse est non seulement répartie régulièrement sur toute la hauteur des blocs
d'échange (1), mais également sur toute la surface périphérique desdits blocs situés
dans la chambre d'admission (6).
[0014] Dans l'échangeur conforme à l'invention, l'introduction de la phase gaz peut être
réalisée soit au moyen d'un seul conduit (10), disposé dans ce cas sensiblement à
mi-hauteur de l'échangeur comme représenté à la figure 1, soit éventuellement, ainsi
que cela a été représenté à la figure 2, au moyen de plusieurs conduits (10a,10b,
10c) répartis sur la hauteur du boitier de distribution.
[0015] Par ailleurs, selon une autre caractéristique de l'échangeur conforme à l'invention,
les canaux transversaux (4) dont la section peut être soit circulaire, elliptique..,
ne sont pas disposés horizontalement mais présentent une légère pente descendante
dans le sens de la circulation de la phase liquide qui se forme par condensation à
partir de la phase gazeuse entrante. En général, une pente de l'ordre de 2 à 3° convient
parfaitement.
[0016] L'évacuation des condensats formés de l'intérieur de la chambre de récupération (7)
est obtenue au moyen d'un conduit d'évacuation (14) prévu à la base de la chambre
de récupération.
[0017] Les sections des conduits d'alimentation (10) et d'évacuation (14) seront calculées
en fonction du débit de la phase gazeuse en rapport de section de un tiers pour le
conduit d'évacuation (14) à deux tiers pour le conduit d'admission (10) convenant
pour la plupart des applications.
[0018] Grâce à une telle structure, il est, possible d'obtenir un échangeur d'une grande
efficacité et dans lequel l'écoulement des condensats à l'intérieur des conduits transversaux
(4) est fait de manière régulière en éliminant tout risque de vibration ou de coups
de bélier, phénomènes particulièrement préjudiciables lorsque les blocs (1) sont à
base de matériaux très sensibles aux chocs, ce qui est le cas du graphite. Par ailleurs,
un tel type d'échangeur permet de meilleures performances grâce à l'optimisation de
la surface liée à la condensation.
[0019] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit précédemment,
mais elle en couvre toutes les variantes réalisées dans le même esprit.
1/ Echangeur de chaleur gaz/liquide avec condensation du type constitué d'éléments
modulaires sous forme de blocs (1) juxtaposés à l'intérieur d'une enceinte (2) et
dans lesquels sont percés deux séries de canaux (3,4), l'une (3) sur toute la hauteur
des blocs (1), l'autre (4) sur toute leur largeur et permettant respectivement la
circulation de la phase liquide et de la phase gazeuse entre lesquelles doit être
réalisé l'échange thermique :
- lesdits blocs (1) étant disposés à l'intérieur de l'enceinte (2) de manière à former
une colonne reliée à sa base et à sa partie supérieure au circuit (8,9) permettant
l'amenée et la circulation de la phase liquide à l'intérieur des conduits longitudinaux
(3) ;
- l'espace entre l'enceinte (2) et la colonne centrale précitée étant séparée en
deux chambres (6,7), l'une (6) dite chambre d'admission, étant reliée au circuit d'alimentation
(10) en phase gazeuse et l'autre (7) dite chambre de récupération étant reliée au
circuit d'évacuation (14) des condensats formés lors de l'échange thermique,
caractérisé en ce que :
- l'introduction de la phase gazeuse dans la chambre d'admission (6) est réalisée
au moyen d'un boitier de distribution (11) permettant de répartir ladite phase gazeuse
sur toute la hauteur de la chambre (6) ;
- les conduits transversaux (4) percés dans les blocs d'échange (1) proprement dits
et qui relient la chambre d'admission (6) à la chambre de récupération (7) présentent
une légère pente descendante dans le sens de la circulation de la phase liquide qui
se forme par condensation à partir de la phase gazeuse entrante.
2/ Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les blocs d'échange
(1) et l'enceinte (2) qui les entoure se présentent sous une forme cylindrique.
3/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce
que le boitier de distribution (11) de la phase gazeuse sur toute la hauteur de l'échangeur
est disposé à l'extérieur de l'enceinte (2), des fentes verticales (12) étant prévues
sur ladite enceinte (2) afin de répartir le gaz sur toute la hauteur de la chambre
(6), au moins un déflecteur (13) étant par ailleurs disposé en regard desdites fentes
(12) dans l'espace compris entre l'enceinte extérieure (2) et la colonne centrale
d'échange, afin de répartir le gaz sur toute la surface de la colonne disposée à l'intérieur
de la chambre d'admission (6).
4/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que
la pente des conduits transversaux (4) est de l'ordre de 2 à 3°.