Echangeur de chaleur, notamment pour fluides corrosifs

Abstract

 L'échangeur de chaleur comporte un premier groupe de canaux (2) pour le passage d'un fluide.
Les canaux du premier groupe (2) débouchent sur deux faces opposées de l'échangeur qui comporte en outre au moins un autre groupe de canaux (3) débouchant sur au moins une autre face.
L'autre groupe de canaux est garni de moyens (4) de chauffage électrique.
Application notamment au chauffage et maintien en température de fluides corrosifs.

Description

[0001] L'invention a pour objet un échangeur de chaleur destiné notamment aux fluides corrosifs.

[0002] On utilise dans les industries chimiques, agroalimentaires et de traitement de surfaces des fluides corrosifs qui doivent être maintenus à température relativement constante. Si ces fluides corrosifs sont le siège de réactions endothermiques ou exothermiques, il est nécessaire de les réchauffer ou de les refroidir pour les maintenir à la température de travail.

[0003] A cet effet, on fait passer les fluides corrosifs dans des échangeurs de chaleur le plus souvent extérieurs à une cuve de traitement ou un réacteur, la circulation forcée des fluides s'effectuant au moyen de tuyauteries connectées à une pompe de circulation. Ces échangeurs sont en général fabriqués en métal à l'aide de techniques de chaudronnerie et sont particulièrement sensibles à la corrosion à l'endroit des soudures ou des parties écrouies soumises à des contraintes. De plus, ces échangeurs occupent une place importante de telle sorte qu'il est difficile de dépasser avec cette technique connue une puissance d'échange thermique supérieure à 1 MW par m³ de volume d'échangeur.

[0004] Un but de l'invention est de remédier aux inconvénients de l'état de la technique précité en créant un échangeur, notamment pour fluides corrosifs, d'une puissance d'échange thermique améliorée de l'ordre de 3 à 5 MW par m³ d'échangeur, fonctionnant dans une plage préférée de température de fonctionnement comprise entre - 100°C et + 400 °C, qui permet un gain de place important et une réductlon du volume occupé de plus de moitié par rapport à l'état de la technique. A titre indicatif, le volume des échangeurs suivant l'invention est, pour les applications courantes, compris entre 10 et 500 dm³.

[0005] L'échangeur selon l'invention comporte un premier groupe de canaux pour le passage du fluide à réchauffer ou à refroidir, lesdits canaux débouchant sur deux faces opposées de l'échangeur et se caractérise par le fait qu'il comporte en outre au moins un autre groupe de canaux débouchant sur au moins une autre face de l'échangeur, ledit autre groupe de canaux étant garni de moyens de chauffage électrique.

[0006] On a utilisé jusqu'à présent pour fabriquer des échangeurs des matériaux bons conducteurs de la chaleur, insensibles à la corrosion et non poreux au contact des fluides pour lesquels ils sont prévus. Ces matériaux sont, par exemple, des alliages de cuivre pour les liquides comportant principalement de l'eau, les alliages ferreux pour les hydrocarbures, le graphite non poreux ou le graphite imprégné de matériaux tel que du polytétrafluoroéthylène ou une résine phénolique, ou du carbone pur pour les acides forts. Ces matériaux qui ont une bonne conductibilité thermique, ont aussi généralement une bonne conductivité électrique de sorte que l'homme du métier évitait de garnir ces matériaux de moyens de chauffage électrique, compte tenu des risques de court-circuit et d'électrocution, particulièrement après une durée de service importante en milieu corrosif.

[0007] De manière avantageuse, l'échangeur est agencé de manière à ce que le premier groupe de canaux soit sensiblement orthogonal à l'autre groupe de canaux.

[0008] Cette disposition permet ainsi de régler les écartements des groupes de canaux, de manière à éviter les contraintes dues aux dilatations thermiques et à prévenir les fuites d'un premier groupe de canaux vers un autre groupe de canaux, ainsi que de libérer un troisième axe de travail sensiblement orthogonal à la fois aux axes de circulation du fluide corrosif et aux axes d'implantation des moyens de chauffage électrique, ce troisième axe de travail pouvant être utilisé pour implanter un troisième groupe de canaux servant au passage d'un fluide de refroidissement ou de préchauffage, en particulier dans le cas de réactions exothermiques ou endothermiques, respectivement.
De préférence, l'échangeur selon l'invention comporte au moins une boîte de répartition ou au moins un capot avec un joint d'étanchéité.

[0009] Les boîtes de répartition permettent ainsi de faire passer le fluide corrosif en plusieurs passes successives dans l'échangeur de manière à optimiser le profil de montée en température et à accroître l'efficacité d'échange thermique. Les capots isolent de manière étanche les extrémités des moyens de chauffage dépassant du groupe de canaux qu'ils garnissent.

[0010] De préférence, l'échangeur selon l'invention comporte au moins un capteur de température installé dans un trou aménagé dans et en situation d'échange thermique avec l'échangeur.

[0011] Le capteur de température transmet ainsi la température du bloc qui, en régime permanent, est sensiblement égale à la température de travail du fluide corrosif, et permet également la régulation de température et la protection de l'ensemble de l'échangeur contre des températures excessives, incompatibles avec la résistance mécanique requise pendant le fonctionnement de l'échangeur.

[0012] De façon avantageuse, un échangeur selon l'invention comporte au moins un groupe de canaux comportant des nappes de tubes résistant à la corrosion et surmoulées dans un matériau bon conducteur de la chaleur.

[0013] Cette disposition permet dans le cas de matériaux pour nappes de tubes résistant à la corrosion trop coûteux, de surmouler un ensemble de nappes dans un matériau bon conducteur de la chaleur d'un prix moins élevé, ce qui réduit le coût de l'échangeur sans nuire à l'efficacité du transfert thermique.

[0014] De façon avantageuse, un groupe de canaux est réalisé par perçage de trous de diamètres et d'écartements prédéterminés, traversant au moins un bloc de matériau non poreux résistant à la corrosion.

[0015] La réalisation du trou par usinage permet ainsi d'avoir une bonne précision, supérieure aux échangeurs réalisés par des techniques de chaudronnerie, et de respecter les caractéristiques d'encombrement et de performance prévues pour l'échangeur.

[0016] De préférence également, l'échangeur selon l'invention comporte au moins une résistance de chauffage électrique.

[0017] La résistance de chauffage électrique atteint rapidement une température élevée en fonction de l'intensité du courant qui la traverse, ce qui permet de suivre exactement le profil de température à respecter au moyen du courant traversant la résistance.

[0018] L'échangeur selon l'invention comporte de façon avantageuse à l'intérieur des canaux une poudre conductrice de la chaleur entre deux extrémités obturées des canaux.

[0019] La poudre conductrice de la chaleur constitue ainsi un moyen efficace de transfert thermique entre les canaux de l'échangeur dans lesquels sont logés les moyens de chauffage électrique et le reste de l'échangeur, tout en absorbant les dilatations thermiques sans créer de contraintes internes excessives.

[0020] De préférence, ladite poudre immobilise en place dans un trou un fil électrique chauffant de manière à réaliser une résistance électrique chauffante.

[0021] Cette disposition permet ainsi de réaliser un échangeur monobloc avec des résistances intégrées présentant un meilleur transfert thermique que les résistances blindées de types connus insérées dans les canaux et au contact de la poudre de préférence isolante électriquement.

[0022] On va maintenant décrire l'invention en référence à un mode de réalisation particulier pris à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :

• la figure 1 représente une vue schématique en perspective éclatée d'un échangeur selon l'invention,
• les figures 2A, 2B,2C représentent des vues latérales de trois faces d'un bloc d'un échangeur selon les directions A,B,C de la figure 1.
• les figures 3, 4, 5 représentent des vues de dessus et en coupe d'un échangeur suivant l'invention,
• la figure 6 représente une vue schématique en perspective d'un autre mode de réalisation d'un échangeur selon l'invention,
• la figure 7 représente une vue en coupe schématique d'une résistance électrique de chauffage garnissant un canal d'un échangeur suivant l'invention.

[0023] En référence à la figure 1, un échangeur suivant l'invention apte à fonctionner jusqu'à une pression d'utilisation de 10 bars absolus, comporte un bloc central de matériau compact bon conducteur de la chaleur et résistant à la corrosion, tel que du graphite imprégné par du polytétrafluoroéthylène.

[0024] Le bloc 1 est réalisé sous la forme d'un prisme droit comportant des faces sensiblement planes. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le bloc 1 est sensiblement cubique et comporte un premier groupe 2 de canaux sensiblement parallèles à la direction A, destinés au passage d'un fluide corrosif à maintenir en température. Un premier groupe de canaux 2 est réalisé sous la forme de trous sensiblement cylindriques traversant le bloc et débouchant sur les deux faces opposées du cube orthogonales à la direction A. Le bloc 1 comporte un autre groupe de canaux 3 sensiblement parallèles à la direction B et débouchant sur au moins une face du cube orthogonale à la direction B, garni de moyens 4 de chauffage électrique aptes à réchauffer le bloc 1 et le fluide circulant dans les canaux 2.

[0025] Le bloc 1 comporte également un groupe de canaux 5 sensiblement parallèles à la direction C et débouclant sur au moins une face du cube orthogonale à la direction C, permettant le passage d'un fluide de refroidissement ou de maintien en température, corrosif ou non.

[0026] Les moyens de chauffage électrique 4 peuvent être des résistances électriques chauffantes, par exemple des éléments chauffants blindés dont la gaine externe est isolée électriquement des conducteurs sous tension. La forme des sections droites des canaux sensiblement cylindriques 2, 3, 5 est adaptée suivant la surface d'échange thermique souhaité. Cette section en général circulaire peut également être ovale, polygonale ou en étoile, de préférence avec des bords arrondis.

[0027] Dans le cas où l'échangeur est raccordé à des conduites de circulation du fluide corrosif, il comporte des boîtes de répartition 6, 7 ainsi que des joints d'étanchéité 8 de façon à isoler de manière étanche par rapport à l'extérieur et entre elles les circulations de fluide corrosif et de fluide de refroidissement. Ces joints peuvent être découpés en feuilles dans un matériau tel que du polytétrafluoroéthylène ou fabriqués en mousse de polytétrafluoroétlylène ou en graphite expansé comprimé. Les moyens de chauffage électrique sont également protégés par un capot 9 isolant les extrémités sous tension des moyens 4 de chauffage électrique. Le capot 9 est une boîte en forme de parallélépipède ouvert sur un côté, similaire à celle des boîtes 6, 7 de répartition.

[0028] Les boîtes de répartition ou capots sont protégés contre la corrosion par un revêtement adapté, par exemple de polytétrafluoroéthylène (appelé téflonage).

[0029] Les canaux 2 sensiblement parallèles entre eux ne sont sécants ni avec les canaux 3 ni avec les canaux 5 qui ne sont de plus pas sécants entre eux.

[0030] L'étanchéité des fluides entre eux et avec les moyens de chauffage électrique est de ce fait réalisée en l'absence de porosités du matériau susceptibles de faire communiquer les différents canaux 2, 3, 5.

[0031] Pour fabriquer le cube 1, on usine de préférence un bloc de matériau non poreux résistant à la corrosion et bon conducteur de la chaleur en y perçant des trous parallèles de diamètres et d'écartements prédéterminés débouchant sur des couples de faces opposées du cube 1. Les trous parallèles 2 du premier groupe de canaux sont situés dans des plans parallèles sensiblement orthogonaux au plan de perçage d'un autre groupe de canaux 3, également sensiblement orthogonal au plan de perçage du groupe des canaux 5.

[0032] En référence aux figures 2A, 2B, 2C, on a représenté trois faces du cube 1 : une face 10 d'entrée du fluide corrosif, une face 11 d'implantation des moyens de chauffage électrique et une face 12 de sortie du fluide de refroidissement ainsi que des joints δ d'étanchéité pour les fluides précités. Les références identiques à celles de la figure 1 désignent des éléments identiques sur les figures 2A, 2B, 2C. On notera qu'à la figure 2B, les canaux 3 ne sont pas garnis de moyens de chauffage électrique 4. Chaque canal étant réalisé de manière à n'avoir aucune intersection avec aucun autre canal, le transfert de chaleur se fait nécessairement par conduction à travers le bloc 1. L'efficacité du transfert thermique dépend par conséquent de la qualité du contact thermique à la paroi des canaux et de la conductibilité thermique du matériau choisi pour réaliser le bloc 1. En particulier, comme les résistances électriques 4 échauffent le bloc 1 quand elles sont en service, lequel bloc transmet à son tour cette chaleur aux fluides qui le traversent, la qualité du contact thermique entre les résistances électriques 4 et la paroi intérieure des canaux 3 est essentielle pour le bon fonctionnement de l'échangeur. Cependant, un ajustement trop serré conduirait à des contraintes excessives résultant de dilatations thermiques : un grand nombre de cycles thermiques conduirait alors à la formation de fissures dans le bloc ou à la déformation, au coincement, voire au grippage, des résistances électriques 4 dans les canaux 3.

[0033] Dans le cas d'un échangeur communiquant avec une conduite de fluide, les boîtes de répartitlon 6, 7 sont assemblées au cube 1 avec interposition des joints 8 par des moyens connus tels que des tirants, goujons, tiges filetées et écrous associés, ou par collage.

[0034] De manière avantageuse on dispose un ou plusieurs capteurs de température dans les canaux 3 ou dans un trou spécialement aménagé dans le cube 1 et en situation d'échange thermique avec le matériau du cube 1. Cet échange thermique est obtenu grâce à une colle ou une graisse conductrice ou l'interposition d'un matériau à base de silicone, chargé d'un métal tel que le cuivre, l'aluminium, l'argent ou analogue. Compte tenu du fait que tous les échanges thermiques, soit par chauffage, soit par refroidissement, se font par l'intermédiaire du bloc 1, on voit que le bloc 1 constitue une masse thermique qui a tendance à maintenir la température des fluides qui y circulent à une température très voisine de celle du bloc. Ce maintien en température permet de limiter le volume de fluide corrosif au sein de l'échangeur et ainsi la quantité totale de fluide corrosif à mettre en oeuvre. Les capteurs de température ou sondes de mesure en situation d'échange thermique avec le cube 1 sont généralement cellés à des appareils de régulation de types connus pour commannder l'apport d'énergie électrique pour chauffer le fluide corrosif et le fluide de refroidissement ou de préchauffage.

[0035] En référence aux figures 3, 4, 5, un échangeur selon l'Invention similaire à celui représenté à la figure 1 comporte un cube 21 réalisé sous la forme de parallélépipèdes élémentaires 21a, 21b, 21c, 21d percés de canaux correspondant au fluide corrosif et au fluide de refroidissement, puis assemblés entre eux de manière étanche au moyen de tiges filetées 22 ou d'autres moyens tels que collage, boulonnages consécutifs ou bridage en châssis. L'étanchéité recherchée est obtenue par collage, par interposition d'une pâte ou par interposition de joints d'étanchéité non représentés, analogues au joint 8 de la figure 1.

[0036] Cet agencement en blocs élémentaires permet une construction modulaire et une fabrication des blocs élémentaires en série conduisant à une diminution des coûts par économie d'échelle.

[0037] On voit également sur la figure 5 que le capot de protection électrique 23 permet une connexion des éléments 4 de chauffage électrique, par exemple une connexion en série telle que représentée à la figure 5. De même, les boîtes de répartition 24a, 24b 24c et 25a, 25b peuvent être agencées de manière à faire circuler un des fluides en plusieurs passes, par exemple 4 passes dans le cas de la figure 5, de manière à augmenter le transfert thermique entre le bloc et ledit fluide (on désigne par "passe" dans les termes du métier un aller-et-retour d'un fluide dans un échangeur). Cette disposition permet de calorifuger facilement l'ensemble par un revêtement calorifuge 26 (limité par des traits interrompus) duquel dépasse le capot 23 de protection électrique, qui est situé à une distance de la partie chauffante des éléments chauffants 4 sensiblement égale à l'épaisseur du revêtement calorifuge 26.

[0038] Dans le capot 23 éloigné du bloc 1, lequel se trouve à une température élevée, les connexions des résistances électriques 4 sont ainsi disposées de manière à ne pas être détériorées par la température élevée du bloc 1. Un capteur de température 27, pour mesurer la température sensiblement en position centrale du bloc 21 et logé dans un trou d'axe sensiblement parallèle aux éléments 4 de chauffage électrique, débouche également à l'intérieur du capot de protection électrique 23, les connexions du capteur 27 n'étant pas représentées.

[0039] En référence à la figure 6, les groupes de canaux, au lieu d'être réalisés par perçage dans un bloc de matériau, sont constitués par des nappes de tubes résistant à la corrosion 32, 33, 35, situés dans des plans sensiblement orthogonaux l'un à l'autre, de manière à ce que ces tubes soient non sécants et régulièrement espacés entre eux. Une fois l'ensemble des nappes de tubes monté suivant des écartements prédéterminés, on utilise un matériau bon conducteur de la chaleur 30 tel qu'un ciment, une résine ou un alliage d'aluminium coulé par fusion pour enrober les trois groupes de canaux. Le surmoulage ainsi réalisé de l'ensemble précité constitue un bloc avec des canalisations ou passages réservés. De préférence, on effectue ce surmoulage sous vide ou sous une pression telle que l'on évitera l'apparition de porosités ou de défauts de coulée préjudiciables à une bonne transmission de la chaleur.

[0040] En variante, on peut aussi utiliser les nappes de résistances chauffantes 33 pour faire fondre une masse de poudre de matériau bon conducteur de la chaleur et enrober ainsi les trois groupes de canaux précités.

[0041] De façon habituelle, on utilise des éléments résistifs, blindés, isolés, sensiblement cylindriques et à surface extérieure métallique pour garnir les trous 3 de la figure 1. Toutefois, dans le cas de certains matériaux fragiles utilisés pour fabriquer un bloc 1, le cylindre métallique extérieur de la résistance peut créer des dilatations, des contraintes excessives susceptibles d'endommager le bloc en y provoquant des fissures ou des retraits. On peut, en particulier dans ce cas, monter les résistances électriques isolées à surface extérieure cylindrique au moyen d'une poudre compactée à l'intérieur du trou 3 autour de l'élément chauffant 4. Cette poudre est de préférence conductrice de la chaleur et comporte par exemple de la silice, de la magnésie, ou un ensemble de perles céramiques interposées dans la poudre. Pour éviter les fuites ou les pertes de poudre, on obture de préférence les extrémités du trou par une résine.

[0042] En référence à la figure 7, on peut également réaliser directement une résistance électrique isolée à l'intérieur des trous ou canaux 3 prévus à cet effet dans le bloc 1. A cet effet, un trou 3 aménagé dans le bloc 1 est garni de fils électriques chauffants 40 prolongés par des extrémités d'amenée de courant 41. Le fil électrique chauffant 40 est immobilisé en place dans la poudre 42 de préférence électriquement isolante.

[0043] Cette poudre est tassée par des moyens mécaniques ou agglomérée par vibrations à l'intérieur du canal 3, Les extrémités 43 et 44 du canal 3 sont généralement obturées par une résine, par exemple une résine dite "haute température" à base de silicone, ou par un autre moyen d'obturation résistant à la chaleur. Cette disposition permet ainsi de ne pas créer de contraintes d'origine thermique sur le bloc du fait qu'aucun des composants n'est rigide et ne peut exercer de contraintes notables en se dilatant.

[0044] On peut aussi utiliser avantageusement un ensemble de perles céramiques ou d'anneaux percés, enfilés sur le fil électrique chauffant 40 de manière à renforcer l'isolation électrique du fil 40 relativement au trou 3, en particulier dans le cas où le matériau du bloc 1 présente une conductivité électrique notable.

[0045] On peut utiliser comme dispositif d'étanchéité pour les extrémités du canal 3, des obturateurs 43, 44, réalisés en polytétrafluoroéthylène ou en autre matériau naturel ou synthétique non conducteur d'électricité.

[0046] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit précédemment, et on peut apporter de nombreuses variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention.

[0047] Ainsi, la forme du bloc peut être quelconque, dans la mesure où elle est apte à la réalisation d'un réseau bidimensionnel ou tridimensionnel de canaux distincts, réparti en plusieurs groupes de canaux parallèles et non sécants. On utilisera de préférence une forme de parallélépipède rectangle dans le cas de pièces usinées suivant trois axes orthogonaux. Le nombre de canaux peut être quelconque, ainsi que le nombre de passes successives que parcourt l'un ou l'autre fluide dans l'échangeur. Dans la mesure où la quasi-totalité du volume du bloc central est utilisée, les canaux peuvent déboucler ou non sur deux faces opposées de l'échangeur. Enfin, le nombre de capteurs de température, leur disposition ainsi que celle de leurs raccordements électriques peuvent être quelconques et s'effectuer à volonté à l'intérieur ou à l'extérieur du boîtier de raccordement électrique des moyens de chauffage.

Revendications

1. Echangeur de chaleur, notamment pour fluides corrosifs, comportant un premier groupe de canaux pour le passage dudit fluide, lesdits canaux débouchant sur deux faces opposées de l'échangeur, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre au moins un autre groupe de canaux (3) débouchant sur au moins une autre face (11) de l'échangeur, ledit autre groupe de canaux étant garni de moyens (4) de chauffage électrique.

2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le premier groupe de canaux (2) est sensiblement orthogonal à l'autre groupe de canaux (3).

3. Echangeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une boîte de répartition (6,7) ou au moins un capot (9) avec au moins un joint d'étanchéité (8).

4. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un capteur (27) de température, installé dans un trou aménagé dans et en situation d'échange thermique avec l'échangeur.

5. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'au moins un groupe de canaux comporte des nappes de tubes (32,33) résistant à la corrosion, surmoulées dans un matériau (30) bon conducteur de la chaleur.

6. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'au moins un groupe (2,3,5) de canaux est réalisé par perçage de trous de diamètres et d'écartements prédéterminés, traversant au moins un bloc (1,21) de matériau non poreux résistant à la corrosion.

7. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une résistance (4) de chauffage électrique.

8. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte à l'intérieur des canaux une poudre (42) conductrice de la chaleur.

9. Echangeur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ladite poudre (42) est électriquement isolante et comporte de préférence de la silice ou de la magnésie.

10. Echangeur selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ladite poudre (42) immobilise en place dans un trou (3) un fil électrique chauffant (40) en l'isolant électriquement de la paroi du trou (3).

Dessins