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Patent Searching and Data


Title:
EXCHANGER-REACTOR OR EXCHANGER HAVING IMPROVED HYDRAULIC PASSAGES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/110917
Kind Code:
A1
Abstract:
Exchanger-reactor or exchanger comprising a set of millimeter-scale hydraulic passages, characterized in that the hydraulic passages are bounded by primary exchange surfaces and secondary exchange surfaces, each secondary exchange surface: – being interposed between two primary exchange surfaces; – consisting of at least one fin connecting the two primary surfaces – follows a directrix curve with the fins arranged at intervals along this curve and having concave leading edges and trailing edges.

Inventors:
FLIN, Matthieu (SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE1 chemin de la Porte des Loges, Jouy-en-Josas, 78350, FR)
GALLIENNE, Nicolas (SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE1 chemin de la Porte des Loges, Jouy-en-Josas, 78350, FR)
CADALEN, Sébastien (SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE1 chemin de la Porte des Loges, Jouy-en-Josas, 78350, FR)
DEL-GALLO, Pascal (SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE1 chemin de la Porte des Loges, Jouy-en-Josas, 78350, FR)
Application Number:
FR2018/053103
Publication Date:
June 13, 2019
Filing Date:
December 04, 2018
Export Citation:
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Assignee:
L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE (75 Quai d'Orsay, PARIS, PARIS, 75007, FR)
International Classes:
F28F1/40; F28F3/02
Foreign References:
EP3258203A12017-12-20
GB2539915A2017-01-04
US20090123819A12009-05-14
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
DEBECKER, Isabelle (L'AIR LIQUIDE S.A, 75 Quai d'Orsay, PARIS Cedex 07, 75321, FR)
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Claims:
Revendications

1. Echangeur-réacteur ou échangeur comprenant un ensemble de passages hydrauliques millimétriques, caractérisé en ce que les passages hydrauliques sont limités par des surfaces d'échange primaire et des surfaces d'échange secondaire, chaque surface d'échange secondaire :

- étant intercalée entre deux surfaces d'échange primaires (1),

- étant constitué d'au moins une ailette (2) reliant les deux surfaces primaires (1),

- suit une courbe directrice,

avec les ailettes disposées à intervalle le long de cette courbe et présentant des bords d'attaque et de fuites concaves (3) et (4).

2. Echangeur-réacteur ou échangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la courbe directrice de la surface secondaire est non symétrique par rapport à la direction principale d'écoulement du ou des flux alimentant l'échangeur-réacteur ou l'échangeur.

3. Échangeur-réacteur ou échangeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces primaires sont des extrusions de formes droites, triangulaires, rectangulaires, hexagonales ou circulaires suivant la courbe directrice.

4. Échangeur-réacteur ou échangeur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'angle maximal entre l'ailette et la direction de l'écoulement du ou des flux alimentant l'échangeur-réacteur ou l'échangeur est compris entre 20° et 40°.

5. Échangeur-réacteur ou échangeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque ailette présente dans le sens d'écoulement du ou des flux alimentant l'échangeur- réacteur ou l'échangeur une section d'épaisseur comprise entre 0,1 et 2 mm.

6. Échangeur-réacteur ou échangeur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'entre deux surfaces d'échange primaires ledit échangeur-réacteur ou échangeur comprend dans le sens d'écoulement du fluide entre 10 et 40 ailettes par pouce.

7. Échangeur-réacteur ou échangeur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la distance entre deux surfaces d'échange primaires est comprise entre 1mm et 10mm.

8. Échangeur-réacteur ou échangeur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la surface d'échange secondaire comprend au moins deux ailettes réparties dans l'espace compris entre deux surfaces primaires de telle manière que N est compris entre 0.25 et 4 avec

Ls étant la longueur de l'ailette et

Lh la distance entre les deux centres des deux ailettes.

9. Échangeur-réacteur ou échangeur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit échangeur-réacteur ou échangeur est fabriqué par fabrication additive. 10. Procédé de production de gaz de synthèse mettant en œuvre un réacteur-échangeur selon l'une des revendications 1 à 9.

11. Procédé d'oxycombustion mettant en œuvre un échangeur selon l'une des revendications 1 à 9 pour préchauffer de l'oxydant.

Description:
Échangeur-réacteur ou échangeur avec passages hydrauliques améliorés

La présente invention est relative à un échangeur-réacteur ou échangeur.

Les échangeurs utilisés dans les unités de distillation cryogénique sont dit à ondes et plaques brasés (BAHX : Brazed Aluminium Heat exchangers). Ils sont fabriqués en alliage d'aluminium et-sont constitués généralement d'un corps et de l'ensemble têtes-piquages qui forment les entrées et les sorties des différents fluides.

Le corps de l'échangeur est constitué d'un empilement de passages dans lesquels les fluides circulent à différentes températures et pressions. Chaque passage est constitué d'une zone d'échange et d'une zone de distribution. La zone de distribution permet de répartir le flux gazeux entrant par les têtes sur toute la largeur de l'échangeur. Le transfert de chaleur entre les fluides 1 a lieu dans la zone d'échange. La zone d'échange comprenant des tôles de séparation 2 et des ondes d'échange 3 (figure 1).

Les ondes sont des feuillards d'aluminium formés qui permettent d'augmenter la surface d'échange de chaleur et donc d'accélérer le transfert thermique. On distingue plusieurs types d'ondes mais les formes et la disposition des ondes sont limitées

Un problème qui se pose est de fournir un échangeur-réacteur ou échangeur de chaleur amélioré.

Une solution de la présente invention est un échangeur-réacteur ou échangeur comprenant un ensemble de passages hydrauliques millimétriques, caractérisé en ce que les passages hydrauliques sont limités par des surfaces d'échange primaire et des surfaces d'échange secondaire, chaque surface d'échange secondaire :

- étant intercalée entre deux surfaces d'échange primaires 1 ;

- étant constitué d'au moins une ailette 2 reliant les deux surfaces primaires, et

- suit une courbe directrice

avec les ailettes disposées à intervalle le long de cette courbe et présentant des bords d'attaque et de fuites concaves 3 et 4.

Dans le cadre de l'invention, le bord d'attaque d'une ailette correspond au bord avant de l'ailette faisant face au fluide ou dit autrement, en suivant la direction d'écoulement du fluide, à l'arête amont de l'ailette. Le bord de fuite correspond au bord arrière de l'ailette ou dit autrement, en suivant la direction d'écoulement du fluide, à l'arête aval de l'ailette. La figure 6 montre un exemple d'ailette selon l'invention dans un plan de coupe perpendiculaire aux surfaces primaires 1 et parallèle à la direction d'écoulement du fluide. La direction d'écoulement est représentée par la double flèche.

Le bord d'attaque et le bord de fuite de l'ailette sont représentés respectivement par la ligne 3 et par la ligne 4. Ces lignes sont concaves, c'est-à-dire que ce sont des lignes courbes en forme de creux. Les bords 3, 4 apparaissent creusés en direction de la partie interne de l'ailette 2.

L'intérêt d'utiliser des bords d'attaque et de fuite concaves est illustré par la Figure 9. On y voit des bords 3, 4 concaves avec leurs centres de courbure C3, C4. La forme concave des bords de l'ailette 2 permet d'améliorer la conduction thermique (flèches 10) dans l'ailette et donc d'améliorer l'efficacité thermique de l'ailette. En effet, la forme concave permet un apport de matière supplémentaire, schématisé par la partie de l'ailette située à gauche de la ligne A sur la Figure 9, pour ce qui est du bord d'attaque 3. Dans le cas d'un fluide à réchauffer, cela permet d'augmenter la conduction de la chaleur et de diminuer le point froid F qui apparaît sur le bord d'attaque. A l'inverse, dans le cas d'un fluide à refroidir, cela permet d'avoir un point chaud moins marqué sur le bord d'attaque.

De préférence, comme illustré sur le Figure 6, les bords d'attaque et/ou de fuite 3, 4 présentent une concavité unique, c'est-à-dire pas de changement de concavité ou pas de point d'inflexion. La conduction thermique dans l'ailette s'en trouve encore améliorée.

Avantageusement, en considérant un plan médian P parallèle aux surfaces primaires 1, la concavité des bords d'attaque et/ou de fuite 3, 4 est telle que leurs centres de courbure C3, C4 sont sensiblement positionnés au niveau du plan P. Notons que l'intervalle peut être régulier ou non.

Les figures 2 à 4 montrent des exemples de passages avec des surfaces d'échange primaires en traits pleins et des surfaces d'échanges secondaires en traits pointillés.

La courbe directrice peut être par exemple une droite, un zigzag ou un sinus. La figure 5 avec à gauche une vue prise du dessus et à droit une vue en 3D montre cette courbe. Il en est de même pour la figure 8. Notons que la Figure 8 représente les ailettes 2 dans un plan de coupe parallèle aux surfaces primaires 1.

Les surfaces séparant l'écoulement entre les fluides échangeant de la chaleur constituent la surface d'échange primaire. Les ailettes, intercalées entre deux surfaces d'échanges primaires, constituent la surface d'échange secondaire. Selon le cas le réacteur-échangeur ou l'échangeur selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- la courbe directrice de la surface secondaire est non symétrique par rapport à la direction principale d'écoulement du ou des flux alimentant l'échangeur-réacteur ou l'échangeur.

- les surfaces primaires sont des extrusions de formes droites, triangulaires, rectangulaires, hexagonales ou circulaires suivant la courbe directrice. De préférence l'extrusion se fait avec une évolution de la section (taille, forme, rotation).

- l'angle maximal entre l'ailette et la direction de l'écoulement du ou des flux alimentant l'échangeur-réacteur ou l'échangeur est compris entre 20° et 40°.

- chaque ailette présente dans le sens d'écoulement du ou des flux alimentant l'échangeur- réacteur ou l'échangeur une section d'épaisseur comprise entre 0,1 et 2 mm. Cette section peut varier dans la hauteur de l'ailette.

- entre deux surfaces d'échange primaires ledit échangeur-réacteur ou échangeur comprend dans le sens d'écoulement du fluide entre 10 et 40 ailettes par pouce.

- la distance entre deux surfaces d'échange primaires est comprise entre 1mm et 10mm.

- la surface d'échange secondaire comprend au moins deux ailettes réparties dans l'espace compris entre deux surfaces primaires de telle manière que N est compris entre 0.25 et 4 avec

Ls étant la longueur de l'ailette et

Lh la distance entre les deux centres des deux ailettes, (figure 8)

- ledit échangeur-réacteur ou échangeur est fabriqué par fabrication additive.

La méthode de fabrication additive peut mettre en œuvre des poudres métalliques de taille micrométrique qui sont fondues par un ou plusieurs lasers afin de fabriquer des pièces finies de formes complexes en trois dimensions. La pièce se construit couche par couche, les couches sont de l'ordre de 50pm, selon la précision des formes souhaitées et le taux de dépôt voulu. Le métal à fondre peut être apporté soit par lit de poudre ou soit par une buse d'aspersion. Les lasers utilisés pour fondre localement la poudre sont soit des lasers YAG, fibres ou C02 et la fusion des poudres s'effectuent sous gaz inerte (Argon, Hélium, etc.). La présente invention ne se limite pas à une seule technique de fabrication additive, mais elle s'applique à l'ensemble des techniques connues.

La présente invention permet de : - diminuer l'encombrement et le poids de l'échangeur-réacteur ou de l'échangeur ;

- intensifier l'échange de chaleur afin de réduire la zone d'échange de l'échangeur ou de l'échangeur-réacteur; cet échange de chaleur peut être intensifié en plaçant de manière plus efficace la matière grâce à la fabrication additive (perturber localement le fluide...).

- concilier à des performances thermiques maximisées une perte de charge minimisée en perturbant le fluide (utilisation de forme optimal connues dans 'aérodynamique, profil NACA et aube de turbine) et en créant de la perte de charge ciblée (venir localement modifierajouter des pertes de charge et de l'échange là où la force motrice pour le transfert est la plus faible pour optimiser l'efficacité de notre échangeur.

L'échangeur complet doit avoir une résistance mécanique suffisante pour pouvoir résister aux chargements (pression et température) rencontrés par l'équipement en opération. En effet, une sur-contrainte des zones d'échanges primaires et/ou secondaires peut générer une défaillance de l'appareil voir un accident. Pour se faire, l'échangeur est dimensionné pour qu'à la température d'utilisation les contraintes de Von mises ne dépassent jamais la limite d'élasticité du matériau.

La présente invention a également pour objet :

- un procédé de production de gaz de synthèse mettant en œuvre un réacteur-échangeur selon l'invention, et

- un procédé de combustion mettant en œuvre un échangeur selon l'invention pour préchauffer de l'oxydant.