La présente invention concerne les échangeurs de chaleur à plaques brasées, du type comportant au moins un passage de fluide s'étendant dans une première direction, pourvu d'ondes d'échange sensiblement parallèles à la première direction et comprenant, en un emplacement intermédiaire de sa longueur, au moins une zone de redistribution associée à au moins un collecteur latéral et pourvue d'ondes de déviation s'étendant suivant au moins une deuxième direction formant un angle avec la première direction, cette zone de redistribution occupant toute ia largeur du passage, transversalement à la première direction, les ondes de déviation communiquant toutes avec des ondes d'échange.

Le document"The standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturer's association", ALPEMA, First Edition 1994, décrit diverses configurations d'échangeurs de chaleur de ce type.

La présente invention concerne plus particulièrement, quoique non exclusivement, les échangeurs de chaleur pour la vaporisation de liquides sous pression, en particulier de liquides cryogéniques sous pression.

Les appareils de séparation d'air dits"à pompe", produisent au moins un gaz de I'air (généralement de l'oxygène) sous forme liquide qui est mis sous pression par une pompe avant sa vaporisation, permettant ainsi d'éviter de comprimer les produits purs sous forme gazeuse par un compresseur, ce qui est particulièrement intéressant, économiquement et techniquement, et plus sûr avec t'oxygène. Le réchauffage et la vaporisation du liquide sous pression s'effectuent dans une ligne d'échange thermique qui est généralement constituée d'un ou plusieurs corps d'échangeurs, typiquement du type à plaques et en aluminium brasé. Au niveau de t'échangeur où le liquide sous pression finit de se vaporiser, on assiste à des variations brutales du coefficient d'échange de ce fluide résultant de fluctuations d'écoulement faisant passer le produit d'un état de mélange diphasique, dont le coefficient d'échange est élevé, à un état purement gazeux, dont le coefficient d'échange est très inférieur. II s'ensuit, localement, une variation sensible de la

température de la paroi ou plaque et des ondes de t'échangeur. Lorsque la différence de température entre le fluide qui se vaporise et les fluides calorigènes voisins est notable, pouvant dépasser largement 10 °C, typiquement entre 10°C et 30°C, la température locale de la paroi et des ondes peut varier rapidement et brutalement, typiquement de 5 à 15 °C de façon répétitive, ce qui est suffisant pour provoquer des phénomènes de fatigue thermique.

Lorsque ces fluctuations se produisent dans une zone homogène de t'échangeur, ta fatigue reste très limitée. En revanche, la fatigue devient importante lorsque le fluide finit de se vaporiser en regard d'ondes de déviation contenues dans les passages de fluide calorigène. Cette situation correspond par exemple à une sortie d'air partiellement refroidi destiné à tre turbiné pour le maintien en froid de l'installation. Les phénomènes de fatigue thermique sont en effet aggravés par les hétérogénéités thermiques et mécaniques de la structure, les ondes de distribution ou de déviation étant plus espacées et plus épaisses, et donc plus rigides, que les ondes d'échange, afin d'offrir une résistance plus faible au passage de fluides tout en assurant la résistance mécanique voulue. Les ondes de déviation ont en général un pas plus grand que les ondes d'échange pour réduire la perte de charge des zones de distribution, et par suite ces ondes de déviation sont plus épaisses pour résister à la pression. D'autres facteurs défavorables sont la présence de zones mortes, et éventuettement de barres de séparation, dans les zones de redistribution.

On observe ainsi une tendance à la rupture des plaques dans les régions limites des ondes de déviation.

Ces phénomènes de fatigue thermique sont particulièrement difficiles à éviter dans les zones de redistribution intermédiaires où du fluide calorigène est sorti de t'échangeur et/ou y est introduit. En effet, suivant le type de marche de l'installation, le niveau de fin de vaporisation varie considérablement dans les passages adjacents, et ii n'est pas possible de neutraliser une hauteur importante des passages de chauffage pour positionner les zones de redistribution.

La présente invention a pour objet de proposer une structure d'échangeur de chaleur comprenant au moins une zone de redistribution évitant notamment les inconvénients évoqués ci-dessus.

Pour ce faire, !'invention a pour objet un échangeur du type précité, caractérisé en ce que les ondes de déviation ont sensiblement la mme rigidité que les ondes d'échange.

Avec l'agencement suivant l'invention, on peut éliminer les zones mortes dans la zone de redistribution, ce qui empche ainsi de laisser la surface de t'échangeur suivre seulement la température du fluide vaporisé, et on assure une bonne homogénéité thermique et mécanique entre la zone de redistribution et les zones d'échange. Les phénomènes de fatigue thermique sont ainsi considérablement réduits.

Avec un tel agencement, la zone de distribution présente une rigidité comparable à celle du reste du passage, et t'échange thermique avec les fluides dont la température change le moins et le plus lentement est favorisé.

Selon une caractéristique de l'invention, les ondes de déviation ont sensiblement les mmes proportions géométriques que les ondes d'échange, c'est-à-dire sont reiativement peu rigides et offrent une bonne surface d'échange thermique. Dans ce contexte, on proscrira de préférence l'utilisation d'une barre de séparation ou d'étanchéité interne habituellement disposée entre I'amont et I'aval d'une zone de redistribution.

Par contre, selon un aspect de l'invention, les ondes de déviation et les ondes d'échange peuvent tre de types différents (perforées et non perforées, et/ou décalées ("serrated") et non décalées).

La présente invention a également pour objet de proposer l'application d'un tel échangeur à la vaporisation de liquides sous pression, typiquement à la vaporisation de liquides cryogéniques sous pression.

C'est pourquoi l'invention a pour autre objet un appareil de distillation d'air produisant au moins un liquide cryogénique sous pression et équipé d'au moins un tel échangeur servant à vaporiser ce liquide.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante d'un mode de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels : -la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation d'une zone de redistribution d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; -la figure 2 est une vue schématique d'une zone de redistribution d'un autre mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; et

-la figure 3 est une vue schématique d'encore un autre mode de réalisation d'une zone de redistribution d'un échangeur de chaleur selon l'invention Dans la description qui va suivre, et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mmes chiffres de référence, éventuellement indicés. Sur les dessins les proportions géométriques exactes ne sont pas respectées, pour en faciliter la lecture.

Sur la figure 1 on a représenté, de façon très schématique, une paroi ou plaque 1 d'un échangeur à plaques en métal brasé séparant deux passages de fluides dont l'un P, comme schématisé en coupe transversale sur la partie gauche de la figure 1, véhicule un fluide qui se transforme par vaporisation d'un état liquide 2 à un état gazeux 3. Au niveau de la zone d'interface 4 où la phase liquide sous pression finit de se vaporiser, on a représenté dans un passage adjacent P'montré en coupe longitudinale une zone de redistribution 5 d'où le fluide calorigène, circulant normalement le long de la paroi 1 dans le sens de circulation principal de l'échangeur (vertical descendant sur la figure) est dévié latéralement vers un collecteur 6 pour tre en partie extrait de t'échangeur (flèche E).

Classiquement, la paroi 1 est munie d'ondes d'échange parallèles 7 relativement fines et à pas serré (beaucoup plus serré que représenté sur les figures pour ne pas surcharger celles-ci). Selon l'invention, dans le mode de reaiisation de ta figure 1, le flux est dévié de et vers le collecteur latéral 6 par des ondes de déviation 8 de la zone 5, ayant sensiblement les mmes caractéristiques géométriques (épaisseur, forme, densité) que les ondes d'échange 7, mais s'étendant ici orthogonalement à ces dernières. Comme on le voit sur la figure 1, les ondes 8 sont réparties suivant un volume prismatique à section en V s'étendant progressivement sur toute la section transversale du passage défini par les ondes d'échange 7, une onde médiane 8a séparant ainsi le passage en deux zones, 1'une, supérieure, où la totalité du flux F de fluide calorigène descendant le long des ondes 7 est déviée vers le collecteur 6,1'autre inférieure, où une partie du fluide calorigène collecté dans le collecteur 6 est redistribué vers le bas du passage P'à ondes d'échange 7.

Conformément à l'invention, un tel agencement permet d'éliminer les barres internes d'étanchéité qui constituent des inhomogénéités mécaniques et qui créent des zones mortes, isolées des passages de fluides et de ce fait sensibles aux seules variations de température de l'autre côté de la paroi.

Avantageusement, pour améliorer la distribution du flux dans les ondes de déviation 8, on dispose en amont de ces dernières, comme représenté, et/ou en aval, une résistance à ['écoulement ou perte de charge constituée typiquement d'une courte section d'ondes d'échange 10 disposées en"hard way", c'est-à-dire orthogonalement au flux F, et avec des ouvertures décalées en chicane ou du type"serrated".

La figure 2 représente un mode de réalisation où le débit dérivé E est présélectionné par déviation d'une partie prédéterminée du flux entrant F, dont une partie traverse directement, avec redistribution, la zone de redistribution 5.

Ici, les ondes de déviation 8 forment avec les ondes d'échange 7 un angle supérieur à celui de la diagonale de la surface de distribution dont la hauteur est définie par le collecteur 6. L'une (8b) de ces ondes, qui se raccorde à une onde d'échange 7, définit la séparation entre le flux dévié dans le collecteur 6 et le flux traversant directement la zone de redistribution 5. Celle-ci a ainsi une section en trapèze rectangle, avec sa pointe située sur le bord du passage opposé au collecteur 6 et son coté oblique dirigé vers le haut.

La figure 3 représente un mode de réalisation voisin de celui de la figure 2 mais avec des ondes de déviation 8 cette fois parallèles à la diagonale de la surface de distribution, qui est ici marquée par une onde de déviation médiane 8a s'étendant transversalement de bord à bord du passage principal.

Ainsi, la zone 5 a une section rectangulaire et, de façon analogue au mode de réalisation de la figure 1, tout le flux entrant F est dévié vers le collecteur droit 6d, une ligne extérieure 9 renvoyant une partie du flux extrait du collecteur droit 6d vers un collecteur gauche 6 aiimentant la moitié du motif d'ondes 8 qui communique avec les ondes d'échange situées 7 au-dessous de la zone de redistribution 5. On notera que, ici encore, selon un aspect de l'invention, la zone de redistribution 5 est totalement dépourvue de barre d'étanchéité interne, une légère fuite parasite interne entre les régions situées de part et d'autre de l'onde diagonale 8a ne soulevant pas de problèmes.

Dans chaque mode de réalisation, la zone de redistribution 5 débouche latéralement sur toute la hauteur du ou de chaque collecteur associé.

Dans tous les cas, selon un aspect de l'invention, les ondes de déviation 8, de mme type ou non que les ondes d'échange, sont morphologiquement analogues à ces dernières, avec des pas égaux ou analogues (à + 10%, 20% ou + 30 %) et des épaisseurs également égales ou analogues (å 10%, 20% ou + 30 %), typiquement entre 0,15 et 0,5 mm,

et en aluminium. De préférence, il en est de mme des ondes 10 de création de perte de charge, lesquelles peuvent également tre prévues dans les cas des Figures 2 et 3, comme indiqué en trait interrompu.

Comme sus-mentionné, de telles architectures d'échangeur- distributeur, réalisées typiquement par assemblage de sous-ensembles brasés, en aluminium ou au moins partiellement en acier inoxydable, trouvent une application privilégiée dans les appareils de distiltation d'air cryogéniques produisant notamment de t'oxygène liquide mis sous pression par une pompe avant sa vaporisation, sous pression, dans lesdits échangeurs, par échange de chaleur notamment avec de I'air sous pression.