ECHANGEUR THERMIQUE A PLAQUES SOUDEES, DU TYPE

CONDENSEUR

Domaine technique

L'invention se rattache au domaine technique des échangeurs de chaleur, et notamment des échangeurs utilisés en tant que condenseurs.

Elle concerne plus particulièrement des échangeurs à plaques appartenant à la famille des échangeurs à plaques soudées, par opposition aux échangeurs à plaques réalisés par l'assemblage de plaques serrées entre elles et séparées par des joints périphériques.

En effet, les échangeurs de plaques soudées sont d'une conception plus robuste, en ce sens qu'ils sont constitués exclusivement de pièces métalliques, à l'exclusion de tout joint d'étanchéité compressible en matériau élastomérique ou analogue. Cette conception d'échangeur à plaques soudées les rend donc compatibles avec le traitement de fluides très divers, et notamment des fluides agressifs vis-à-vis des matériaux élastomériques. On citera notamment l'application du traitement des solvants.

L'invention concerne donc plus spécifiquement une nouvelle structure d'échangeur thermique utilisé en tant que condenseur.

Techniques antérieures

De façon générale, les échangeurs à plaques soudées peuvent être utilisés dans des applications visant à assurer la condensation de vapeurs. Le principe de tels condenseurs consiste à mettre en contact la vapeur chargée de matières condensables avec une source froide.

Dans les échangeurs à plaques soudées, les différentes plaques définissent entre elles des circuits de fluide qui s'interpénétrent.

Dans le domaine des condenseurs, différentes solutions ont déjà été proposées pour améliorer l'efficacité d'un condenseur simple. En effet, il est important que le maximum de matières condensables soit éliminé de la phase vapeur lors du passage dans le condenseur, pour limiter les rejets à l'atmosphère et éviter que trop de matières condensées en suspension ne pénètrent dans les dispositifs en aval du condenseur avec le risque de les endommager.

Ainsi, une première solution consiste à combiner en série deux condenseurs simples, assurant donc deux phases successives de condensation. Plus précisément dans le premier condenseur, le fluide à condenser circule selon un flux descendant, ce qui permet la séparation d'une partie du liquide contenu dans la vapeur. Le liquide se condensant à l'intérieur du condenseur s'écoule naturellement, et ce qui permet donc de récupérer une première partie des condensats. La vapeur contenant une fraction non condensée ainsi qu'une certaine quantité de gouttelettes en suspension est ensuite acheminée vers un second condenseur. Ce second condenseur a généralement une circulation ascendante pour la vapeur, et descendante pour les condensats, et est pour cette raison qualifié de condenseur à "reflux". Un dispositif complémentaire, appelé « dévésiculeur », intégré ou non au condenseur, est nécessaire pour assurer l'élimination des gouttelettes en suspension dans le gaz non condensable à la sortie du deuxième condenseur.

Préférentiellement, le second condenseur est parcouru par un fluide réfrigérant à une température plus basse que le fluide réfrigérant du premier condenseur, de manière à améliorer l'efficacité du traitement.

Une autre solution a déjà été proposée consistant à concevoir des condenseurs présentant un circuit vapeur selon deux sens de circulation opposés. Ainsi, ce type de condenseurs dits condenseurs "double passe", présente une première partie dans laquelle le flux de vapeur est descendant, le circuit de vapeur se prolongeant par une partie dans lequel le flux est ascendant. Dans cette portion, le condensât qui s'écoule vers le bas, selon les lois de la gravité, est en partie entraîné par le flux ascendant de la vapeur sous forme de fines gouttelettes. Comme pour les deux condenseurs séparés, un dispositif dévésiculeur est nécessaire à la bonne efficacité

de la condensation. En outre, l'emploi d'un seul fluide réfrigérant pénalise les performances thermiques du condenseur ainsi configuré.

Plusieurs condenseurs de ce type peuvent être également disposés en série afin d'obtenir une efficacité encore meilleure, et une élimination plus importante des produits condensables.

Toutefois, l'association de deux condenseurs en série pose des problèmes mécaniques.

En effet, un tel montage nécessite la réalisation de connexion des deux circuits de vapeur d'un condenseur à l'autre, ces connections devant supporter les vibrations mécaniques, les chocs thermiques, et autres contraintes mécaniques observées dans les installations de traitement.

En outre, la mise en place de ces ensembles de condenseurs se fait généralement en partie haute des installations de traitement, et l'utilisation de supports mécaniques suffisamment robustes et donc lourds, se révèle être un inconvénient important.

L'objectif de l'invention est de fournir un condenseur qui présente d'excellentes performances en termes d'efficacité de condensation, tout en restant relativement simple à fabriquer et à monter à l'intérieur d'une installation complète.

Exposé de l'invention

L'invention concerne donc un échangeur thermique, du type condenseur qui comporte de façon classique un ensemble de plaques soudées, définissant entre elles des circuits de fluide s'interpénétrant.

Conformément à l'invention, cet échangeur se caractérise en ce qu'il comporte au moins deux modules de plaques soudées, chaque module présentant un circuit de fluide réfrigérant indépendant. L'échangeur comporte également une

chambre de liaison, reliant en série deux modules sur le circuit de fluide à condenser, de sorte que le sens de circulation du fluide à condenser est inversé au passage d'un module au module suivant.

Autrement dit, l'invention consiste à réaliser l'opération de condensation au moyen d'un échangeur unique, mais qui réalise la condensation en deux étapes, à savoir une première étape par la condensation au niveau d'un premier module de plaques, avec un premier fluide réfrigérant. Cette première condensation se poursuit par une seconde étape, à l'intérieur du second module de plaques soudées, qui peut être avantageusement parcouru par un fluide réfrigérant à une température inférieure. Le profil des plaques est avantageusement étudié pour assurer la dévésiculation à l'intérieur du condenseur.

Compte tenu de la mise en série des deux modules de plaques, le fluide à condenser circule selon un flux descendant préférentiellement dans le premier module, et ascendant dans le second. L'utilisation d'un flux ascendant et d'un fluide réfrigérant à température plus faible permet d'améliorer l'efficacité de la condensation, c'est-à-dire de diminuer le pourcentage de matière non condensée dans la vapeur traitée.

Cette combinaison est réalisée dans un échangeur unique, ce qui permet de faciliter la mise en place de ce dernier en limitant l'infrastructure nécessaire à son avantage dans une installation générant la vapeur à condenser.

En pratique, la chambre de liaison peut être définie par l'espace séparant les deux faces des modules de plaques situées d'un même côté de l'échangeur, et les parois externes de l'échangeur. Autrement dit, cette chambre des liaisons met en communication les deux entrées des modules de plaques qui se trouvent situées d'un même côté de l'échangeur. Ainsi, dans la configuration la plus simple, la vapeur à condenser sort du premier module par sa face inférieure, selon un flux descendant, et pénètre à l'intérieur du second module par la face inférieure de ce dernier selon donc un flux ascendant.

Cette chambre de liaison est définie du côté extérieur par le châssis de l'échangeur, et sur sa face intérieure, par une paroi s'étendant entre les deux modules de plaques. Cette paroi peut être réalisée par une pièce intermédiaire massive, située entre les deux modules de plaques, ou, de façon préférentielle, par une plaque soudée disposée entre les deux modules, de manière à assurer l'étanchéité de la chambre de liaison., Il est ainsi possible d'employer un matériau homogène pour venir en contact avec la vapeur, entre les modules et la plaque de liaison.

Avantageusement en pratique, cette paroi de la chambre de liaison présente une capacité de déformation élastique selon la direction entre modules. Autrement dit, la plaque formant cette paroi est apte à compenser par sa géométrie, et par exemple grâce à un soufflet de dilatation, les contraintes mécaniques consécutives aux différences de température observées entre les deux modules de plaques.

En pratique, et en fonction des applications souhaitées, les volumes des différents modules de plaques intégrées dans l'échangeur peuvent être différents, notamment en fonction de la composition de la vapeur à condenser.

Ainsi, dans une version d'échangeur la plus simple avec deux modules, le premier module peut être de volume plus important que le second, dans la mesure où la quantité de produit à condenser est plus importante que dans le second module.

Dans le reste de la description, les échangeurs conformes à l'invention seront présentés dans une version incluant deux modules de plaques soudées, mais il va de soi qu'il est également possible d'augmenter ce nombre de modules, en augmentant donc le nombre de circuits de fluide réfrigérant indépendants ainsi que le nombre de chambres de liaisons, sans sortir du cadre de l'invention.

Dans une variante de réalisation, on peut prévoir que dans chaque module, le circuit de fluide à condenser comporte deux segments en série, orientés en sens opposés. Autrement dit, à l'intérieur de chaque module, on peut prévoir grâce à des dispositifs de chicanes appropriées, d'organiser le circuit de fluide à condenser avec une première partie selon le flux descendant, suivi d'une portion avec un flux ascendant. On bénéficie alors d'un échangeur à double passe dans chaque module qui présente une efficacité accrue en terme de condensation et de dévésiculation, grâce à la succession de zones de condensation descendante et de circulation à reflux.

Description sommaire des figures

La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description sommaire des figures du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées dans lesquelles :

La figure 1 est une vue en perspective sommaire d'un échangeur conforme à l'invention.

La figure 2 est une vue en perspective sommaire éclatée de l'échangeur de la figure 1, dans laquelle les panneaux extérieurs sont montrés de manière séparée.

La figure 3 est une vue en perspective sommaire éclatée de l'intérieur de l'échangeur de la figure 1, dans laquelle les modules de plaques soudées sont montrés de manière séparée.

La figure 4 est une vue en perspective sommaire d'un mode de réalisation d'une plaque de connexion utilisée pour réaliser la chambre de liaison.

La figure 5 est une vue schématique illustrant le fonctionnement de l'échangeur de la figure 1.

La figure 6 est une vue schématique illustrant le fonctionnement d'une variante de réalisation.

Manière de réaliser l'invention

Comme déjà exposé, l'invention concerne un échangeur de chaleur qui peut être utilisé principalement dans des applications de condenseurs. Un tel échangeur est illustré à la figure 1, et il se présente sous une forme générale

parallélépipédique définie par un ensemble de parois extérieures, à savoir une paroi inférieure (2), une paroi frontale (3), une paroi supérieure (4), une paroi latérale (5, 6) et une paroi dorsale (7) visible à la figure 2.

Sur la paroi supérieure (4) sont disposées l'entrée (10) et la sortie (11) du fluide incluant les matières à condenser.

La paroi frontale (3) inclut les entrées des deux circuits de fluide réfrigérant. Plus précisément, et comme illustré à la figure 1, la paroi frontale (3) comporte l'entrée (14) de la sortie (15) du premier circuit du fluide réfrigérant, ainsi que l'entrée (16) de la sortie (17) du second circuit de fluide réfrigérant. La paroi dorsale (7) assure le retour des fluides réfrigérants.

La paroi inférieure (2) de l'échangeur (1) comporte quant à elle la sortie (18) des condensats.

La constitution de l'intérieur de l'échangeur (1) est illustrée plus en détail à la figure 2 dans laquelle les différentes parois extérieures sont montrées de manière séparées du cœur de l'échangeur. Ainsi, la paroi supérieure (4) est montrée détachée, et constituée de deux panneaux (41, 42) séparés et affectés chacun à une partie du cœur de l'échangeur. Chacune de ces plaques comportent un perçage (43) destiné au passage de la conduite de raccordement de l'entrée et de la sortie du fluide à condenser. De même, la paroi frontale (3) est également composée de deux panneaux (31, 32) présentant à leurs zones en regard des découpes (33, 34) permettant l'imbrication des deux panneaux en vue d'une fixation efficace sur le cœur de l'échangeur, par l'intermédiaire des perçages (35). Bien entendu, la paroi avant pourrait être également constituée d'un panneau d'un seul tenant sans sortir du cadre de l'invention.

La paroi dorsale ne comporte pas de perçage pour le passage de conduite de raccordement et elle est réalisée de façon similaire à la paroi frontale en deux panneaux imbriqués et fixés sur le cœur de l'échangeur. La paroi inférieure (2) de

l'échangeur (1) est constituée d'un seul panneau comportant un perçage (44) destiné au passage de la conduite (18) de raccordement des condensats.

Chacun des panneaux (31, 32) de la paroi frontale (3) comporte également des perçages (36, 37, 38, 39) destinés au raccordement des conduites de liaison (14, 15, 16, 17) au circuit de fluides de refroidissement. Le cœur de l'échangeur (50) est plus visible à la figure 3 sur laquelle les parois extérieures ne sont pas représentées.

Plus précisément, la partie interne (50) de l'échangeur comporte principalement deux modules de plaques soudées (52, 53) qui sont assemblées par l'intermédiaire de colonnes (55-58) au niveau de leurs arêtes en prolongement, et séparées l'un de l'autre par une paroi intermédiaire (59).

Chacun des modules de plaques soudées (52) sont de conception connue en soi, et selon le principe exposé dans le brevet du Demandeur EP 0 165 179. De manière succincte, un tel module (52) comporte un ensemble de plaques ondulées et soudées les unes aux autres par l'intermédiaire de portions de liaison. Un tel module (52) comporte donc un premier circuit de fluide débouchant sur les faces avant et arrière du module illustré à la figure 3. Un second circuit de fluide, destiné dans le cas présent à accueillir le fluide à condenser, traverse l'échangeur depuis la face supérieure du module (52) jusqu'à sa face inférieure. Plus précisément, la face inférieure (67,70) des deux modules (52, 53) débouche dans un espace libre, définit en partie inférieure par la paroi extérieure inférieure (2).

Ainsi, le volume (63) défini entre cette paroi inférieure (2) et les portions (61, 62) prolongeant le module (52) vers le bas, définissent une partie de la chambre de liaison caractéristique (66). Cette chambre de liaison (66) s'étend donc sur toute la longueur de l'échangeur, et permet donc la mise en communication de la face inférieure (67) du premier module (52), formant la sortie du circuit de fluide à condenser dans le premier module, avec la face inférieure (70) du second

module (53) correspondant à l'entrée du circuit de fluide à condenser dans ce nouveau module.

Mécaniquement, les deux modules (52, 53) sont en contact de la paroi intermédiaire (59) par leurs faces latérales. Cette paroi intermédiaire comporte un évidement (72) destiné à former la continuité de la chambre de liaison (66) sur la longueur de l'échangeur.

Cet évidement (72) reçoit sur sa face interne une plaque de connexion (83) visible à la figure 2, formant une paroi délimitant la chambre de liaison, entre les deux modules (52,53). Comme illustrée à la figure 3, cette plaque de connexion (83) est formée par l'assemblage de deux parties de liaison (81,82) destinées à être soudées l'une à l'autre. Dans une forme préférée, illustrée à la figure 4, chaque partie de liaison (81) comporte une portion plate (85) destinée à être soudée à l'un des modules (52,53). Chaque pièce de liaison (81,82), préférentiellement formée en une seule partie, présente une partie centrale en forme de U renversé (86) se prolongeant par des pattes (87).

Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque partie de liaison (81,82) de cette plaque de connexion (83), présente un soufflet de dilatation (88) réalisé au centre de la partie centrale (86) de la chaque partie de liaison (81). Ce soufflet (88) permet la déformation de ladite plaque selon une direction D correspondant à la circulation du fluide à condenser au sein de la chambre de liaison (66), et qui correspond donc à la direction définie entre les modules (52, 53). Ce soufflet de dilatation peut être obtenu notamment par matriçage.

Les deux parties (81,82) de la plaque de connexion sont soudées chacune sur un des modules (52,53) de plaques, avant l'assemblage des modules. Ces deux portions de liaison sont ensuite soudées entre elles pour former la plaque de connexion (83). Pour éviter toute pollution de cette soudure, l'évidement (72) reçoit une plaque de protection (74) de forme générale en U renversé, intercalée entre la paroi intermédiaire (59) et les deux parties (81,82) de la plaque de

connexion. La plaque de protection (74), réalisée dans le même matériau « noble » que les deux parties de liaison (81,82) a pour but de les isoler de la paroi intermédiaire (59), réalisée dans un matériau moins noble, lors de la soudure d'assemblage des modules (52,53).

Le fonctionnement de l'échangeur ainsi décrit est illustré à la figure 5. Ainsi, le fluide à condenser V pénètre (V _1N ) dans l'échangeur et entre dans le premier module de plaques soudées. Le circuit du fluide à condenser (V) à l'intérieur de ce premier module parcourt donc une première portion V _D , illustrée par la flèche descendante du premier module (52). Grâce au contact avec le premier circuit de fluide réfrigérant (CF ₁ ), le fluide à condenser se sépare donc d'une partie du liquide condensé dans le premier module, ce premier liquide s'écoulant dans la chambre de liaison (66), puis jusqu'à la sortie des condensats (C).

Le fluide contenant des matières à condenser poursuit son circuit dans la chambre de liaison (66) selon la flèche V _L , et pénètre dans le second module (53) qu'il traverse selon un circuit ascendant illustré par la flèche V _A . A l'intérieur du second module réfrigéré par un circuit d'un fluide réfrigérant CF ₂ , qui peut être par exemple de l'eau glycolée. Dans le second module (53), le fluide à condenser a un chemin ascendant, il circule donc à reflux, ce qui améliore la dévésiculation.

Les fluides réfrigérants peuvent avantageusement grâce à l'invention être choisis de manière différente, afin d'optimiser le phénomène de condensation. Les volumes et les débits de ces fluides réfrigérants peuvent également être adaptés en vue d'optimisation des performances thermiques de l'échangeur.

Une partie des condensats s'écoule donc dans un sens opposé à la circulation du fluide, de manière à améliorer l'efficacité du processus de condensation. Cette partie complémentaire de condensats est également évacuée par la sortie (18) d'élimination des condensats.

Il est à noter que le nombre de modules de plaques soudées peut être plus important que le nombre de deux, illustré aux figures précédentes, afin de bénéficier, le cas échéant, d'un nombre de circuits de fluides réfrigérants plus élevé.

Il est également possible, comme illustré à la figure 6, de réaliser l'échangeur caractéristique selon une variante d'exécution. Dans ce cas, des dispositifs de chicane (90, 91) sont disposés au niveau de chacun des modules de plaques soudées, de manière à cloisonner chaque module élémentaire (92, 93) en deux zones distinctes (95, 96, 97, 98). Dans ce cas, dans la première zone (95) du premier module (92), le fluide à condenser V _1N circule selon un flux descendant V _D1 , et il le remonte par la seconde partie (96) du même module (92) selon un flux V _A1 ascendant. La paroi intermédiaire (99) se prolonge vers le bas pour délimiter une zone ouverte (100) permettant le passage du fluide à condenser V _L1 de la première partie (95) de la deuxième partie (96) du premier module (92), tout en l'isolant de la zone ouverte (101) du deuxième module (93). Le circuit de fluide se prolonge en ressortant par la partie haute du premier module (92) et en débouchant dans une chambre de liaison (103), délimitée par la chicane (90, 91), ainsi qu'une plaque (105) qui peut être similaire à la plaque de connexion formée des deux parties de liaison (81,82), dont l'une est illustrée à la figure 4.

Le circuit de fluide se prolonge alors par une section descendante V _D2 dans la première partie (97) du second module (93), puis une portion V _L2 dans la chambre de liaison (101) et enfin par une portion ascendante V _A2 dans la seconde partie (98) du second module (93).

On obtient alors ainsi un échangeur dans lequel deux phases de dévésiculation, avec une circulation à reflux (V _A1 , V _A2 ) est réalisée au niveau de chaque circuit de fluide réfrigérant (CF ₁ , CF ₂ ).

Dans cette variante, les condensats (C ₁ , C ₂ ) peuvent être récupérés indépendamment, ce qui peut s'avérer avantageux pour des applications

spécifiques, comme le retour des condensats à deux niveaux différents d'une colonne de distillation.

Il ressort de ce qui précède que l'échangeur conforme à l'invention présente de multiples avantages, et notamment en combinant à la fois une bonne efficacité dans le processus de condensation avec une compacité qui le rend apte à être installé de manière simple dans de multiples installations. En outre, grâce à un tel condenseur on bénéficie d'une simplification de la connexion concernant le fluide à condenser.

Parmi les applications industrielles de ce type d'échangeurs, on peut citer la condensation en tête de colonne de distillation ou la condensation des effluents de réacteurs utilisés en chimie fine ou pharmacie.