FR3131625A1 - Echangeur de chaleur comprenant des cales de maintien - Google Patents

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David Averous
Julien HIRT
Thibault REIGNER
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Abstract

Echangeur (1) de chaleur comportant :- un corps (3) muni de plusieurs compartiments (4), chaque compartiment (4) définissant un volume intérieur dans lequel un fluide est apte à circuler, chaque compartiment (4) comportant au moins une ouverture (5) qu’un fluide traverse pour entrer ou sortir dudit volume intérieur,- une paroi (6) de séparation disposée entre chaque compartiment (4) et séparant les volumes intérieurs les uns des autres,- une paroi (9) de fermeture agencée sur chaque compartiment (7) d’extrémité et destinée à fermer le volume intérieur d’extrémité desdits compartiments (7) d’extrémité,échangeur (1) de chaleur dans lequel, celui-ci comprend une pluralité de cales (12) agencées à l’intérieur des compartiments (4) et le long des ouvertures (5). Figure pour l'abrégé : Figure 2

Description

Echangeur de chaleur comprenant des cales de maintien Domaine technique de l'invention
L'invention appartient au domaine technique des échangeurs de chaleur. L’invention concerne plus précisément les échangeurs de chaleur à plaques remplis d’une poudre destinée à initier une réaction physico-chimique.
 Arrière-plan technique
Les échangeurs de chaleur à plaques brasées sont classiquement utilisés dans l’industrie cryogénique pour la séparation et la liquéfaction des gaz, dans le domaine de l’énergie et de la pétrochimie.
Dans le cadre d’une transition énergétique avec des objectifs de réduction majeure des émissions de CO2, de nombreux pays portent un intérêt croissant vers de nouvelles sources d’énergie. Dans ce contexte, les échangeurs de chaleur à plaques brasées sont amenés à s’adapter à de nouveaux procédés de taille industrielle. C’est le cas vis-à-vis des procédés de liquéfaction d’hydrogène liés au développement de la mobilité hydrogène.
L’hydrogène, par exemple, est plus stable à basse température lorsqu’il est à l’état para hydrogène contrairement à l’état ortho hydrogène. A basse température, notamment celle de liquéfaction, l’ortho hydrogène a tendance à se transformer spontanément en para hydrogène ce qui libère de la chaleur indésirable.
Afin de conserver l’hydrogène à l’état liquide, deux options existent. Une première option consiste à extraire en continu et au fur et à mesure la chaleur dégagée par la conversion de l’ortho hydrogène en para hydrogène. En pratique, cette technique s’avère être particulièrement énergivore, et non rentable à échelle industrielle.
Une deuxième option consiste à éliminer l’ortho hydrogène en le convertissant en para hydrogène. Une réaction de catalyse exothermique combinée avec un refroidissement permet de convertir la majeure partie de l’ortho hydrogène en para hydrogène. Les conversions spontanées de l’ortho hydrogène en para hydrogène sont alors réduites.
Cette seconde option est un des cadres dans lequel, peut s’inscrire la présente invention.
En raison de l’utilisation d’un catalyseur, souvent sous forme de poudre insérée dans l’échangeur de chaleur après les opérations de brasage, il s’avère nécessaire d’utiliser des têtes de distribution de l’hydrogène avec de grandes ouvertures de section sensiblement égale à celle dudit échangeur de chaleur. Ceci afin d’assurer une répartition homogène de la poudre dans les compartiments de l’échangeur.
Ainsi les têtes de distribution présentent des dimensions particulièrement importantes, ce qui n’est pas sans conséquence sur l’échangeur de chaleur.
Les échangeurs de chaleur traditionnels comprennent généralement des barres longitudinales et d’extrémités définissant des compartiments séparés les uns des autres par des parois de séparation hermétiques.
Dans le cas de têtes de distribution dont la section est sensiblement égale à la section de l’échangeur de chaleur, les barres d’extrémités sont inexistantes dans les compartiments contenant du catalyseur, car elles feraient obstacle à l’insertion du catalyseur sous forme de poudre. Toutefois, la structure générale de l’échangeur est alors fragilisée car les barres d’extrémités participent à la tenue mécanique de l’échangeur de chaleur et à la distribution des contraintes de soudage.
Lors de l’opération d’assemblage des têtes de distribution sur l’échangeur de chaleur, celles-ci sont soudées sur ledit échangeur de chaleur. Le refroidissement de la soudure, la dilatation des matériaux et contraction des matériaux provoquent des contraintes mécaniques qui peuvent déformer la structure principale de l’échangeur de chaleur ce qui réduit son efficacité. Un autre inconvénient est que ces déformations rendent plus difficiles les opérations de remplissage de l’échangeur de chaleur avec du catalyseur sous forme de poudre et entraînent une maldistribution du catalyseur dommageable à la performance de l’appareil.
L’invention vise à remédier à ces inconvénients.
A cet effet, il est proposé en premier lieu un échangeur de chaleur comportant :
- un corps muni de plusieurs compartiments, chaque compartiment définissant un volume intérieur dans lequel un fluide est apte à circuler, chaque compartiment comportant au moins une ouverture qu’un fluide traverse pour entrer ou sortir dudit volume intérieur,
- une paroi de séparation disposée entre chaque compartiment et séparant les volumes intérieurs les uns des autres,
- une paroi de fermeture agencée sur chaque compartiment d’extrémité et destinée à fermer le volume intérieur d’extrémité desdits compartiments d’extrémité,
échangeur de chaleur dans lequel, celui-ci comprend une pluralité de cales agencées à l’intérieur des compartiments et le long des ouvertures, lesdites cales étant aptes à maintenir une distance séparant deux parois de séparation adjacentes et/ou lesdites cales étant aptes à maintenir une distance séparant la paroi de fermeture, de la paroi de séparation adjacente à ladite paroi de fermeture.
Un tel échangeur de chaleur permet à la structure de l’échangeur d’absorber les contraintes mécaniques inhérentes au refroidissement de la soudure. Il devient ainsi plus aisé de le remplir avec de la poudre.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues seules ou en combinaison :
- celui-ci comprend au moins une tête de distribution du fluide dans les compartiments, les cales étant situées au voisinage de ladite tête de distribution ;
- les cales sont agencées sensiblement à une extrémité longitudinale du corps, ladite extrémité longitudinale étant située à la frontière entre la tête de distribution et le corps ;
- les cales sont munies d’au moins une perforation permettant le passage d’un fluide et/ou d’une poudre au travers desdites cales ;
- les cales comportent une première face destinée à venir au contact d’une paroi de séparation et une deuxième face opposée à la première face, destinée à venir en contact d’une autre paroi de séparation ou d’une paroi de fermeture ;
- dans un même compartiment, les cales sont agencées les unes à côté des autres et espacées les unes des autres d’une distance comprise entre 5 et 30 centimètres ;
- des cales sont agencées dans au moins deux compartiments, comportant une ouverture et adjacents l’un de l’autre, lesdites cales étant sensiblement alignées les unes en dessous des autres ;
- les cales sont agencées dans le compartiment d’extrémité situé à une première extrémité transversale et à une deuxième extrémité transversale opposée à la première extrémité transversale dudit échangeur de chaleur, et des cales sont agencées dans un compartiment adjacent audit compartiment d’extrémité ;
- les cales sont de forme parallélépipédique ;
- les cales sont de forme cylindrique ;
- les cales sont en forme d’ellipse.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
La est une représentation schématique en perspective d’une portion d’un échangeur de chaleur selon l’invention.
La est une représentation schématique d’une coupe de l’échangeur de chaleur comprenant des cales selon l’invention.
La est une représentation schématique d’une cale de la .
La est une représentation schématique d’une coupe de l’échangeur de chaleur comprenant des cales selon l’invention.
 Description détaillée de l'invention
Sur la est représenté un échangeur 1 de chaleur selon l’invention. On définit en premier lieu, un axe longitudinal X s’étendant selon une longueur de l’échangeur 1 de chaleur correspondant à sa dimension la plus grande. On définit en deuxième lieu, un premier axe transversal Y sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal X et s’étendant selon une largeur de l’échangeur 1 de chaleur. L’axe X et Y forment le plan XY. On définit en dernier lieu, un troisième axe transversal Z sensiblement perpendiculaire aux axes X et Y, et s’étendant selon une hauteur de l’échangeur 1 de chaleur. L’axe Z forme avec l’axe X le plan ZX et avec l’axe Y, le plan ZY.
L’échangeur 1 de chaleur comprend plusieurs barres 2 longitudinales définissant ensemble un corps 3 muni de compartiments 4 définissant un volume intérieur dans lequel un fluide est apte à circuler. Chaque compartiment 4 est bordé latéralement selon l’axe Y par une barre 2 longitudinale. Les compartiments 4 sont adjacents les uns aux autres. En d’autres termes, les compartiments 4 sont juxtaposés les uns sur les autres selon l’axe Z.
Chaque compartiment comporte des ouvertures 5 par lesquelles le fluide peut entrer et sortir du volume intérieur.
L’échangeur 1 de chaleur comporte des parois 6 de séparation. Une paroi 6 de séparation est disposée entre chaque compartiment 4. Ainsi, une paroi 6 de séparation sépare les compartiments 4 et donc les volumes intérieurs correspondants, les uns des autres selon l’axe Z.
De part et d’autre de l’échangeur 1 de chaleur selon l’axe Z, celui-ci comporte un compartiment 7 d’extrémité situé à une première extrémité 8 transversale et à une deuxième extrémité 8’ transversale opposée à la première extrémité 8 transversale. Une paroi 9 de fermeture est agencée sur chaque compartiment 7 d’extrémité fermant ainsi le volume intérieur d’extrémité et ce faisant, l’échangeur 1 de chaleur.
Ainsi qu’on peut le voir sur la , l’échangeur 1 de chaleur comprend une tête 10 de distribution du fluide située à une entrée 11 de l’échangeur 1 de chaleur. La tête 10 de distribution présente une section, dans le plan ZY, sensiblement égale à celle du corps 3 de l’échangeur 1 de chaleur.
Le fluide ainsi distribué par la tête 10 de distribution est réparti dans les compartiments 4 accessibles et agencés selon l’axe Z.
L’échangeur 1 de chaleur comprend également une tête de collecte, non représentée sur les dessins, agencée à l’opposé de la tête 10 de distribution. La tête de collecte permet de collecter le fluide sortant de l’échangeur 1 de chaleur.
La tête 10 de distribution est fixée au corps 3 au moyen d’une opération de soudure. A l’issue de l’opération de soudure, le refroidissement du métal de soudure provoque des contraintes mécaniques sur le corps 3. Ces contraintes mécaniques sont communément appelées « retraits de matière ».
Avantageusement, l’échangeur 1 de chaleur comprend plusieurs cales 12. Ainsi qu’on peut le voir sur la , les cales 12 sont agencées à l’intérieur des compartiments 4. Les cales 12 sont agencées le long des ouvertures 5. Les cales 12 permettent de maintenir une distance d séparant deux parois 6 de séparation adjacentes, lorsque lesdites cales 12 sont agencées entre deux parois 6 de séparations. Lorsque les cales 12 sont agencées entre une paroi 6 de séparation et une paroi 9 de fermeture, lesdites cales 12 permettent de conserver une distance d entre ladite paroi 6 de séparation et ladite paroi 9 de fermeture.
Les cales 12 ainsi agencées permettent d’éviter une déformation des compartiments 4 faisant suite au retrait de matière due aux opérations de soudure de la tête 10 de distribution ou de collecte. Les ouvertures 5 n’étant pas déformées, les opérations de remplissage des compartiments 4 avec une poudre de catalyse sont possibles et facilitées. De plus, les cales 12 permettent d’éviter de créer des compartiments 4 que le fluide ne pourrait pas aisément traverser. En effet, un compartiment donné déformé est plus difficile d’accès pour le fluide. Ceci aurait pour conséquence de créer des passages préférentiels pour le fluide et détruirait l’homogénéité de la distribution du fluide dans l’échangeur 1 de chaleur.
Avantageusement, les cales 12 sont situées au voisinage de la tête 10 de distribution et de la tête de collecte (non représentée). C’est au voisinage de la tête 10 de distribution et de la tête de collecte que les contraintes mécaniques susceptibles de déformer les compartiments 4 existent. Les cales 12 ainsi situées permettent avantageusement d’éviter la déformation des compartiments 4.
Avantageusement, les cales 12 sont agencées à une extrémité 13 longitudinale, selon l’axe X, du corps 3. L’extrémité 13 longitudinale est située à la frontière entre la tête 10 de distribution ou de collecte d’une part et le corps 3 d’autre part. C’est en effet au niveau de l’extrémité 13 longitudinale du corps que le risque de déformation est le plus important. Les cales 12 ainsi situées permettent avantageusement d’éviter la déformation des extrémités 13 longitudinales du corps 3, par où est inséré le catalyseur sous forme de poudre. Le remplissage de celui-ci est ainsi facilité.
Avantageusement, les cales 12 sont munies de perforations 14. Les cales 12 représentent des obstacles au passage du fluide et/ou de la poudre de catalyse. Les perforations 14 sont dimensionnées pour permettre le passage du fluide et/ou de la poudre de catalyse. L’impact des cales 12 sur l’écoulement d’un fluide et/ou sur le remplissage de poudre de catalyse est ainsi réduit.
Selon un mode de réalisation représenté sur la , les cales 12 présentent une forme parallélépipédique rectangle. Ainsi chaque cale 12 comporte une première face 15 venant au contact d’une première paroi 6 de séparation et une deuxième face 16 venant au contact d’une deuxième paroi 6 de séparation adjacente à la première paroi 6 de séparation ou au contact d’une paroi 9 de fermeture. Ainsi les cales 12 présentent une hauteur h mesurée selon l’axe Z sensiblement égale à la distance d mesuré selon l’axe Z, séparant deux parois 6 de séparation ou une paroi 6 de séparation et une paroi 9 de fermeture. Les cales 12 ainsi dimensionnées permettent de conserver la distance d à l’issue des opérations de soudage.
Dans un compartiment donné, les cales 12 sont agencées les unes à côté des autres et espacées les unes des autres d’une distance k mesurée selon l’axe Y, comprise entre 5 et 30 centimètres.
En référence à la , des cales 12 sont agencées dans un compartiment 7 d’extrémité situé sous la paroi 9 de fermeture. Les compartiments 7 d’extrémité sont situés aux extrémités 8 inférieure et supérieure, c’est-à-dire selon l’axe Z. Les cales 12 sont agencées dans un compartiment 17 adjacent au compartiment 7 d’extrémité. La demanderesse a déterminé qu’il est efficace d’agencer les cales 12 dans au moins deux compartiments adjacents pour éviter la déformation du corps 3. En positionnant les cales dans les compartiments 7 d’extrémité et dans le compartiment 17 adjacent, les déformations sont évitées, car ces compartiments concentrent les plus fortes contraintes mécaniques en raison de leur proximité avec les soudures.
A noter, qu’on entend aussi par « adjacents » lorsque deux compartiments ouverts (c’est-à-dire qui comportent une ouverture 5), sont séparés, selon l’axe Z, par un ou plusieurs compartiment(s) fermé(s) (c’est-à-dire qui ne comporte(nt) pas d’ouverture 5 et donc fermé(s) par une barre 30 d’extrémité sur la ), les cales sont agencées de part et d’autre du ou des compartiments fermés, précisément dans les compartiments ouverts de part et d’autre desdits compartiments fermés.
Avantageusement, les cales 12 sont agencées les unes en dessous des autres, c’est à dire alignées selon l’axe Z ainsi que représenté sur la . En superposant les cales 12 de cette façon, on évite un pincement de la paroi 6 de séparation qui provoquerait une ondulation de cette dernière. En effet, une disposition des cales 12 en quinconce engendrerait un pincement et ce faisant une ondulation indésirable de la paroi 6 de séparation.
Dans un mode de réalisation non représenté sur les dessins, les cales sont de forme cylindrique. Chaque face plane des cales est en contact d’une paroi de fermeture ou de séparation tandis que la face circulaire est au contact du fluide ou de la poudre de catalyse. Des cales ayant une telle forme sont avantageuses car elles facilitent l’écoulement de la poudre ou du fluide.
Dans un autre mode de réalisation non représenté sur les dessins, les cales sont de forme d’ellipse. Chaque face plane des cales est en contact d’une paroi de fermeture ou de séparation tandis que la face ellipsoïdale est au contact du fluide ou de la poudre de catalyse. Des cales ayant une telle forme d’aile d’avion sont avantageuses car elles facilitent l’écoulement de la poudre ou du fluide.

Claims (11)

  1. Echangeur (1) de chaleur comportant :
    - un corps (3) muni de plusieurs compartiments (4), chaque compartiment (4) définissant un volume intérieur dans lequel un fluide est apte à circuler, chaque compartiment (4) comportant au moins une ouverture (5) qu’un fluide traverse pour entrer ou sortir dudit volume intérieur,
    - une paroi (6) de séparation disposée entre chaque compartiment (4) et séparant les volumes intérieurs les uns des autres,
    - une paroi (9) de fermeture agencée sur chaque compartiment (7) d’extrémité et destinée à fermer le volume intérieur d’extrémité desdits compartiments (7) d’extrémité,
    échangeur (1) de chaleur dans lequel, celui-ci comprend une pluralité de cales (12) agencées à l’intérieur des compartiments (4) et le long des ouvertures (5), lesdites cales (12) étant aptes à maintenir une distance (d) séparant deux parois (6) de séparation adjacentes et/ou lesdites cales (12) étant aptes à maintenir une distance (d) séparant la paroi (9) de fermeture, de la paroi (6) de séparation adjacente à ladite paroi (9) de fermeture.
  2. Echangeur (1) de chaleur selon la revendication 1 dans lequel, celui-ci comprend au moins une tête (10) de distribution du fluide dans les compartiments (4), les cales (12) étant situées au voisinage de ladite tête (10) de distribution.
  3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2 dans lequel, les cales (12) sont agencées sensiblement à une extrémité (13) longitudinale du corps (3), ladite extrémité (13) longitudinale étant située à la frontière entre la tête (10) de distribution et le corps (3).
  4. Echangeur (1) de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, les cales (12) sont munies d’au moins une perforation (14) permettant le passage d’un fluide et/ou d’une poudre au travers desdites cales (12).
  5. Echangeur (1) de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, les cales (12) comportent une première face (15) destinée à venir au contact d’une paroi (6) de séparation et une deuxième face (16) opposée à la première face (15), destinée à venir en contact d’une autre paroi (6) de séparation ou d’une paroi (9) de fermeture.
  6. Echangeur (1) de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, dans un même compartiment (4), les cales (12) sont agencées les unes à côté des autres et espacées les unes des autres d’une distance (k) comprise entre 5 et 30 centimètres.
  7. Echangeur (1) de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, des cales (12) sont agencées dans au moins deux compartiments (4), comportant une ouverture (5) et adjacents l’un de l’autre, lesdites cales (12) étant sensiblement alignées les unes en dessous des autres.
  8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7 dans lequel, les cales (12) sont agencées dans le compartiment (7) d’extrémité situé à une première extrémité (8) transversale et à une deuxième extrémité (8’) transversale opposée à la première extrémité (8) transversale dudit échangeur (1) de chaleur, et des cales (12) sont agencées dans un compartiment (17) adjacent audit compartiment (7) d’extrémité.
  9. Echangeur (1) de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, les cales (12) sont de forme parallélépipédique.
  10. Echangeur (1) de chaleur selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel, les cales sont de forme cylindrique.
  11. Echangeur (1) de chaleur selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel, les cales sont en forme d’ellipse.
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