CH431581A - Dispositif pour l'échange de chaleur entre deux fluides - Google Patents

Description

Dispositif pour 1'echange de chaleur entre deux fluides La presente invention se rapporte ä un dispositif pour 1'echange de chaleur entre deux fluides au moyen d'un fluide intermediaire.

Dans certaines installations, par exemple de 1'indus- trie chimique ou nucleaire, qui mettent en oeuvre des fluides chauffants et chauffes susceptibles d'entrer en rdaction ou de se polluer 1'un 1'autre, il apparait que la solution usuelle consistant ä sdparer les deux fluides par une simple paroi est precaire.

Cette paroi unique peut, en effet, par Suite d'efforts mecaniques, de .dilatations, se deteriorer avec formation de fissures ou de corrosions intercristallines du metal. 0u encore des phenomenes electriques peuvent prendre naissance sur l'une ou 1'autre des faces de la paroi, avec amorces d'infiltrations.

Le dispositif selon 1'invention est caracterise en ce que 1'enceinte de circulation du troisieme fluide et les circuits du passage des deux autres fluides sont montA avec possibilite de .dilatation et en ce qu'un dispositif de contröle de 1'etancheite est monte Sur 1e circuit du troi- sieme fluide.

Les dessins annexes reprAentent, ä titre d'exemple, plusieurs modes de realisation de Fobjet de 1'invention. La fig. 1 muntre schematiquement en coupe un echangeur ä circulation forcee du fluide intermediaire. La fig. 2 muntre un echangeur ä circulation naturelle de fluide intermediaire.

La fig. 3 est la disposition schematique d'un 6chan- geur ä double circulation de fluide intermediaire.

La fig. 4 represente en coupe un echangeur ä e@e- ments tubulaires doubles pour circulation du fluide in- termediaire.

La fig. 5 est une vue partielle en coupe d'un echan- geur ä eldments tubulaires triples.

La fig. 6 est une vue en perspective avec coupe par tielle montrant 1e detail d'un element tubulaire de la fig. 5.

Les fig. 7 et 8 montrent la perspective avec coupe partielle de variantes. La fig. 9 est une vue en coupe d'un autre amenage- ment du passage de fluide intermediaire.

Les fig. 10 et 11 sont des dispositions permettant la double circulation du fluide intermediaire.

La fig. 12 represente en coupe une jonction d'un eld- ment tubulaire double.

Les echangeurs representes Jans ces figures sont prevus pour assurer 1e chauffage d'un premier fluide A par un second fluide B. Le fluide A est un liquide ou un gaz reactif avec 1e fluide B. Par consequent, il importe de fagon absolument imperative, qu'aucun melange des fluides A et B ne puisse seRTIID="0001.0270" WI="14" HE="4" LX="1570" LY="1604"> produire, meme ä 1'etat de traces.

Il en est ainsi notamment si 1e fluide chauffant B est, ä la fa@on usuelle comrnode, de 1'eau sous forme liquide ou ä 1'etat de vapeur, et si 1e fluide ä chauffeur A est un compose ayant une grande efficacite chimique avec 1'eau.

Pour etre ä 1'abri de tout risque de contact meme infime avec des fluides A et B, 1e chauffage est assure par circulation d'un fluide intermediaire C circuiant en circuit ferme, s'echauffant par transmission de chaleur de B et restituant cette chaleur ä A.

Ce fluide C est choisi de fagon ä etre inactif ä 1'egard des fluides A et B. 11 est constitue par exemple par un gaz neutre, tel qu'azote, ou un gaz rare comme helium, argon, neun, crypto,n ou encore par des composes chimi- quement neutres tels que celui connu sous 1e nom de FREON .

Dans la realisation de la fig. 1, deux reservoirs dis- tincts 1 et 2 sont amenages chacun avec un serpentin independant respectivement 3 et 4. Le serpentin 3 con- tenu dans 1e rdservoir 1 re@oit 1e fluide chauffe A, lequel entre .en 5 et sogt en 6.

Le serpentin 4 contenu dans 1e reservoir 2 re@oit en 7 1e fluide chauffant B, lequel sort en B.

Autour du serpentin 3 Jans 1e reservoir 1 et autour du serpentin 4 dans 1e reservoir 2 est produite une cir- culation du fluide C, gräce ä une pumpe 9. Aspire ä la partie supdrieure 10 du reservoir 1 dann la canalisation

11, 1e fluide C est refou16 par la pompe 9 ä la partie sup6rieure 12 du r6servoir 2, qu'il traverse pour sortir du r6servoir en 13 et etre amend par la canalisation 14 ä la partie infdrieure 15 du r6servoir 1.

Comme an 1e voit, 1e fluide C, circulant en 2 s'6chauffe au contact du serpentin 4 parcouru par 1e fluide B et passe ensuite dans 1e reservoir 1 oü il cede sa chaleur au contact du serpentin 3 en echauffant 1e fluide A.

Chacun des fluides A et B circule dass son serpentin 1 ou 2, sann que les fluides ä aucun moment ne soient de part et d'autre de la meme paroi. Le fluide C transfere la chaleur de 1'un ä 1'autre sans risque de contact ind6si rable des fluides A et B.

Selon les applications et les conditions d'utilisation, temperature, pression, etc.. . la pompe 9 peut eire dis pos6e, soit comme repr6sentd Sur la canalisation 11 entre la sortie 10 du .rdservoir et 1'entrde 12 du r6servoir 2, soit Sur la canalisation 14 entre la sortie 13 et 1'entr6e 15.

Sur 1e circuit du fluide C, il y a intdrät ä prdvoir un pr61evement 16 vers un dispositif de contröle 17. Ce prdlevement sert ä v6rifier que Ie fluide C ne comporte aucune trace de 1'un des fluides A ou B.11 est compens6 par une rentr6e en 18 dans 1e circuit dune quantit#, dquivalente du fluide C neuf.

Le pr61evement peut eire unique. Mais il peut y avoir intfet ä pr6voir deux prdlevement du fluide C, un ä la sortie de chaque reservoir, respectivement en 10 et 13.

La fig. 2 montre un echangeur ä circulation naturelle en fluide. intermddiaire C_ Cet echangeur comprend un seul r6servoir 20 dans lequel sont mont6s les. serpentins 21 et 22 destines ä la circulation des fluides A et B. Le serpentin 21 regoit en 23 1e fluide A, lequel sort chauff6 en 24. Le serpentin 22 repit en 25 1e fluide chauffant B, par exemple de la vapeur d'eau, ce fluide sortant en 26, par exemple sous forme d'eau condensee dann 1e ballon central 27.

Le serpentin 22 est coiff6 par une enveloppe 28 cylindrique menageant un passage 29 1e long de la paroi du r6servoir 20. Cette enveloppe 28 est ferm & ä la par tie sup6rieure par un chapeau tronconique 30 au centre duquel est fix6 un manchon 31 s'6tendant Jans la partie centrale du serpentin 21. Autour du serpentin 21 est mont6e une enveloppe de guidage 32.

Le r6servoir 20 est rempli de fluide C et par 1e j,eu des 6chauffements et refroidissements, 1e fluide C se trouve entraind par circulation naturelle en circuit ferm6 autour des serpentins 21 et 22 comme 1'indiquent les fleches.

Le fluide C se trouvant au bas du serpentin 22 oü circule 1e fluide chauffant B., s'dchauffe et tend ä monter. Canalis6 par la paroi 30, il s'engage @dans 1e manchon 31. Rencontrant la paroi 32, il est dirig6 vers 1e serpen tin 21 auquel il cede sa chaleur et, se refroidissant, de scend vers 1e passage lat6ral 29 pour recommencer 1e cycle chauffage-refroidissement.

En 33 et 34 sont m6nag6es sur 1e r6servoir 20 des prises de prelevement du contröle et de reinjection de fluide C, comme il a A6 dit ei-dessus.

Pour augmenter la s6curit6, Jans la disposition de la fig. 3, an a prdvu deux circuits fermds du fluide C,1'un Cl assurant 1e chauffage du fluide A, 1'autre C2 assurant 1'6chauffement au contact du fluide B, la transmission de chaleur s'effectuant de Cl ä C2 dans un & hangeur dis tinct. Selon cette disposition, an a trois reservoirs 40, 41, 42. Le r6servoir 41 porte 1e serpentin 43 de chauffage du fluide A. Le r6servoir 41 regoit 1e serpentin 44 du fluide B.

A 40A.3 est associde une circulation de fluide in- termediaire Cl par une pompe 45.A 41-44 est associee une circulation de fluide intermddiaire C2 par une pompe 46. Ces deux circulations sont independantes.

Dans 1e r6servoir 42 est mont6 un serpentin 47 par- couru par 1e fluide C2 mis en cireulation par la pompe 46. Le fluide Cl entrain6 par la pompe 45, cireule dans 1e r6servoir 42 autour du serpentin 47. C'est Jans 1e r6servoir 42 que se fait 1'6change de chaleur entre les fluides intermediaires Cl et C2.

Sur chaque circuit ind6pendant peuvent etre effec- tu6s les pr61evements de contröle avee reinjection corres- pondante. Le fluide circulant dans les circuits Cl et C2 peut eire 1e meme ou diff6rent. Les pressions de Cl et C2 peuvent etre identiques pour 6viter tont effort sur 1e serpentin 47, ce qui exclut tonte possibilit6 de pollution.

Les surfaces d'6change ont 6t6 prevues tubulaires et en Mlices afin d'etre ä meme de .donner ä 1'intdrieur des r6cipients qui les contiennent une 61asticit6 teile qu'en aucun point,. il ne puisse produire, sous 1'effet des dilata- tions ou toutes autres causes, une tension int6rieure appr6ciable. Mais tonte autre forme de rdalisation, as- surant cette condition, peut etre utilis6e.

Dans cette r6alisation, il y a interet, pour des raisons de securitd, ä 6viter autant que possible les soudures Sur les r6servoirs. C'est pourquoi il a 6t6 represent6 des r6a- lisations, saus plaques tubulaires, dans lesquelles les en tr6es et sorties s'effectuent par des tubulures m6nagdes dans 1e fond des r6servoirs.

Il pourra eire utile de donner au fluide intermediaire C une pression qui empeche des fuites ou suintements d'un des serpentins de p6ndtrer dann son circuit. Par ex- emple 1e fluide interm6diaire C Sera avantageusement pr6vu ä une pression sup6rieure ä celle du fluide chauf- fant B, mais inf6rieure ä. celle du fluide chauff6 A, de Sorte qu'une fuite du fluide B ne puisse p6n6trer Jans 1e fluide C, dune atteindre 1e fluide A.

Suivant une autre rdalis,ation (fig. 4), 1'6changeur de sdcurit6 est constitue par des 61ements tubulaires dou- bles dispos6s dans un r6servoir 50. Les e16ments tubu- laires doubles comprennent un tube int6rieur 51 s.ervant au passage d'un des fluides, par exemple 1e fluide chauffe A. Le tube int6rieur est entour6,d'un tube con- centrique 52 et 1'espace 53 compris entre les tubes 51 et 52 sert au passage du fluide interm6diaire C. L'ensemble des tubes est baign6 dans 1e fluide chauffänt B qui cir- cule dans 1e r6servoir 50.

Le fluide chauffe A est amene au tube 51 par un collecteur 54 et il est recueilli par un collecteur 55. Le fluide interm6diaire C circule dann les espaces 53 des divers tubes entre un collecteur 56 et un collecteur 57 entraine par une pompe 58. C'est Sur cette circulation que sont effectu6s en 59 les pr & vements de contr6le et les r6injections.

Suivant une autre forme @d'exdcution, 1'6changeur peut etre constitud d'e16ments tubulaires triples, sans r6servoir ext6rieur, ou avec une simple enveloppe de protection calorifugee, comme 1e montre la fig.5. Chaque 61ement comprend trois tubes concentriques: un tube interieur 60 servant au passage du fluide ch,auff6 A, un tube m6dian 61 d61imitant avee 1e tube 60 un espace 62 servant au passage du fluide intermediaire C, un tube ext6rieur 63 delimitant un passage 64 pour 1e fluide chauffant B. Les tubes 60 sont reliés à des collecteurs 65 de fluide A. Les espaces 62 sont raccordés à des collec teurs 66 pour la circulation du fluide C. Les espaces 64 sont raccordés à un collecteur 67 de fluide B.

Que ce soit dans la disposition de la fig. 4, ou celle de la fig. 5, il y a intérêt pour augmenter l'efficacité des échanges thermiques, à munir la ou les parois de l'espace de circulation de fluide intermédiaire C, d'aspé rités, nervures ou analogues, assurant un contact facili tant la transmission de chaleur par conductibilité et cons tituant pont thermique dans ledit espace. Ces aspérités ou nervures améliorent en outre l'échange par convec tion du fluide C avec les parois.

Des exemples d'une telle disposition de pont thermi que sont représentés fig. 6 à 11.

Dans la fig. 6, on voit que sur la paroi intérieure du tube 61 sont prévues des aspérités 68 d'une longueur sensiblement égale à la longueur radiale de l'espace 62. Ces aspérités faisant corps avec le tube 61, viennent sensiblement en contact :avec la paroi extérieure du tube 60, établissant entre les tubes 60 et 61 un pont thermi que dont la transmission s'ajoute à celle du fluide C cir culant .dans l'espace 62. Ce contact toutefois est libre, donnant aux tubes 60 et 61 une liberté de dilatation évi tant des pressions susceptibles de provoquer des ten sions indésirables.

Au lieu d'aspérités, on peut prévoir sur le tube 61 (fig. 7) des nervures 69, de préférence ondulées, délimi tant des canaux 70 de passage du fluide C et réalisant le pont thermique entre les tubes 60 et 61.

Dans une autre forme .d'exécution (fig. 8), la paroi intérieure du tube 61 est garnie d'ailettes hélicoïdales 71 qui délimitent des canaux hélicoïdaux 72 pour le passage du fluide C, tout en constituant le pont thermique avec le tube 60.

Au lieu de prévoir les aspérités ou nervures sur le seul tube 61, elles peuvent être ménagées à la fois :sur le tube 61 et sur le tube 60, comme il est montré en coup fig. 9. Notamment le tube 61 est pourvu de nervures hélicoïdales 73 à section trapézoïdale et le tube 60 pré sente aussi des nervures hélicoïdales 74 à section trapé zoïdale. Ces nervures 73 et 74 n'occupent pas tout l'espace annulaire 62 compris entre les deux tubes 60 et 61, mais elles sont mises en contact en 75, établissant ainsi la continuité de la transmission par conductibilité. Ces nervures 73 et 74 étant hélicoïdales, leur mise en contact est assurée commodément au montage par vis sage.

Il peut y avoir intérêt, dans certains cas, comme il a été expliqué ci-dessus, à diviser la circulation du fluide C en deux- passages: l'un 76 dans lequel le fluide Cl demeure en contact avec le tube 60 seul; l'autre 77 dans lequel le fluide C2 reste en contact avec le tube 61 seul. A cet effet, dans une première réalisation (fig. 10), il est interposé entre les nervures 73 et 74 une feuille 78 qui s'appuie sur ces nervures en se conformant sur elles en assurant les contacts thermiques 79. Suivant une variante (fig. 11) on interpose dans le passage du fluide C une pièce 80 à bourrelets trapézoïdaux 81 et 82, symétriques ou dissymétriques qui viennent en contact en 83 et 84 respectivement avec les nervures 73, 74 des tubes 60 et 61.

Avec les dispositions ci-dessus, on peut, par transla tion, par rotation ou par un mouvement de serrage, don ner au contact des nervures toute pression désirée, selon l'effet de transmission par conductibilité que l'on cher che à obtenir. On peut même faire en sorte qu'un réglage automatique :de la pression des nervures entre elles soit obtenue par les différences de transmission de chaleur, provoquant des différences de températures dans les fluides.

Dans ces réalisations à éléments tubulaires, doubles ou triples, il y a intérêt, comme dans celles ides fig. 1 à 3 à adopter des jonctions évitant les soudures en contact avec les fluides.

La fig. 12 donne un exemple de réalisation dans le cas de la fig. 4.

La sortie de l'élément à tubulure double 51-52 dans le fond 83 du réservoir 50, est assurée par une tubulure 84 ménagée sur ce fond par forgeage. Sur la bride 85 de cette tubulure 84 vient s'appliquer une bride 86 formant corps avec le tube 62 et la soudure ,est pratiquée en 87 à l'extrémité des brides 85 et 86. Le tube 52 porte au-des sus de cette jonction une tubulure 88 :de passage du fluide intermédiaire.

L'extrémité du tube 52 porte une bande 89 sur laquelle s'applique une bride 90 ménagée sur le tube 51 avec soudure en 91 sur le pourtour extérieur des deux bords 89 et 90.

Claims (5)

1. REVENDICATION Dispositif pour l'échange de chaleur entre deux flui des, par l'intermédiaire d'un troisième fluide, caractérisé en ce que l'enceinte de circulation :du troisième fluide et les circuits de passage des deux autres fluides :sont mon tés avec possibilité de dilatation, et en ce qu'un dispositif de contrôle de l'étanchéité est monté sur le circuit du troisième fluide intermédiaire. SOUS-REVENDICATIONS 1) Dispositif suivant la revendication, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux réservoirs à fonds bombés dans lesquels circule le troisième fluide, chacun des réservoirs contenant un serpentin parcouru respecti vement par les fluides chauffant et chauffé, les admis sions de ces fluides étant assurées par des tubulures tra versant les fonds des réservoirs.
2. 2) Dispositif suivant la revendication, caractérisé en ce qu'il comprend trois réservoirs, le premier réservoir comportant un serpentin pour le premier fluide, le second comportant un serpentin pour le second fluide, le troisième réservoir comportant un serpentin pour l'échange de chaleur de deux fluides intermédiaires cir culant respectivement dans les deux autres réservoirs.
3. 3) Dispositif d'échange de chaleur suivant la reven dication, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir unique recevant le fluide intermédiaire et deux serpen tins recevant les fluides chauffant et chauffé, un jeu de cloisons assurant la circulation du troisième fluide.
4. 4) Dispositif d'échange de chaleur suivant la reven dication, caractérisé en ce qu'il est constitué par des élé ments tubulaires concentriques dont les éléments tubu laires médians sont pourvus de nervures formant pont thermique.
5. 5) Dispositif d'échange de chaleur suivant la reven dication et la .sous-revendication 4, caractérisé en ce que les tubes sont pourvus chacun de nervures hélicoïdales en contact entre elles.