EP1179724A1 - Echangeur thermique à blocs échangeurs multiples à ligne d'alimentation en fluide à distribution uniforme, et vaporiseur-condenseur comportant un tel échangeur - Google Patents

Echangeur thermique à blocs échangeurs multiples à ligne d'alimentation en fluide à distribution uniforme, et vaporiseur-condenseur comportant un tel échangeur Download PDF

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EP1179724A1
EP1179724A1 EP01402093A EP01402093A EP1179724A1 EP 1179724 A1 EP1179724 A1 EP 1179724A1 EP 01402093 A EP01402093 A EP 01402093A EP 01402093 A EP01402093 A EP 01402093A EP 1179724 A1 EP1179724 A1 EP 1179724A1
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Marc Wagner
Robert Chen
François Fuentes
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F28F2210/08—Assemblies of conduits having different features

Definitions

  • the invention relates to heat exchangers, in particular for vaporizers-condensers of cryogenic installations, for example for main evaporators of the double distillation columns air, and vaporizers-condensers comprising such an exchanger.
  • This vaporizer-condenser intended to condense a first fluid arriving in the gaseous state by vaporizing a second fluid arriving in the state liquid, thus comprises, inside an enclosure 10 of general shape cylindrical, a heat exchanger 2 as shown in FIG. 2.
  • the vaporizer-condenser illustrated in the figures includes a single enclosure, but commonly, vaporizers have several enclosures, for example two parallel enclosures, each equipped with an exchanger.
  • the central region of one of the bases 101 thereof is provided with a supply duct 11; the central base region opposite is provided with a discharge duct not visible in the drawings, to evacuate from the enclosure the part of this second fluid which has not been vaporized as a result of heat exchange with the first fluid.
  • the part upper side wall of the enclosure is provided with at least one evacuation pipe 12 to evacuate part of the second from the enclosure fluid which has been vaporized and is thus in the gaseous state.
  • the heat exchanger 2 thus bathes in a bath 13 consisting of the part of the second fluid which is in the state liquid, surmounted by a gaseous sky 14 consisting of the part of this second fluid which has been vaporized as a result of heat exchange with the first fluid, channeled in the exchanger.
  • the exchanger 2 shown in FIG. 2 and also visible on the Figure 3 includes an exchanger body made up of several blocks exchangers 20 with plates arranged aligned and joined, arranged for condense the first fluid by circulating it in passages substantially vertical exchanger blocks from top to bottom, in vaporizing the second fluid flowing in passages adjacent to those where the first fluid flows, from bottom to top.
  • each exchanger block 20 includes plates 200 generally rectangular arranged parallel being braced by spacer waves which perform the function of thermal fins, so as to form a generally parallelepipedic stack assembled by brazing.
  • the plates 200 thus define two by two of the passages intended for traffic in a vertical direction, alternately in from one end plate of the block to the opposite end plate, from first fluid and second fluid.
  • the plates delimiting between them a rectangular passage 201 for the first fluid are further braced by bars running along their four sides; while the bars 202 of the horizontal sides extend over the entire length of these sides, the bars 203 on the vertical sides do not extend to the ends of these sides and have an approximately central interruption of so as to create windows 204 at the upper ends and halfway up passages, and windows 205 at the lower ends of the passages, constituting respectively entry and exit accesses for the first fluid.
  • the plates delimiting between them a passage for the second fluid are braced by bars running only along their vertical sides, over the whole length of these sides, so as to create all along their sides lower and upper horizontal windows, respectively entry and outlet for the second fluid.
  • the spacer waves which extend in these passages are vertical generators.
  • the passages 201 intended for the first fluid in the blocks 20 include a main heat exchange region 206, regions input distributors 207 extending at the level of the input windows 204, and outlet collecting regions 208 at the outlet windows 205.
  • the input distributing regions 207 and the collecting regions of outlet 208 are here in the form of right triangles; the right triangles forming two of the four input distributor regions have respectively for right angles at the top the upper right angles of the passage rectangular for the first fluid, for short side of the right angle, the heights of the upper entrance windows 204, and for long sides of the right angle, the half-widths of the passage at the top of these Windows ;
  • the right triangles of the other two distributing regions entry heights respectively have short sides of the right angle the heights entry windows 204 halfway up the passage and for long sides of the right angle about two-thirds of the half-widths of the level crossing from the top of these windows; the right triangles forming the two exit collecting regions have respectively right angles to the vertex the lower right angles of the rectangular passage
  • the spacer waves which extend in the input distributor regions 207 and output collector regions 208 are horizontal generators, while the spacer waves which extend into the main heat exchange regions 206 are at vertical generators.
  • each exchanger block 20 has four series of windows inlet 204 for the first fluid extending two by two respectively in two vertical parallel faces of the block and opening into four respective series of input distributor regions 207, two series of outlet windows 205 for the first fluid extending respectively in the same two faces and into which two series emerge respective output collector regions 208, a series of windows inlet for the second fluid extending in a horizontal face bottom of the block, and a series of outlet windows for the second fluid extending in an upper horizontal face of the block.
  • the first fluid is circulated in a system of pipes connected to the exchanger blocks as described below.
  • each of the series of entry windows has its windows 204 in communication with the internal space of a box respective fluid supply 21 carried by the block 20, of form elongated and which extends against the face of the block in which the series of windows; similarly, each of the series of exit windows 205 a its windows in communication with the internal space of a box respective fluid discharge 22 carried by the block 20, of form elongated and which extends against the face of the block in which the series is created windows 205.
  • the supply boxes 21 and the outlet boxes 22 have a straight cross-section in the shape of a circular sector; here the section is in a semicircle, and the boxes thus have a semi-cylinder wall and are open along the diametrical plane of the half-cylinder by which the windows open into the internal space of the box.
  • the two sets of entry windows located on the same side of a block open into the same supply box 21, respectively at the top and bottom of it.
  • the supply boxes 21 counterparts of the neighboring blocks are in communication with each other to form a supply line in fluid
  • the outlet boxes 22 counterparts of the neighboring blocks are in communication with each other to form an evacuation line from fluid, either by the fact that the homologous boxes of the different blocks constituting the same exchanger body are made in one piece ( Figure 2), either by the fact that the homologous boxes, which are provided on the and other of each block 20 of cylindrical taps 211, have their Respective connections located opposite connected by a link 23 ( Figure 4).
  • the power boxes of the terminal block 20 of a exchanger have no downstream connection and have a semi-circular bottom, while one-piece power boxes exchanger are provided with an upstream 211 nozzle to facilitate their connection (figure 2).
  • the upstream connections 211 of the two lines supply of the first gaseous fluid located on either side of the exchanger are connected to bent inlet pipes 24 themselves connected on either side of a through 25 input collector the base 101 of the enclosure 10, through which the first fluid is introduced in the state gaseous.
  • the discharge lines of the first fluid in the gaseous state are closed at both ends; facing each block 20, the side wall of each box 22 has an opening through which the internal space of the box opens into a discharge pipe 26 respective extending in an approximately vertical plane and one of which part extends down below the box being bent so as to extend under the block 20 transversely to it in tilting down; the lower ends of all pipes evacuation 26 located on either side of the blocks 20 open into a same manifold 27 for discharging the first fluid in the liquid state, which crosses the base 101 of the enclosure 10.
  • Each discharge pipe 26 also has an upwardly extending portion above the level of the box 22, and the upper ends of all the pipes outlet 26 open into one or the other of two conduits evacuation 28 of non-condensable or non-condensing residual gases extending horizontally respectively on either side of the exchanger, along it; these gas evacuation pipes 28 residual are located at an intermediate level between that of the boxes supply 21 and that of the outlet boxes 22; they emerge, at the upstream end of the exchanger, in a gas discharge manifold 29 residuals, also crossing base 101 of enclosure 10.
  • the first fluid brought to the state gas at the inlet manifold 25, is distributed between the two pipes input 24, then enters the line of supply boxes 21 succeeding along the line of blocks 20; from there he enters through the windows inlet 204 in the passages 201 which are intended for it between the plates.
  • the second fluid brought to the liquid state by the supply conduit 11 in the enclosure 10 and which forms therein a bath 13 where the heat exchanger blocks 20 receives enough energy for part of it second fluid vaporizes while the first fluid, yielding part of its energy, liquefies.
  • the first fluid comes out of the blocks exchangers 20 through the outlet windows 205 of the base of the blocks, penetrates in the evacuation boxes 22, and descends through the evacuation pipes 26 in the evacuation manifold 27 by which it is evacuated from the vaporizer-condenser ; generally, when the first fluid arrives in the gaseous state in the vaporizer-condenser, it is not perfectly pure and contains a fraction of noncondensable gases at operating temperature the vaporizer-condenser; non-condensable or non-condensing residual gases are entrained in the outlet boxes 22 with the first fluid in the liquid state, but escape from the boxes 22 through the pipes discharge 26, upwards, in the gas discharge conduits 28 residual, and are evacuated from the vaporizer-condenser by the collector evacuation 29 of non-condensed gases.
  • the part of the second fluid which passes to the gaseous state in the passages which are their dedicated in block 20 escapes from these passages through the windows upper of these, and is discharged from the enclosure 10 where it constitutes the sky 14, via the exhaust pipes 12.
  • the flow of the first fluid in the supply boxes 21 is very heterogeneous and may even be locally vortex by following in particular the passage of the circular straight cross section of the inlet ducts 24 to the semicircular cross section of the boxes 21, and if we consider a straight cross section of the boxes, the speeds in different very close locations belonging to this section can be extremely different; this results in an uneven distribution of the first fluid between the different inlet windows 204 and thus between the different passages 201 for the first fluid, often a lower flow rate in the windows closest to the nozzle.
  • a consequence of this poor distribution is a disparity in the transformation of the first fluid in gas in the various passages 201, and thus a yield of the not optimal vaporizer-condenser.
  • the invention aims to remedy this drawback, and relates to for this purpose a heat exchanger comprising an exchanger block or several aligned exchanger blocks where fluids are circulated in heat exchange relationship, at least one face of each block having entry windows for at least one of the fluids, the windows of entry of the same face of each block for this fluid being in communication with the internal space of the same power supply box fluid which extends against said face thereof, and which communicates with at minus a homologous box from a neighboring block if there is one, to form a fluid supply line, exchanger characterized in that the line fluid supply contains at least one grid arranged across the line and having through perforations and solid parts distributed to create, at locations on the grid surface, pressure losses such as fluid flow velocities in input windows downstream of the grid have similar values, and the distribution of the fluid in the entry windows as well as in the line supply downstream of the grid and upstream in the vicinity thereof is approximately homogeneous.
  • the invention also relates to vaporizers-condensers, in particular air separation units, comprising such an exchanger.
  • Such vaporizers-condensers are used in particular in cryogenic air distillation plants, in which they are associated and connected to a double distillation column comprising a low pressure column superimposed on a medium pressure column, for liquefy nitrogen gas taken from the top of the medium pressure column, by heat exchange with liquid oxygen which is in tank of the low pressure column and which is vaporized in the vaporizer-condenser.
  • nitrogen constitutes the first fluid which is introduced in the gaseous state in the exchanger by the inlet manifold 25 and which is then evacuated therefrom in the liquid state by the exhaust manifold 27, and the oxygen is the second fluid which is introduced in the liquid state into the enclosure 10 by the supply line 11, part of which can be drawn off in the liquid state by an evacuation duct not shown and another part is evacuated in the gaseous state by one or more discharge pipes 12.
  • this line contains one or more 30 flat or curved grids arranged crosswise the path of the fluid in the line, at an optimal location according to the flow lines in this line.
  • this grid or these grids 30 have through holes 301 and solid parts 302 distributed for create pressure drops at locations on the grid surface such as fluid flow velocities in neighboring areas belonging to the same straight cross section of the line fluid supply downstream of the grid have similar values and the distribution of the fluid in the inlet windows 204 of all the blocks 20 supplied by this line is approximately homogeneous.
  • such a grid 30 may include perforations through and solid parts distributed approximately uniformly on its surface so that the presence of the grid introduces a significant uniform pressure drop across the entire section fluid flow.
  • the line pressure drop is as low as possible, and it is generally advantageous that the perforation rate of the surface of the grid 30, defined as being, for a given region of the grid, the ratio from the area occupied by perforations 301 to the total area of the region, varies on it or from one region to another of it in reverse of the value of flow velocities at the same locations on the line when there is no grid.
  • the perforation rate varies from region to region by the surface of the grid in a substantially inversely proportional manner flow velocities at the same locations in the absence of a grid.
  • a swirl region in the box immediately downstream of the the grid can often, advantageously, be arranged in this vortex region.
  • the grid it is sometimes necessary for the grid to be arranged more downstream in the line, or to have several identical grids or no, for example a grid in each box 21 near the entrance to it.
  • the perforations 301 are circular and the rate of perforation rises at the same time as the diameter of the perforations, but these can take any suitable form, in particular in regular polygon, and it is possible to obtain a region with low perforation rate with large perforations if they are few in
  • the grid it is also possible to place the grid either on a straight cross section, but obliquely in the supply line, and make it play the role of deflector for example oriented downstream in direction of the cylindrical surface of the box; if the boxes are, like this is generally the case, semi-cylindrical, and if the grid occupies all the area of an inclined section of a box, the grid has a shape semi-elliptical exterior.
  • the exchanger comprises two supply lines to bring the fluid to the windows 204 of the faces opposite blocks 20

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Abstract

Dans un tel échangeur dans lequel les blocs ont des fenêtres d'entrée de fluide en communication avec l'espace interne d'une boîte d'alimentation qui s'étend contre le bloc et qui communique avec au moins une boîte homologue d'un bloc voisin pour former une ligne d'alimentation en fluide, pour égaliser la répartition du fluide entre les fenêtres des blocs, la ligne d'alimentation contient au moins une grille (30) présentant des perforations (301) et des parties pleines (302) réparties pour créer des pertes de charge telles que les vitesses d'écoulement du fluide dans les fenêtres d'entrée en aval de la grille ont des valeurs voisines. <IMAGE>

Description

L'invention concerne les échangeurs thermiques notamment pour vaporiseurs-condenseurs d'installations cryogéniques, par exemple pour les vaporiseurs-condenseurs principaux des doubles colonnes de distillation d'air, et les vaporiseurs-condenseurs comportant un tel échangeur.
Un vaporiseur-condenseur équipé d'un tel échangeur est représenté sur les figures 1 et 3, sur lesquelles :
  • la figure 1 est une vue extérieure schématique en perspective d'un vaporiseur-condenseur pouvant être équipé intérieurement d'un échangeur agencé selon l'invention,
  • la figure 2 est une vue extérieure schématique en perspective d'un échangeur équipant intérieurement le vaporiseur-condenseur de la figure 1,
  • la figure 3 est une section transversale schématique du vaporiseur-condenseur de la figure 1.
Ce vaporiseur-condenseur 1, destiné à condenser un premier fluide arrivant à l'état gazeux en vaporisant un deuxième fluide arrivant à l'état liquide, comporte ainsi, à l'intérieur d'une enceinte 10 de forme générale cylindrique, un échangeur thermique 2 tel que représenté sur la figure 2.
Le vaporiseur-condenseur illustré par les figures comporte une enceinte unique, mais couramment, les vaporiseurs-condenseurs comportent plusieurs enceintes, par exemple deux enceintes parallèles, équipées chacune d'un échangeur.
Pour amener le deuxième fluide à l'état liquide dans l'enceinte cylindrique 10, la région centrale de l'une des bases 101 de celle-ci est munie d'un conduit d'alimentation 11 ; la région centrale de la base opposée est munie d'un conduit d'évacuation non visible sur les dessins, pour évacuer de l'enceinte la partie de ce deuxième fluide qui n'a pas été vaporisée par suite de l'échange thermique avec le premier fluide. La partie supérieure de la paroi latérale de l'enceinte est munie d'au moins une conduite d'évacuation 12 pour évacuer de l'enceinte la partie du deuxième fluide qui a été vaporisée et se trouve ainsi à l'état gazeux.
A l'intérieur de l'enceinte 10, l'échangeur thermique 2 baigne ainsi dans un bain 13 constitué de la partie du deuxième fluide qui est à l'état liquide, surmonté d'un ciel gazeux 14 constitué de la partie de ce deuxième fluide qui a été vaporisée par suite de l'échange thermique avec le premier fluide, canalisé dans l'échangeur.
L'échangeur 2 représenté sur la figure 2 et visible également sur la figure 3 comporte un corps d'échangeur constitué de plusieurs blocs échangeurs 20 à plaques disposés alignés et accolés, agencés pour condenser le premier fluide en le faisant circuler dans des passages substantiellement verticaux des blocs échangeurs de haut en bas, en vaporisant le deuxième fluide circulant dans des passages adjacents à ceux où circulent le premier fluide, de bas en haut.
A cette fin, chaque bloc échangeur 20 comporte des plaques 200 généralement rectangulaires disposées parallèles en étant entretoisées par des ondes entretoises qui remplissent la fonction d'ailettes thermiques, de manière à former un empilage de forme générale parallélépipédique assemblé par brasage. Les plaques 200 définissent ainsi deux à deux des passages destinés à la circulation en direction verticale, alternativement en allant d'une plaque d'extrémité du bloc à la plaque d'extrémité opposée, du premier fluide et du deuxième fluide.
Les plaques délimitant entre elles un passage rectangulaire 201 pour le premier fluide (figure 3) sont entretoisées en outre par des barrettes courant le long de leurs quatre côtés ; tandis que les barrettes 202 des côtés horizontaux s'étendent sur toute la longueur de ces côtés, les barrettes 203 des côtés verticaux ne s'étendent pas jusqu'aux extrémités de ces côtés et présentent une interruption approximativement centrale de manière à créer des fenêtres 204 aux extrémités supérieures et à mi-hauteur des passages, et des fenêtres 205 aux extrémités inférieures des passages, constituant des accès respectivement d'entrée et de sortie pour le premier fluide.
Les plaques délimitant entre elles un passage pour le deuxième fluide (non représenté en détail sur les dessins) sont entretoisées par des barrettes courant seulement le long de leurs côtés verticaux, sur toute la longueur de ces côtés, de manière à créer tout le long de leurs côtés horizontaux inférieur et supérieur, des fenêtres respectivement d'entrée et de sortie pour le deuxième fluide.
Pour canaliser le deuxième fluide dans les passages qui lui sont destinés dans les blocs 20, les ondes entretoises qui s'étendent dans ces passages sont à génératrices verticales.
Les passages 201 destinés au premier fluide dans les blocs 20 comprennent une région principale d'échange thermique 206, des régions distributrices d'entrée 207 s'étendant au niveau des fenêtres d'entrée 204, et des régions collectrices de sortie 208 au niveau des fenêtres de sortie 205. Les régions distributrices d'entrée 207 et les régions collectrices de sortie 208 sont ici en forme de triangles rectangles ; les triangles rectangles formant deux des quatre régions distributrices d'entrée ont respectivement pour angles droits au sommet les angles droits supérieurs du passage rectangulaire pour le premier fluide, pour petit côté de l'angle droit, les hauteurs des fenêtres d'entrée 204 supérieures, et pour grands côtés de l'angle droit, les demi-largeurs du passage au niveau du sommet de ces fenêtres ; les triangles rectangles des deux autres régions distributrices d'entrée ont respectivement pour petits côtés de l'angle droit les hauteurs des fenêtres d'entrée 204 à mi-hauteur du passage et pour grands côtés de l'angle droit environ les deux tiers des demi-largeurs du passage au niveau du sommet de ces fenêtres ; les triangles rectangles formant les deux régions collectrices de sortie ont respectivement pour angles droits au sommet les angles droits inférieurs du passage rectangulaire pour le premier fluide, pour petits côtés de l'angle droit, les hauteurs des fenêtres de sortie 205, et pour grands côtés de l'angle droit, les demi-largeurs du passage au niveau de la base de ces fenêtres.
Pour canaliser le premier fluide dans les passages 201 qui lui sont destinés dans les blocs 20, les ondes entretoises qui s'étendent dans les régions distributrices d'entrée 207 et les régions collectrices de sortie 208 sont à génératrices horizontales, tandis que les ondes entretoises qui s'étendent dans les régions principales d'échange thermique 206 sont à génératrices verticales.
Ainsi, chaque bloc échangeur 20 comporte quatre séries de fenêtres d'entrée 204 pour le premier fluide s'étendant deux à deux respectivement dans deux faces parallèles verticales du bloc et débouchant dans quatre séries respectives de régions distributrices d'entrée 207, deux séries de fenêtres de sortie 205 pour le premier fluide s'étendant respectivement dans les deux mêmes faces et dans lesquelles débouchent deux séries respectives de régions collectrices de sortie 208, une série de fenêtres d'entrée pour le deuxième fluide s'étendant dans une face horizontale inférieure du bloc, et une série de fenêtres de sortie pour le deuxième fluide s'étendant dans une face horizontale supérieure du bloc.
Tandis que les blocs échangeurs 20 baignent dans le deuxième fluide et les passages de ceux-ci pour lui sont parcourus par ce deuxième fluide de leurs fenêtres d'entrée à leurs fenêtres de sortie depuis le conduit d'alimentation 11, le premier fluide est mis en circulation dans un système de tuyauteries raccordé aux blocs échangeurs comme décrit ci-après.
Généralement, chacune des séries de fenêtres d'entrée a ses fenêtres 204 en communication avec l'espace interne d'une boíte d'alimentation en fluide 21 respective portée par le bloc 20, de forme allongée et qui s'étend contre la face du bloc dans laquelle est créée la série de fenêtres ; de même, chacune des séries de fenêtres de sortie 205 a ses fenêtres en communication avec l'espace interne d'une boíte d'évacuation de fluide 22 respective portée par le bloc 20, de forme allongée et qui s'étend contre la face du bloc dans laquelle est crée la série de fenêtres 205.
Les boítes d'alimentation 21 et les boítes d'évacuation 22 ont une section transversale droite en forme de secteur circulaire ; ici, la section est en demi-cercle, et les boítes comportent ainsi une paroi en demi-cylindre et sont ouvertes le long du plan diamétral du demi-cylindre par lequel les fenêtres débouchent dans l'espace interne de la boíte.
Les deux séries de fenêtres d'entrée situées dans une même face d'un bloc débouchent dans la même boíte d'alimentation 21, respectivement en haut et en bas de celle-ci.
Les boítes d'alimentation 21 homologues des blocs voisins sont en communication l'une avec l'autre pour former une ligne d'alimentation en fluide, et les boítes d'évacuation 22 homologues des blocs voisins sont en communication l'une avec l'autre pour former une ligne d'évacuation de fluide, soit par le fait que les boítes homologues des différents blocs constituant un même corps d'échangeur sont constituées d'un seul tenant (figure 2), soit par le fait que les boítes homologues, qui sont munies de part et d'autre de chaque bloc 20 de piquages cylindriques 211, ont leurs piquages respectifs situés en vis-à-vis raccordés par une conduite de liaison 23 (figure 4).
On peut noter que les boítes d'alimentation du bloc 20 terminal d'un échangeur sont démunies de piquage aval et comportent un fond semi-circulaire, tandis que les boítes d'alimentation d'un seul tenant d'un échangeur sont munies d'un piquage 211 amont pour faciliter leur raccordement (figure 2).
Plus précisément, les piquages amont 211 des deux lignes d'alimentation en premier fluide à l'état gazeux situées de part et d'autre de l'échangeur sont branchés à des conduites d'entrée coudées 24 elles-mêmes branchées de part et d'autre d'un collecteur d'entrée 25 traversant la base 101 de l'enceinte 10, par où est introduit le premier fluide à l'état gazeux.
En revanche, les lignes d'évacuation du premier fluide à l'état gazeux sont fermées à leurs deux extrémités ; en vis-à-vis de chaque bloc 20, la paroi latérale de chaque boíte 22 comporte une ouverture par laquelle l'espace interne de la boíte débouche dans une conduite d'évacuation 26 respective s'étendant dans un plan approximativement vertical et dont une partie s'étend vers le bas au dessous de la boíte en étant coudée de manière à se prolonger sous le bloc 20 transversalement à celui-ci en s'inclinant vers le bas ; les extrémités inférieures de toutes les conduites d'évacuation 26 situées de part et d'autre des blocs 20 débouchent dans un même collecteur 27 d'évacuation du premier fluide à l'état liquide, qui traverse la base 101 de l'enceinte 10. Chaque conduite d'évacuation 26 comporte également une partie s'étendant vers le haut au-dessus du niveau de la boíte 22, et les extrémités supérieures de toutes les conduites d'évacuation 26 débouchent dans l'un ou l'autre de deux conduits d'évacuation 28 de gaz résiduels incondensables ou non condensés s'étendant horizontalement respectivement de part et d'autre de l'échangeur, le long de celui-ci ; ces conduits d'évacuation 28 de gaz résiduel sont situés à un niveau intermédiaire entre celui des boítes d'alimentation 21 et celui des boítes d'évacuation 22 ; ils débouchent, à l'extrémité amont de l'échangeur, dans un collecteur 29 d'évacuation de gaz résiduels, traversant également la base 101 de l'enceinte 10.
Dans un tel vaporiseur-condenseur, le premier fluide, amené à l'état gazeux au collecteur d'entrée 25, se répartit entre les deux conduites d'entrée 24, puis pénètre dans la ligne de boítes d'alimentation 21 se succédant le long de la ligne de blocs 20 ; de là, il pénètre par les fenêtres d'entrée 204 dans les passages 201 qui lui sont destinés entre les plaques. Alors, le deuxième fluide, amené à l'état liquide par le conduit d'alimentation 11 dans l'enceinte 10 et qui forme dans celle-ci un bain 13 où baignent les blocs échangeurs 20 reçoit suffisamment d'énergie pour qu'une partie de ce deuxième fluide se vaporise tandis que le premier fluide, cédant une partie de son énergie, se liquéfie. Le premier fluide, liquéfié, sort des blocs échangeurs 20 par les fenêtres de sortie 205 de la base des blocs, pénètre dans les boítes d'évacuation 22, et descend par les conduites d'évacuation 26 dans le collecteur d'évacuation 27 par lequel il est évacué du vaporiseur-condenseur ; généralement, lorsque le premier fluide arrive à l'état gazeux dans le vaporiseur-condenseur, il n'est pas parfaitement pur et contient une fraction de gaz incondensables à la température de fonctionnement du vaporiseur-condenseur; les gaz résiduels incondensables ou non-condensés sont entraínés dans les boítes d'évacuation 22 avec le premier fluide à l'état liquide, mais s'échappent des boítes 22 par les conduites d'évacuation 26, vers le haut, dans les conduits d'évacuation 28 de gaz résiduel, et sont évacués du vaporiseur-condenseur par le collecteur d'évacuation 29 des gaz non-condensés. Simultanément, la partie du deuxième fluide qui passe à l'état gazeux dans les passages qui leur sont dédiés dans le bloc 20, s'échappe de ces passages par les fenêtres supérieures de ceux-ci, et est évacuée de l'enceinte 10 où elle constitue le ciel 14, par les conduites d'évacuation 12.
Un problème qui se pose dans un tel vaporiseur-condenseur est celui de l'égale répartition du premier fluide à l'état gazeux entre les passages 201 des différents blocs échangeurs.
En effet, l'écoulement du premier fluide dans les boítes d'alimentation 21 est très hétérogène et peut même être localement tourbillonnaire par suite notamment du passage de la section transversale droite circulaire des conduits d'entrée 24 à la section transversale droite semi-circulaire des boítes 21, et si l'on considère une section transversale droite des boítes, les vitesses en différents emplacements très voisins appartenant à cette section peuvent être extrêmement différentes ; il en résulte une répartition inégale du premier fluide entre les différentes fenêtres d'entrée 204 et ainsi entre les différents passages 201 pour le premier fluide, souvent un débit moindre dans les fenêtres les plus proches du piquage. Une conséquence de cette mauvaise répartition est une disparité dans la transformation du premier fluide en gaz dans les différents passages 201, et ainsi un rendement du vaporiseur-condenseur qui n'est pas optimal.
L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient, et concerne à cette fin un échangeur thermique comportant un bloc échangeur ou plusieurs blocs échangeurs alignés où des fluides sont mis en circulation en relation d'échange thermique, au moins une face de chaque bloc comportant des fenêtres d'entrée pour au moins l'un des fluides, les fenêtres d'entrée d'une même face de chaque bloc pour ce fluide étant en communication avec l'espace interne d'une même boíte d'alimentation en fluide qui s'étend contre ladite face de celui-ci, et qui communique avec au moins une boíte homologue d'un bloc voisin si il en existe un, pour former une ligne d'alimentation en fluide, échangeur caractérisé en ce que la ligne d'alimentation en fluide contient au moins une grille disposée en travers de la ligne et présentant des perforations traversantes et des parties pleines réparties pour créer, en des emplacements de la surface de la grille, des pertes de charge telles que les vitesses d'écoulement du fluide dans des fenêtres d'entrée en aval de la grille ont des valeurs voisines, et la répartition du fluide dans les fenêtres d'entrée ainsi que dans la ligne d'alimentation en aval de la grille et en amont au voisinage de celle-ci est approximativement homogène.
Grâce à la grille, dont on peut choisir l'emplacement et la position optimaux suivant les lignes de flux dans la boíte, on peut rétablir une bonne homogénéité de la distribution des vitesses dans les boítes et ainsi une répartition approximativement égale du premier fluide dans les différents passages qui lui sont destinés dans les blocs.
L'échangeur selon l'invention peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • la grille présente des perforations réparties sur sa surface de manière non uniforme ;
  • la grille présente des perforations traversantes avec un taux de perforation de sa surface qui varie sur celle-ci approximativement en sens inverse de la valeur des vitesses d'écoulement aux mêmes emplacements en l'absence de grille ;
  • le taux de perforation varie sur la surface de la grille de manière sensiblement inversement proportionnelle aux vitesses d'écoulement aux mêmes emplacements en l'absence de grille ;
  • la grille comporte plusieurs régions juxtaposées présentant chacune un même taux de perforation sur leur surface, et des taux de perforation respectifs différents d'une région à une région adjacente ;
  • la grille comporte au moins une région constituée par une échancrure ou une découpe ;
  • la grille comporte au moins une région continue sans perforations représentant une fraction substantielle de son aire ;
  • la grille s'étend sur une section transversale de la ligne ;
  • la grille s'étend sur une section transversale droite de la ligne ;
  • la grille est disposée obliquement dans la ligne d'alimentation ;
  • la grille s'étend sur toute l'aire d'une section transversale de la ligne ;
  • la grille s'étend sur une aire inférieure à une section transversale de la ligne ;
  • l'échangeur thermique comprend une ligne d'alimentation comportant un piquage présentant une section transversale droite circulaire et relié à des boítes d'alimentation présentant une section transversale droite semi-circulaire, et la grille est disposée dans une boíte d'alimentation à proximité du piquage.
  • la ligne d'alimentation contient plusieurs grilles ;
  • l'échangeur thermique comprend deux lignes d'alimentation, et chaque ligne contient au moins une grille ; et
  • ledit fluide circulant dans la ligne d'alimentation en fluide est à l'état gazeux.
L'invention concerne également les vaporiseurs-condenseurs, notamment des unités de séparation d'air, comportant un tel échangeur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, d'une forme de réalisation de l'invention donnée à titre d'exemple non limitatif, illustrée par les figures 4 et 5 jointes dans lesquelles :
  • la figure 4 est une vue extérieure schématique en perspective d'une partie d'une autre forme de réalisation possible d'un échangeur pour équiper intérieurement le vaporiseur-condenseur de la figure 1, et
  • la figure 5 est une vue de face d'un exemple de réalisation d'une grille d'uniformisation adaptée pour équiper, suivant l'invention, une ligne d'alimentation en fluide d'un échangeur tel que celui des figures 2 et 4.
Le vaporiseur-condenseur et l'échangeur selon l'invention étant conformes à la description qui a été faite plus haut à part le fait que ceux décrits plus haut sont démunis de grille d'homogénéisation, ils ne seront pas à nouveau décrits en détail.
De tels vaporiseurs-condenseurs équipent notamment les installations cryogéniques de distillation d'air, dans lesquels ils sont associés et reliés à une double colonne de distillation comportant une colonne basse pression superposée à une colonne moyenne pression, pour liquéfier de l'azote gazeux prélevé en tête de la colonne moyenne pression, par échange de chaleur avec de l'oxygène liquide qui se trouve en cuve de la colonne basse pression et que l'on vaporise dans le vaporiseur-condenseur.
Si l'on se réfère à la description du vaporiseur-condenseur qui précède, l'azote constitue le premier fluide qui est introduit à l'état gazeux dans l'échangeur par le collecteur d'entrée 25 et qui en est ensuite évacué à l'état liquide par le collecteur d'évacuation 27, et l'oxygène est le deuxième fluide qui est introduit à l'état liquide dans l'enceinte 10 par le conduit d'alimentation 11, dont une partie peut être soutirée à l'état liquide par un conduit d'évacuation non représenté et une autre partie est évacuée à l'état gazeux par une ou plusieurs conduites d'évacuation 12.
A l'azote gazeux introduit dans l'échangeur, sont pratiquement inévitablement mélangés des gaz rares de l'air, non condensables à la température de fonctionnement du vaporiseur-condenseur ; ces gaz sont évacués à l'état gazeux par le collecteur d'évacuation 29 des gaz non condensés.
Pour homogénéiser l'écoulement dans la ligne d'alimentation en premier fluide, ici en azote gazeux, comportant la succession des boítes d'alimentation 21, suffisamment pour que les vitesses d'écoulement dans les fenêtres d'entrée en aval de la grille aient des valeurs voisines, et ainsi pour égaliser la répartition du fluide entre les fenêtres d'entrée, cette ligne contient une ou plusieurs grilles 30 planes ou courbes disposées en travers du trajet du fluide dans la ligne, à un emplacement optimal en fonction des lignes de flux dans cette ligne.
De manière générale, cette grille ou ces grilles 30 présentent des perforations traversantes 301 et des parties pleines 302 réparties pour créer, en des emplacements de la surface de la grille, des pertes de charge telles que les vitesses d'écoulement du fluide dans des zones voisines appartenant à une même section transversale droite de la ligne d'alimentation en fluide en aval de la grille ont des valeurs voisines et la distribution du fluide dans les fenêtres d'entrée 204 de tous les blocs 20 alimentés par cette ligne est approximativement homogène.
Par exemple, une telle grille 30 peut comporter des perforations traversantes et des parties pleines réparties approximativement uniformément à sa surface de telle manière que la présence de la grille introduise une perte de charge uniforme importante sur toute la section d'écoulement du fluide.
Cependant, il est généralement souhaitable pour obtenir un bon rendement, que la perte de charge en ligne soit la plus faible possible, et il est généralement avantageux que le taux de perforation de la surface de la grille 30, défini comme étant, pour une région donnée de la grille, le rapport de l'aire occupée par les perforations 301 à l'aire totale de la région, varie sur celle-ci ou d'une région à une autre de celle-ci en sens inverse de la valeur des vitesses d'écoulement aux mêmes emplacements de la ligne d'alimentation en l'absence de grille.
Par exemple, le taux de perforation varie d'une région à une autre de la surface de la grille de manière sensiblement inversement proportionnelle aux vitesses d'écoulement aux mêmes emplacements en l'absence de grille.
Généralement, une grille 30 unique disposée dans une région amont semi-cylindrique de la ligne d'alimentation, au voisinage du piquage cylindrique 211 (figures 2 et 4) dont la transition avec la région semi-cylindrique est pour une large part dans l'inhomogénéité constatée, suffit à rétablir l'homogénéité souhaitée. Dans les cas où il existe en l'absence de grille une région tourbillonnaire dans la boíte immédiatement en aval du piquage, la grille peut souvent, avantageusement, être disposée dans cette région tourbillonnaire.
Néanmoins, il est parfois nécessaire que la grille soit disposée plus en aval dans la ligne, ou encore de disposer plusieurs grilles identiques ou non, par exemple une grille dans chaque boíte 21 à proximité de l'entrée de celle-ci.
La grille 30 représentées sur la figure 5, de forme générale semi-circulaire puisqu'elle est destinée à être disposée dans la partie semi-cylindrique de la ligne perpendiculairement à l'axe longitudinal de celle-ci, comporte à titre d'exemple quatre régions présentant des taux de perforations différents, à savoir une région à taux de perforation unité 30A (découpe) à proximité de la partie supérieure de la face des blocs 20 à laquelle est accolée la boíte, une région à taux de perforation relativement élevé 30B également à proximité de cette face à la partie inférieure de la grille, une région à taux de perforation faible 30C à côté de la région à taux de perforation élevé, c'est-à-dire à l'opposé de ladite face du bloc, et une région à taux de perforation intermédiaire 30D au-dessus de la région à taux de perforation faible ; ici, les perforations 301 sont circulaires et le taux de perforation s'élève en même temps que le diamètre des perforations, mais ces dernières peuvent présenter n'importe quelle forme appropriée, notamment en polygone régulier, et il est possible d'obtenir une région à taux de perforation faible avec des perforations de grandes dimensions si elles sont en faible nombre, et inversement ; comme on l'a vu, il est possible d'obtenir une région à taux de perforation maximal (c'est-à-dire égal à 1), en créant dans la grille une échancrure ou une découpe ayant pour aire celle de cette région, ou en disposant dans la ligne d'alimentation une grille de plus faible aire que la section de la ligne ; il est aussi possible de prévoir des régions à taux de perforation nul, c'est-à-dire des régions continues sans perforations, représentant des fractions substantielles de l'aire de la grille.
Il est également possible de disposer la grille non plus sur une section transversale droite, mais obliquement dans la ligne d'alimentation, et de lui faire jouer le rôle de déflecteur par exemple orienté vers l'aval en direction de la surface cylindrique de la boíte ; si les boítes sont, comme cela est le cas généralement, semi-cylindriques, et si la grille occupe toute l'aire d'une section inclinée d'une boíte, la grille présente une forme extérieure semi-elliptique.
Dans le cas, représenté sur les figures, où l'échangeur comporte deux lignes d'alimentation pour amener le fluide aux fenêtres 204 des faces opposées des blocs 20, il peut être souhaitable que les grilles 30 ne soient pas disposées symétriquement dans les deux lignes, notamment si la répartition des flux dans les lignes n'est pas symétrique.

Claims (18)

  1. Echangeur thermique (2) comportant un bloc échangeur ou plusieurs blocs échangeurs (20) alignés où des fluides sont mis en circulation en relation d'échange thermique, au moins une face de chaque bloc comportant des fenêtres d'entrée (204) pour au moins l'un des fluides, les fenêtres d'entrée d'une même face de chaque bloc pour ce fluide étant en communication avec l'espace interne d'une même boíte (21) d'alimentation en fluide qui s'étend contre ladite face de celui-ci, et qui communique avec au moins une boíte homologue d'un bloc voisin si il en existe un, pour former une ligne d'alimentation en fluide, échangeur caractérisé en ce que la ligne d'alimentation en fluide contient au moins une grille (30) disposée en travers de la ligne et présentant des perforations traversantes (301) et des parties pleines (302) réparties pour créer, en des emplacements de la surface de la grille, des pertes de charge telles que les vitesses d'écoulement du fluide dans des fenêtres d'entrée en aval de la grille (30) ont des valeurs voisines, et la répartition du fluide dans les fenêtres d'entrée (204) ainsi que dans la ligne d'alimentation en aval de la grille (30) et en amont au voisinage de celle-ci est approximativement homogène.
  2. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille (30) présente des perforations réparties sur sa surface de manière non uniforme.
  3. Echangeur thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la grille (30) présente des perforations traversantes (301) avec un taux de perforation de sa surface qui varie sur celle-ci approximativement en sens inverse de la valeur des vitesses d'écoulement aux mêmes emplacements en l'absence de grille.
  4. Echangeur thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le taux de perforation varie sur la surface de la grille (30) de manière sensiblement inversement proportionnelle aux vitesses d'écoulement aux mêmes emplacements en l'absence de grille.
  5. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la grille (30) comporte plusieurs régions juxtaposées présentant chacune un même taux de perforation sur leur surface, et des taux de perforation respectifs différents d'une région à une région adjacente.
  6. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la grille (30) comporte au moins une région constituée par une échancrure ou une découpe.
  7. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la grille (30) comporte au moins une région continue sans perforations représentant une fraction substantielle de son aire.
  8. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la grille (30) s'étend sur une section transversale de la ligne.
  9. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la grille (30) s'étend sur une section transversale droite de la ligne.
  10. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la grille (30) est disposée obliquement dans la ligne d'alimentation.
  11. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la grille (30) s'étend sur toute l'aire d'une section transversale de la ligne.
  12. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la grille (30) s'étend sur une aire inférieure à une section transversale de la ligne.
  13. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 comprenant une ligne d'alimentation comportant un piquage (211) présentant une section transversale droite circulaire et relié à des boítes d'alimentation (21) présentant une section transversale droite semi-circulaire, caractérisé en ce que la grille (30) est disposée dans une boíte d'alimentation à proximité du piquage.
  14. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la ligne d'alimentation contient plusieurs grilles (30).
  15. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 comprenant deux lignes d'alimentation, caractérisé en ce que chaque ligne contient au moins une grille (30).
  16. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que ledit fluide circulant dans la ligne d'alimentation en fluide est à l'état gazeux.
  17. Vaporiseur-condenseur caractérisé en ce qu'il comporte au moins un échangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 16.
  18. Vaporiseur-condenseur d'unité de séparateur d'air, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un échangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 16.
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