EP1593925B1 - Échangeur thermique à plaques - Google Patents

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EP1593925B1
EP1593925B1 EP05290951A EP05290951A EP1593925B1 EP 1593925 B1 EP1593925 B1 EP 1593925B1 EP 05290951 A EP05290951 A EP 05290951A EP 05290951 A EP05290951 A EP 05290951A EP 1593925 B1 EP1593925 B1 EP 1593925B1
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EP
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circuit
inlet
bundle
wall
fluid
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EP05290951A
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Pierre Xavier Bussonnet
Sylvain Benezech
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Alfa Laval Packinox SAS
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Packinox SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0006—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the plate-like or laminated conduits being enclosed within a pressure vessel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/005—Other auxiliary members within casings, e.g. internal filling means or sealing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
    • F28F2009/222—Particular guide plates, baffles or deflectors, e.g. having particular orientation relative to an elongated casing or conduit
    • F28F2009/224—Longitudinal partitions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/102—Particular pattern of flow of the heat exchange media with change of flow direction

Definitions

  • the present invention relates to a plate heat exchanger.
  • the plate heat exchangers are generally formed by an elongate sealed enclosure and a plate bundle disposed in said sealed enclosure and forming therewith a free space.
  • the plate bundle is composed of a stack of plates parallel to each other and forming between them a dual circulation circuit of two independent fluids and generally against the current.
  • This type of heat exchanger also comprises an inlet pipe of a hot fluid connected by a connection box also called collector, directly to the input of the first circuit of the plate bundle, which circulates in one of the circuits. this beam, and an outlet pipe of the cooled fluid after passing through said plate bundle and which is connected by a junction box directly to the output of this first circuit.
  • the heat exchangers of this kind also comprise an inlet pipe for a cold fluid circulating in the other of the plate bundle circuits and which is connected directly by a connection box to the inlet of the second circuit of this plate bundle and an outlet pipe of this heated fluid after passing through said bundle of plates.
  • This outlet pipe of the heated fluid is also connected directly by a junction box to the output of the second circuit of the plate bundle.
  • the heat exchange between the hot and cold fluids along the plate bundle subjects the wall of the enclosure to temperature variations along its length. Indeed, at the inlet of the hot fluid, the wall of the chamber is subjected to a high temperature, while the temperature gradually decreases along the wall as a function of the cooling of the hot fluid in the plate bundle.
  • the enclosure is generally formed of several ferrules placed end to end and assembled together in particular by welding. Given the variations in temperature, each shell has up to now a different thickness and determined according to the temperature to which it is subjected, see for example the document WO 94/21979 .
  • the object of the invention is to propose a plate heat exchanger which avoids these drawbacks and which makes it possible to have an enclosure of constant thickness over its entire length.
  • a plate heat exchanger generally designated by the reference 1 and which comprises, on the one hand, a sealed enclosure 2 of elongate shape and arranged for example vertically and, on the other hand, a bundle of plates 3 placed in said chamber 2 and forming with it, around said beam, a free space 4.
  • the plate bundle 3 of parallelepipedal general shape consists of a stack of plates, not shown, parallel to each other and between them a dual circuit A and B circulation of two independent fluids and for example against the current.
  • the heat exchanger 1 also comprises an inlet pipe 10 for a hot fluid directly connected by a connection box 11 also called a collector at the inlet A1 of the first circuit A of the plate bundle 3 and an outlet pipe 12 of the cooled fluid after its passage in the plate bundle 3 and which is connected directly by a junction box 13 to the output A2 of said first circuit A.
  • a connection box 11 also called a collector at the inlet A1 of the first circuit A of the plate bundle 3
  • an outlet pipe 12 of the cooled fluid after its passage in the plate bundle 3 and which is connected directly by a junction box 13 to the output A2 of said first circuit A.
  • the heat exchanger 1 also comprises an inlet pipe 20 for a cold fluid which communicates with the inlet B1 of the second circuit of the plate bundle via the free space 4 formed between the bundle of plates 3 and the enclosure 2.
  • the input B1 of the second circuit B is situated opposite the input A1 of the first circuit A of the plate bundle 3.
  • the heat exchanger 1 also comprises a tube 21 for outputting the heated fluid after passing through the second circuit B of the plate bundle 3 and which is connected to the output B2 of this second circuit B via a connection box 22.
  • the cold fluid flows from bottom to top of the plate bundle 3.
  • inlet pipes 10 of the hot fluid, inlet 20 of the cold fluid and outlet 21 of the heated fluid are disposed at the same end of the enclosure 2 and, in the embodiment shown in this figure, at the upper end of this enclosure 2.
  • the plate heat exchanger 1 comprises means 25 for channeling the cold fluid along the inner wall of the chamber 2 between the inlet pipe 20 of this cold fluid and the inlet B1 of the second circuit B of the beam. plates 3.
  • these means for channeling the cold fluid comprise an inner envelope 25 which comprises a first wall 26 disposed above the input A1 of the circuit A and the output B2 of the circuit B and a second wall 27 disposed in the free space 4 between the chamber 2 and the plate bundle 3 and forming with the inner wall of the chamber 2, an annular passage 5 for the cold fluid.
  • the first wall 26 is flat.
  • This wall 26 may have other shapes, such as a hemispherical or conical shape to promote the circulation of cold fluid in the annular passage 5.
  • the cold fluid circulates in the annular passage 5 along the inner wall of the chamber 2 and thus cools this enclosure 2.
  • the wall 27 of the inner casing 25 extends over a part of the length of the plate bundle 3 so as to direct the cold fluid circulating in the annular passage 5 to the inlet B1 of the second circuit B of the plate bundle 3, as represented by the arrows F on the Fig. 1 .
  • Maintaining the inner casing 25 is ensured for example by welding the wall 26 on the inlet pipe 10 and on the outlet pipe 21.

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Description

  • La présente invention concerne un échangeur thermique à plaques.
  • Les échangeurs thermiques à plaques sont généralement formés par une enceinte étanche de forme allongée et par un faisceau de plaques disposé dans ladite enceinte étanche et ménageant avec celle-ci un espace libre. Le faisceau de plaques est composé d'un empilement de plaques parallèles les unes aux autres et ménageant entre elles un double circuit de circulation de deux fluides indépendants et généralement à contre-courant.
  • Ce type d'échangeurs thermiques comprend également une tubulure d'entrée d'un fluide chaud reliée par une boîte de raccordement également appelée collecteur, directement à l'entrée du premier circuit du faisceau de plaques, qui circule dans l'un des circuits de ce faisceau, et une tubulure de sortie du fluide refroidi après son passage dans ledit faisceau de plaques et qui est reliée par une boîte de raccordement directement à la sortie de ce premier circuit.
  • Pour refroidir ce fluide chaud, les échangeurs thermiques de ce genre comprennent également une tubulure d'entrée d'un fluide froid circulant dans l'autre des circuits du faisceau de plaques et qui est reliée directement par une boîte de raccordement à l'entrée du second circuit de ce faisceau de plaques et une tubulure de sortie de ce fluide réchauffé après son passage dans ledit faisceau de plaques. Cette tubulure de sortie du fluide réchauffé est aussi reliée directement par une boîte de raccordement à la sortie du second circuit du faisceau de plaques.
  • Ainsi, la circulation des deux fluides dans le faisceau de plaques provoque un échange thermique entre ces fluides.
  • L'échange thermique entre les fluides chaud et froid le long du faisceau de plaques soumet la paroi de l'enceinte à des variations de températures sur sa longueur. En effet, au niveau de l'entrée du fluide chaud, la paroi de l'enceinte est soumise à une température élevée, alors que la température diminue progressivement le long de cette paroi en fonction du refroidissement du fluide chaud dans le faisceau de plaques.
  • L'enceinte est généralement formée de plusieurs viroles placées bout à bout et assemblées entre elles notamment par soudage. Compte tenu des variations de températures, chaque virole a jusqu'à présent une épaisseur différente et déterminée en fonction de la température à laquelle elle est soumise, voir par exemple le document WO 94/21979 .
  • Ces différences d'épaisseur obligent donc les constructeurs à prévoir différentes viroles pour un même échangeur ce qui augmente bien évidemment le coût et compliquent l'assemblage de ces viroles entre elles.
  • L'invention a pour but de proposer un échangeur thermique à plaques qui évite ces inconvénients et qui permet d'avoir une enceinte d'épaisseur constante sur toute sa longueur.
  • L'invention a donc pour objet un échangeur thermique à plaques, du type comprenant :
    • une enceinte étanche de forme allongée,
    • un faisceau de plaques disposé dans ladite enceinte étanche et ménageant avec celle-ci un espace libre, ledit faisceau étant composé d'un empilement de plaques parallèles les unes aux autres et déterminant entre elles un double circuit de circulation à contre-courant de deux fluides indépendants,
    • une tubulure d'entrée d'un fluide chaud, reliée directement à l'entrée du premier circuit du faisceau,
    • une tubulure de sortie du fluide refroidi, reliée directement à la sortie dudit premier circuit,
    • une tubulure d'entrée d'un fluide froid communiquant avec l'entrée du second circuit du faisceau, opposée à l'entrée du premier circuit, et
    • une tubulure de sortie du fluide réchauffé, reliée directement avec la sortie dudit second circuit, opposée à la sortie du premier circuit,
    caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de canalisation du fluide froid le long de la paroi interne de l'enceinte entre la tubulure d'entrée de ce fluide froid et l'entrée du second circuit du faisceau, comprenant une enveloppe interne comportant une première paroi disposée au-dessus de l'entrée du premier circuit et de la sortie du second circuit et une seconde paroi disposée dans l'espace libre et ménageant avec la paroi interne de l'enceinte un passage annulaire pour ledit fluide froid.
  • Selon d'autres caractéristiques de l'invention:
    • la seconde paroi de l'enveloppe interne s'étend sur une partie de la longueur du faisceau de plaques,
    • la première paroi de l'enveloppe interne est plane ou hémisphérique ou conique, et
    • les tubulures respectivement d'entrée du fluide chaud, d'entrée du fluide froid et de sortie du fluide réchauffé sont disposées au niveau de la même extrémité de l'enceinte.
  • Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
    • la Fig. 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un échangeur thermique à plaques conforme à l'invention, et
    • la Fig. 2 est une vue en coupe selon la ligne 2-2 de la Fig. 1.
  • Sur la Fig. 1, on a représenté un échangeur thermique à plaques désigné dans son ensemble par la référence 1 et qui comprend, d'une part, une enceinte étanche 2 de forme allongée et disposée par exemple verticalement et, d'autre part, un faisceau de plaques 3 placé dans ladite enceinte 2 et ménageant avec celle-ci, autour dudit faisceau, un espace libre 4.
  • Le faisceau de plaques 3 de forme générale parallélépipédique est constitué d'un empilement de plaques, non représentées, parallèles les unes aux autres et ménageant entre elles un double circuit A et B de circulation de deux fluides indépendants et par exemple à contre-courant.
  • L'échangeur thermique 1 comprend également une tubulure 10 d'entrée d'un fluide chaud reliée directement par une boîte de raccordement 11 également appelée collecteur à l'entrée A1 du premier circuit A du faisceau de plaques 3 et une tubulure 12 de sortie du fluide refroidi après son passage dans le faisceau de plaques 3 et qui est reliée directement par une boîte de raccordement 13 à la sortie A2 dudit premier circuit A. Ainsi, dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures, le fluide chaud circule dans le faisceau de plaques 3 de haut en bas.
  • L'échangeur thermique 1 comprend aussi une tubulure 20 d'entrée d'un fluide froid qui communique avec l'entrée B1 du second circuit du faisceau de plaques par l'intermédiaire de l'espace libre 4 ménagé entre le faisceau de plaques 3 et l'enceinte 2.
  • L'entrée B1 du second circuit B est située à l'opposé de l'entrée A1 du premier circuit A du faisceau de plaques 3.
  • Enfin, l'échangeur thermique 1 comprend aussi une tubulure 21 de sortie du fluide réchauffé après son passage dans le second circuit B du faisceau de plaques 3 et qui est reliée à la sortie B2 de ce second circuit B par une boîte de raccordement 22. Le fluide froid circule donc de bas en haut du faisceau de plaques 3.
  • Ainsi que montré à la Fig. 1, les tubulures respectivement d'entrée 10 du fluide chaud, d'entrée 20 du fluide froid et de sortie 21 du fluide réchauffé sont disposées au niveau de la même extrémité de l'enceinte 2 et, dans l'exemple de réalisation représenté sur cette figure, à l'extrémité supérieure de cette enceinte 2.
  • L'échangeur thermique à plaques 1 comporte des moyens 25 de canalisation du fluide froid le long de la paroi interne de l'enceinte 2 entre la tubulure d'entrée 20 de ce fluide froid et l'entrée B1 du second circuit B du faisceau de plaques 3.
  • Ainsi que montré à la Fig. 1, ces moyens de canalisation du fluide froid comprennent une enveloppe interne 25 qui comprend une première paroi 26 disposée au-dessus de l'entrée A1 du circuit A et de la sortie B2 du circuit B et une seconde paroi 27 disposée dans l'espace libre 4 entre l'enceinte 2 et le faisceau de plaques 3 et ménageant avec la paroi interne de cette enceinte 2, un passage annulaire 5 pour le fluide froid.
  • Dans l'exemple de réalisation représenté à la Fig. 1, la première paroi 26 est plane. Cette paroi 26 peut avoir d'autres formes, comme par exemple une forme hémisphérique ou conique afin de favoriser la circulation du fluide froid dans le passage annulaire 5.
  • Du fait du positionnement de l'enveloppe interne 25 entre la tubulure d'entrée 20 du fluide froid et l'entrée B1 du second circuit B du faisceau de plaques 3, le fluide froid circule dans le passage annulaire 5 le long de la paroi interne de l'enceinte 2 et refroidit donc cette enceinte 2. La paroi 27 de l'enveloppe interne 25 s'étend sur une partie de la longueur du faisceau de plaques 3 de façon à diriger le fluide froid circulant dans le passage annulaire 5 vers l'entrée B1 du second circuit B du faisceau de plaques 3, comme représenté par les flèches F sur la Fig. 1.
  • Le maintien de l'enveloppe interne 25 est assuré par exemple par le soudage de la paroi 26 sur la tubulure d'entrée 10 et sur la tubulure de sortie 21.
  • La circulation du fluide froid le long de la paroi interne de l'enceinte 2 permet de refroidir cette enceinte 2 ce qui présente l'avantage de pouvoir réaliser cette enceinte 2 avec des viroles, non représentées, placées bout à bout et présentant chacune la même épaisseur facilitant, de ce fait, l'assemblage de ces viroles entre elles et diminuant le coût de fabrication et de réalisation de cette enceinte.

Claims (4)

  1. Echangeur thermique à plaques, du type comprenant :
    - une enceinte étanche (2) de forme allongée,
    - un faisceau de plaques (3) disposé dans ladite enceinte étanche (2) et ménageant avec celle-ci un espace libre (4), ledit faisceau (3) étant composé d'un empilement de plaques parallèles les unes aux autres et déterminant entre elles un double circuit de circulation à contre-courant de deux fluides indépendants,
    - une tubulure (10) d'entrée d'un fluide chaud, reliée directement à l'entrée du premier circuit du faisceau de plaques (3),
    - une tubulure (12) de sortie du fluide refroidi, reliée directement à la sortie dudit premier circuit,
    - une tubulure (20) d'entrée d'un fluide froid communiquant avec l'entrée du second circuit du faisceau (3) opposée à l'entrée du premier circuit,
    - une tubulure (21) de sortie du fluide réchauffé, reliée directement à la sortie du second circuit du faisceau (3) opposée à la sortie du premier circuit de ce faisceau de plaques (3),
    caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (25) de canalisation du fluide froid le long de la paroi interne de l'enceinte (2) entre la tubulure d'entrée (20) du fluide froid et l'entrée du second circuit du faisceau de plaques (3) comprenant une enveloppe interne (26, 27) comprenant une première paroi (26) disposée au-dessus de l'entrée du premier circuit et de la sortie de second circuit et une seconde paroi (27) disposée dans l'espace libre (4) et ménageant avec la paroi interne de l'enceinte (2) un passage annulaire (5) pour ledit fluide froid.
  2. Echangeur thermique à plaques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde paroi (27) de l'enveloppe interne (26, 27) s'étend sur une partie de la longueur du faisceau de plaques (3).
  3. Echangeur thermique à plaques selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première paroi (26) de l'enveloppe interne (26, 27) est plane ou hémisphérique ou conique.
  4. Echangeur thermique à plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les tubulures respectivement d'entrée (10) du fluide chaud, d'entrée (20) du fluide froid et de sortie (21) du fluide réchauffé sont disposées au niveau de la même extrémité de l'enceinte (2).
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