EP3615877A1 - Echangeur de chaleur à jonction d'ondes améliorée, installation de séparation d'air associée et procédé de fabrication d'un tel échangeur - Google Patents

Echangeur de chaleur à jonction d'ondes améliorée, installation de séparation d'air associée et procédé de fabrication d'un tel échangeur

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EP3615877A1
EP3615877A1 EP18720326.0A EP18720326A EP3615877A1 EP 3615877 A1 EP3615877 A1 EP 3615877A1 EP 18720326 A EP18720326 A EP 18720326A EP 3615877 A1 EP3615877 A1 EP 3615877A1
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EP
European Patent Office
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wave
waves
exchanger according
channel
connecting member
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Application number
EP18720326.0A
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EP3615877B1 (fr
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Guillaume CARDON
Frédéric Crayssac
Philippe Grigoletto
Natacha Haik-Beraud
Frédéric Rousseau
Marc Wagner
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D9/0062—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 conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J5/00—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants
    • F25J5/002—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger
    • F25J5/005—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger in a reboiler-condenser, e.g. within a column
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    • F28D9/0068—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 conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements with means for changing flow direction of one heat exchange medium, e.g. using deflecting zones
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    • 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
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/04—Down-flowing type boiler-condenser, i.e. with evaporation of a falling liquid film
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0033—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cryogenic applications

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger of the brazed plate and fin type for the vaporization of a refrigerant liquid by heat exchange with a heat transfer fluid, and to a method of assembling such a heat exchanger.
  • the heat exchanger can in particular be a vaporizer used in an air separation column by cryogenic distillation to ensure the vaporization of a column bottom liquid, for example liquid oxygen, by heat exchange with a caloric gas, for example air or nitrogen.
  • a vaporizer used in an air separation column by cryogenic distillation to ensure the vaporization of a column bottom liquid, for example liquid oxygen, by heat exchange with a caloric gas, for example air or nitrogen.
  • the present invention finds particular application in the field of gas separation by cryogenics, in particular the separation of air by cryogenics (known by the acronym "ASU" for air separation unit) exploited for the production of oxygen gas under pressure.
  • ASU air separation unit
  • the present invention can be applied to a heat exchanger which vaporizes a liquid flow, for example oxygen, nitrogen and / or argon by heat exchange with a gas.
  • the heat exchanger is in the tank of a distillation column, it can constitute a vaporizer operating as a thermosiphon for which the exchanger is immersed in a bath of liquid descending the column or a vaporizer operating in vaporization with a film fed directly by the liquid falling from the column and / or by a recirculation pump.
  • phase-change exchangers consist of aluminum exchangers with brazed plates and fins, which make it possible to obtain very compact members with a large exchange surface.
  • These exchangers consist of plates between which are inserted waves or fins, thus forming a stack of "passages” of vaporization and "passages” of condensation.
  • waves such as straight waves, perforated or “serrated” waves.
  • the liquid oxygen that is vaporized contains impurities in dissolved form.
  • the main impurities are nitrous oxide (N2O), carbon dioxide (CO2), hydrocarbons (C2, C3, ).
  • these impurities can be deposited in the vaporization passages (either in solid form or in liquid form). It is important to control industrially the formation of these solid or liquid deposits to avoid any risk of explosion.
  • the so-called secondary distribution (distribution of the liquid between channels) typically uses a horizontal generator waveband, possibly partially offset.
  • these waves are juxtaposed with a zero or almost zero clearance.
  • the step of fixing the waves by soldering adjacent plates can cause the appearance of a game at the junction between two waves.
  • a slight displacement of one wave relative to the other can occur during the melting of the solder metal.
  • Games between adjacent waves are preferential passages for the liquid, generating a liquid supercharging of the channels located just below the game but most importantly, a liquid underfeed channels at the periphery of the latter.
  • Document FR-A-2938904 discloses solutions for maintaining the waves of an exchanger between them.
  • these solutions are not entirely satisfactory, in particular because they do not allow a fairly solid connection of the waves between them.
  • these solutions can be problematic because of the complexity and cost of the holding parts used and their difficult implementation within the exchanger, incompatible with an industrial manufacturing process.
  • the present invention is intended in particular to solve all or part of the problems mentioned above, by providing a heat exchanger in which the distribution of the refrigerant is as uniform as possible.
  • the subject of the invention is a heat exchanger for vaporizing a refrigerant by heat exchange with a heat transfer fluid, said exchanger comprising:
  • first wave and second wave extending between two successive plates so as to define, within a same passage, a plurality of channels, said first and second waves comprising two adjacent edges
  • At least one connecting member extending on either side of the edges so as to bind said waves to one another, characterized in that the assembly member is forcibly engaged in at least a portion of a channel of the first wave on the one hand, and in at least a portion of a channel of the second wave on the other hand .
  • the exchanger according to the invention may comprise one or more of the following characteristics:
  • the channels and the assembly member extend generally parallel to a first direction z.
  • the assembly member has, in at least a second direction x orthogonal to the first direction z and before engagement, an outer dimension greater than or equal to, preferably greater than, the inner dimensions of the channels along said second direction x.
  • the ratio between the inner dimension of the channel of the first wave (1) and said external dimension of the connecting member and the ratio between the inner dimension of the channel of the second wave and said external dimension of the second member; assembly are between 100 and 70%, preferably between 95 and 85%.
  • the ratio between the cross section of the connecting member and the cross section of the channel of the first wave and / or the ratio between the cross section of the connecting member and the cross section of the channel of the second wave said sections being measured in a plane perpendicular to the first direction z, is less than or equal to 50%, preferably between 15 and 35%.
  • the second direction x extends parallel to the adjacent edges.
  • the connecting member is cylindrical in shape and has a given outside diameter, the ratios between the widths of the channels, measured along the second direction x, and said outside diameter being between 100 and 70%, preferably between 95 and and 85%.
  • the outer diameter of the connecting member is between 0.5 and 2 mm, preferably between 1 and 1, 3 mm.
  • the assembly member comprises a first portion forcibly engaged in at least a portion of a channel and a second portion forcibly engaged in at least a portion of a channel of the second wave, said first and second portion having lengths, measured parallel to the first direction z, greater than or equal to 5 mm, preferably 30 to 50 mm, more preferably approximately 40 mm.
  • the assembly member comprises a perforated or grooved peripheral wall.
  • the first and second waves are formed of a first material and the connecting member is formed of a second material, the second material having a melting temperature greater than or equal to the melting temperature of the first material.
  • the plates extend parallel to a flow direction x, the channels and the assembly member extend generally in a first direction orthogonal to the direction of flow y.
  • the first and second waves each comprise a succession of wave legs connected by wave tops, the assembly member being forcibly engaged between at least portions of two successive wave legs of the first wave of waves; on the one hand, and between at least portions of two successive wave legs of the second wave on the other hand.
  • each channel is defined between a plate, two successive wave legs of the first or second wave and a wave-top connecting said two wave-legs.
  • the first and second waves are chosen from straight waves, perforated straight waves, partial shift waves, wave waves or herringbone waves.
  • the invention relates to a distillation air separation plant, characterized in that it comprises at least one heat exchanger according to one of the preceding claims and in that the installation comprises means for feed for distributing liquid oxygen in the passages of the exchanger as a refrigerant and nitrogen gas as a circulating fluid.
  • the invention also relates to a method of assembling a heat exchanger according to the invention, characterized in that it comprises the following steps:
  • FIG. 1 is a partial three-dimensional view of an exchanger according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a diagrammatic sectional view of the exchanger of FIG. 1,
  • FIG. 3 schematizes a wave of an exchanger according to one embodiment of the invention
  • FIGS. 4A and 4B are diagrammatic views, respectively of two section planes perpendicular to one another, of two waves of an exchanger according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a three-dimensional view of one of the waves of Figures 4A and 4B.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment of a heat exchanger 2 for use in a double column type air distillation plant.
  • heat exchange operates between liquid oxygen as a refrigerant and nitrogen gas as a heat sink fluid.
  • the exchanger 2 comprises a sealed envelope 40 containing a set of rectangular plates 4, generally formed of aluminum, which extend generally parallel to each other.
  • the plates 4 thus define a plurality of passages for the flow of oxygen (passages 17) or the flow of nitrogen (passages 18).
  • the passages 17, 18 each contain heat exchange waves 19 formed in this example perforated corrugated aluminum sheets.
  • These exchange waves 19 are preferably of the vertical generator type, or so-called "easyway" provision.
  • the exchange waves 19 present, in operation, a global direction of waviness (in the z direction in Figure 1) perpendicular to the flow direction (in the x direction in Figure 1) of the fluids in the passages considered.
  • the exchange waves 19 are extended respectively by distribution wavebands 24 and conventional waves 20. Above the waves 20, the passages 17 and 18 are respectively closed. by horizontal bars 28 and 21.
  • the space above the plates 4 encloses a bath of liquid oxygen 5.
  • the liquid oxygen of the bath 5 flows through orifices 29 pierced along the bars 28 ensuring a primary distribution of the liquid oxygen between all the passages 17 for oxygen and the entire width of each passage 17, in the direction of the wavebands 24.
  • the wavebands 24 are generally formed of non-perforated corrugated aluminum sheets of the horizontal generatrix type, or so-called "hardway" provision. In this case, the wavebands 24 have, in operation, a global direction of waviness (in the x direction in Figure 1) parallel to the flow direction of the fluids in the passages considered.
  • the nitrogen gas reaches the exchanger through a feed box (not shown) and the distribution waves 20, then flows down along the passages 18. In so doing, it gradually yields the heat to the liquid oxygen which is in the adjacent passages 17, so that the oxygen vaporizes and the nitrogen condenses.
  • Figure 2 schematizes a passage 17 for the flow of liquid oxygen.
  • the passage 17 is formed between two parallel vertical plates (not shown) separated by bars 15, 7 which clog the passages.
  • the first and second waves 14, 34 extend between two successive plates (not shown in FIG. 2) so as to define, within the passage 17, a plurality of channels 14, 34.
  • the first and second waves 14, 34 comprise two edges 10, 30 adjacent, defining between them a clearance 31 zero or very low, typically a clearance of 0.1 to 5 mm at most.
  • the liquid oxygen passes through holes (not shown in Figure 2) placed above the first and second waves 14, 34, at a flow rate defined by the passage section thereof and by the height of the bath liquid that overcomes it.
  • the holes thus provide a primary distribution of the liquid oxygen over the entire width of the passage 17, and the liquid oxygen thus pre-distributed flows on the waves 14, 34, which ensures a fine secondary distribution over the entire width 17.
  • the liquid oxygen thus approaches a lower wave vertical generatrix 19 by dripping as homogeneously as possible on all the walls of the passage that is assigned to it, that is to say by forming on these walls a film continuous descending.
  • the exchanger according to the invention comprises an assembly member
  • the assembly member 13 extending on either side of the edges 10, 30 so as to assemble said waves 1, 3 to one another.
  • the assembly member 13 is forcibly engaged in at least a portion of a channel 14 of the first wave 1 on the one hand, and in at least a portion of a channel 34 of the second wave 3 on the other hand.
  • the member 13 is engaged or force-fitted in at least a portion of a channel 14 of the first wave 1 on the one hand, and in at least a portion of a channel 34 of the second wave 3 on the other hand.
  • the assembly member 13 is engaged under stress in the wave channels.
  • the member 13 may be penetrated into the channels 14, 34 by means of a small tool, such as a flat screwdriver, making it possible to force the assembly member into the bottom of the wave and by exerting manual pressure.
  • the connection between the member 13 and the waves 14, 34 is provided by elastic deformation of one and / or the other of these elements.
  • the assembly member 13 is locked in position inside the channels 14, 34 by a wedging effect, which causes the immobilization of the first and second waves 1, 3 with respect to the other.
  • the blocking force of the assembly member 13 in the first and second waves 1, 3 ensures a fastening of the assembly member 13 with the first and second waves 1, 3 strong only with a simple embedding, and therefore stronger solidarity between the waves 1, 3.
  • the waves 1, 3 are thus assembled to one another through the member 13. The risk of occurrence of a game between the waves during the assembly of the exchanger is greatly limited or eliminated.
  • connection between the waves 1, 3 can thus be achieved simply and quickly.
  • the assembly does not require any additional fixing means and can be easily implemented at the industrial level, with a low investment cost.
  • edges 10, 30 of the first and second waves 1, 3 are positioned in contact or in quasi-contact with respect to each other so that there is no or almost no play between said waves 1, 3.
  • the two waves 1, 3 have the same configuration in terms of shape, dimensions and direction of undulation and be deposited so that their edges meet perfectly.
  • the exchanger may comprise several assembly members 13 arranged along the edges 10, 30.
  • the number of assembly members 13 disposed along the edges 10, 30 may be adapted according to the length of said edges.
  • the exchanger may comprise two assembly members 13, as illustrated in FIG. 3.
  • Figures 3 and 4 show schematically embodiments of the invention in which the channels 14, 34 and the assembly member 13 extend generally parallel to a first direction z.
  • the length of the portions of the member 13 engaged on the one hand in the first wave 1 and on the other hand in the second wave 3, measured along the first direction z is greater than or equal to 5 mm, of to provide a sufficient connection with the waves 1, 3.
  • the assembly member 13 has, along at least a second direction x orthogonal to said first direction z and before being engaged by force, an outer dimension greater than or equal to the inner dimension of the channels 14, 34 according to said second direction x.
  • the dimensions or sections of the assembly member 13 are measured values before assembly by engagement in the wave channels, that is to say prior to any possible deformation of the member 13.
  • the assembly member 13 will implement oversizing of the assembly member 13 relative to one or more transverse internal dimensions of the wave channels, so as to ensure greater strength to the assembly.
  • the ratio between the inner dimension of the channel 14 of the first wave 1 and said outer dimension of the connecting member 13 and the ratio between the inner dimension of the channel 34 of the second wave 3 and said outer dimension of the assembly member 13 are preferably between 100 and 70%, more preferably between 95 and 85%. Such values make it possible to achieve an assembly without heavy tools since the effort of engagement can be assured by hand.
  • the force engagement is achieved by a so-called tight fit.
  • the tightening values defined as the gaps between the outer dimension (s) of the member 13 and the internal dimensions of the channels in the same directions, are relatively high, preferably between 0.1 and 0, 5 mm.
  • said at least one outer dimension of the connecting member 13 is between 0.5 and 2 mm, preferably between 1 and 1.3 mm.
  • Such external dimensions are advantageous since the assembly member 13 occupies only part of the height of the channels 14, 34 which, for conventional waves, is generally greater than 2 mm, typically between 3 and 8 mm. Said height corresponding, with reference to Figure 3, the inner dimension of the channel 14 measured in a third direction y orthogonal to the first direction z and the second direction x. It should be noted that the external dimension of the assembly member 13 will advantageously be adapted as a function of the height of the wave.
  • the heights are chosen so that the first and second waves 1, 3 extend in almost all or all of the width of the passage 17 in the third direction y.
  • the first and second waves 1, 3 each comprise a succession of wave legs 123 connected by wave vertices 121, the wave legs 123 succeeding one another according to one another. a so-called corrugation direction D.
  • the assembly member 13 being forcibly engaged between at least portions of two successive wave legs of the first wave on the one hand, and between at least portions of two successive wave legs of the second wave on the other hand. For the sake of clarity, only the first wave 1 is illustrated.
  • Each channel 14, 34 is defined between a plate 4, two successive wave legs 123 and the wave vertex 121 of the first or second wave 1, 3 connecting the two wave legs.
  • Each channel 14 thus forms a free passage within the passage 14, the member 13 being engaged, before introduction of the waves between the plates 4, between two successive wave legs 123.
  • the first and second waves 1, 3 are selected from straight waves, perforated straight waves, partial shift waves, wave waves or herringbone waves.
  • the first and second waves 1, 3 preferably have a substantially identical direction, shape and wave size.
  • the first and second waves are each formed of a sheet or strip of corrugated aluminum.
  • the assembly member 13 may have, in a plane perpendicular to the first direction z, a cross section of circular, square, rectangular, octagonal or triangular.
  • the channel 34 of the second wave 3 is less than or equal to 50%, preferably between 15 and 35%.
  • the assembly member 13 is a solid part.
  • the member 13 is a cylindrical piece, solid or tubular.
  • the member 13 is in the form of a solid cylindrical rod.
  • a welding rod can be used as an assembly member 13.
  • Such components are commercially available and different materials or diameters are available. Several pieces of the desired length can even be cut from a stick.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of a first right wave 1 having flat surface wave legs 123.
  • the channels 14 have a cross section of generally rectangular shape.
  • a member 13 of circular cross section is engaged by force between two successive wave legs 123.
  • the edges (10, 30) extend parallel to the second direction x.
  • the second wave 3 (not shown) arranged edge to edge with the first wave 1 has a similar wave shape and dimension.
  • the dimensioning of the assembly member 13 is determined with respect to the width of the channels 14, 34, corresponding to the internal dimension d measured along the second direction x.
  • the member 13 is such that the ratio between the inner dimension d and the outer diameter of the member 13 is between 100 and 70%, preferably between 95 and 85%. Such values allow an assembly without heavy tools since the effort can be assured by hand.
  • the assembly member 13 has a given outside diameter, typically between 0.5 and 2 mm, preferably between 1 and 1.3 mm. In this way, the assembly member 13 occupies only part of the height of the channel 14 which, for conventional waves, is generally greater than 2 mm, typically between 3 and 8 mm.
  • Orifices may optionally be pierced through the assembly member 13 and / or said member 13 may have a grooved peripheral wall. This will provide additional free spaces within the channels 14, 34, which will avoid reducing the passage section for the fluid flow and further limit the disturbance of the distribution of the fluid.
  • the assembly member 13 is formed of a material having a melting temperature greater than or equal to that of the materials of the first and second waves 1, 3. Thus, it avoids melting the assembly member 13 when brazing the exchanger.
  • the first and second waves 1, 3 and the assembly member 13 are formed of an identical material, in particular in order not to cause differences in expansion of the member 13 with respect to the waves 1 and 3 during of operation of the exchanger, in particular during its cold setting and during its warming at room temperature during the shutdown of the ASU for example. Such differences in expansion can also occur during temperature changes during soldering.
  • the first and second waves 1, 3 and the assembly member 13 are advantageously formed of a metallic material.
  • This material may be selected from stainless steel, aluminum or an aluminum alloy.
  • FIG. 5 illustrates an alternative embodiment in which the waves 1, 3 are partially offset. More specifically, and as can be seen in FIG. 5, each horizontal or pseudo-horizontal facet of the waves 1, 3 is provided, at regular intervals, with a punctum 26 shifted upwards by a quarter of a wave pitch.
  • the width of the punctured, measured along a generatrix of the wave, is of the same order as the distance separating each of them from two adjacent punctures located on the same facet.
  • the width of the channels 14, 34 measured along the second direction x varies according to the first direction z according to the way in which the punctures 26 are positioned.
  • the assembly member 13 is preferably dimensioned with respect to the minimum width. channels 14, 34 corresponding to the inner dimension d as shown in FIG. 5.
  • the width of the channels 14, 34 corresponds to the internal dimension d measured along the second direction x, the external dimensions of the assembly member 13 being defined so that it can be engaged by force in said channels 14, 34.
  • the plurality of passages defined between the plates 4 of the exchanger comprises a first set of passages 17 provided for the flow of a refrigerant and a second set of passages 18 for the flow of a circulating fluid.
  • the invention is particularly advantageous in the case of a refrigerant in the liquid state.
  • the assembly member 13 is preferably arranged between the first and second waves 1, 3 of at least one passage 17 of the first set.
  • the first and second waves 1, 3 arranged in the passages 17, 18 are horizontal generatrix, that is to say arranged in "hardway” configuration.
  • the first and second waves 1, 3 are prolonged, downstream following the direction of flow of the fluid in the passage considered, by heat exchange waves 19.
  • These exchange waves 19 are preferably of the type vertical generator, that is to say arranged in "easyway” configuration.
  • the second direction x is vertical when the exchanger 2 is in operation.
  • the refrigerants and calorigenic flow globally vertically and co-current, in the downward direction.
  • the waves of the exchanger have directions, dimensions and / or waveforms different from those of the embodiments described above.

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Abstract

L'invention concerne un échangeur de chaleur (2) pour vaporiser un fluide frigorigène par échange de chaleur avec un fluide calorigène, ledit échangeur (2) comprenant plusieurs plaques (4) parallèles définissant entre elles une pluralité de passages (17,18) adaptés pour l'écoulement du fluide frigorigène ou du fluide calorigène, une première onde (1) et une deuxième onde (3) s'étendant entre deux plaques (4) successives de façon à définir, au sein d'un même passage (17), une pluralité de canaux (14, 34), lesdites première et deuxième onde (1,3) comprenant deux bords (10,30) adjacents, au moins un organe d'assemblage (13) s'étendant de part et d'autre des bords (10, 30) de manière à lier lesdites ondes (1,3) l'une à l'autre. Selon l'invention, l'organe d'assemblage (13) est engagé de force dans au moins une partie d'un canal (14) de la première onde (1) d'une part, et dans au moins une partie d'un canal (34) de la deuxième onde (3) d'autre part.

Description

Echanqeur de chaleur à jonction d'ondes améliorée, installation de séparation d'air associée et procédé de fabrication d'un tel échanqeur
La présente invention est relative à un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasées pour la vaporisation d'un liquide frigorigène par échange de chaleur avec un fluide calorigène, ainsi qu'à un procédé d'assemblage d'un tel échangeur.
L'échangeur de chaleur peut en particulier être un vaporiseur utilisé dans une colonne de séparation d'air par distillation cryogénique pour assurer la vaporisation d'un liquide de cuve de colonne, par exemple de l'oxygène liquide , par échange de chaleur avec un gaz calorigène, par exemple l'air ou l'azote.
La présente invention trouve notamment application dans le domaine de la séparation de gaz par cryogénie, en particulier de la séparation d'air par cryogénie (connue sous l'acronyme anglais « ASU » pour unité de séparation d'air) exploitée pour la production d'oxygène gazeux sous pression. En particulier, la présente invention peut s'appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise un débit liquide, par exemple de l'oxygène, de l'azote et/ou de l'argon par échange de chaleur avec un gaz.
Si l'échangeur de chaleur se trouve dans la cuve d'une colonne de distillation, il peut constituer un vaporiseur fonctionnant en thermosiphon pour lequel l'échangeur est immergé dans un bain de liquide descendant la colonne ou un vaporiseur fonctionnant en vaporisation à film alimenté directement par le liquide tombant de la colonne et/ou par une pompe de recirculation.
La technologie couramment utilisée pour ces échangeurs à changement de phase est celle des échangeurs en aluminium à plaques et ailettes brasés, qui permettent d'obtenir des organes très compacts offrant une grande surface d'échange. Ces échangeurs sont constitués de plaques entre lesquelles sont insérées des ondes ou ailettes, formant ainsi un empilage de « passages » de vaporisation et de « passages » de condensation. Il existe différents types d'ondes comme les ondes droites, perforées ou à décalage partiel (« serrated »).
Dans le cas des vaporiseurs fonctionnant en mode vaporisation en film descendant, une partie de l'appareil est consacrée à la distribution du liquide dans les passages vaporisation et entre les canaux de l'onde d'échange. Cette distribution propre à chaque vaporiseur s'effectue classiquement selon le principe décrit dans FR-A-2547898: l'alimentation des passages de vaporisation se fait par le haut des passages condensation. L'oxygène passe ensuite à travers une rangée de trous qui assurent sa distribution primaire dans les passages de vaporisation. Il s'écoule ensuite à travers une bande d'ondes à génératrice horizontale qui assure une distribution plus fine dite secondaire en vue de répartir l'oxygène liquide entre les canaux agencés dans les passages de vaporisation en aval de la bande d'ondes génératrice horizontale.
L'oxygène liquide qui est vaporisé contient des impuretés sous forme dissoutes. Les principales impuretés sont le protoxyde d'azote (N2O), le dioxyde de carbone (CO2), des hydrocarbures (C2, C3, ...). Suivant les conditions opératoires, ces impuretés peuvent se déposer dans les passages de vaporisation (soit sous forme solide, soit sous forme liquide). Il est important de maîtriser industriellement la formation de ces dépôts solides ou liquides pour éviter tout risque d'explosion.
Un des paramètres importants à la formation de dépôts, est le débit de liquide par canal (ou exprimé par mètre de périmètre à mouiller). En effet, lorsque le débit de liquide par canal est insuffisant pour mouiller la paroi, il y a formation de dépôts par vaporisation à sec.
Dans ce type de vaporiseur (à film), la distribution de l'oxygène liquide joue un rôle essentiel sur son fonctionnement (performance et sécurité). Il est donc nécessaire d'assurer en toutes circonstances, une bonne distribution liquide à l'intérieur de chaque canal. Pour cela la distribution liquide doit être suffisamment uniforme entre canaux. Une distribution de liquide non uniforme peut entraîner un mauvais mouillage des ondes notamment dans la partie basse de l'échangeur et par conséquent, la formation de dépôts par vaporisation à sec. La difficulté est d'assurer un débit de liquide équivalent dans tous les canaux vu le nombre de canaux par passage et par corps (550 canaux/passage, 55 000 canaux/corps).
La qualité de cette distribution liquide dépend d'une bonne conception et dimensionnement du distributeur.
La distribution dite secondaire (répartition du liquide entre canaux) utilise typiquement une bande d'ondes à génératrice horizontale, éventuellement à décalage partiel.
Or, la disposition de cette bande d'ondes à l'intérieur de chaque passage de vaporisation présente certains inconvénients. En effet, du fait de la largeur des passages définis entre chaque plaque de l'échangeur, typiquement de l'ordre de 1000 à 1200 mm, il est nécessaire de juxtaposer au moins deux ondes dans un même passage afin d'en garnir toute la largeur.
Lors de l'assemblage de l'échangeur, ces ondes sont juxtaposées avec un jeu nul ou quasi-nul. Toutefois, l'étape de fixation des ondes par brasage aux plaques adjacentes peut occasionner l'apparition d'un jeu au niveau de la jonction entre deux ondes. En particulier, un léger déplacement d'une onde par rapport à l'autre peut se produire lors de la fusion du métal de brasure.
Les jeux entre ondes adjacentes constituent des passages préférentiels pour le liquide, engendrant une suralimentation en liquide des canaux se situant juste en dessous du jeu mais surtout, une sous-alimentation en liquide des canaux en périphérie de ces derniers.
On connaît du document FR-A-2938904 des solutions permettant de maintenir entre elles les ondes d'un échangeur. Toutefois, ces solutions ne donnent pas entière satisfaction, notamment car ne permettant pas un assemblage assez solide des ondes entre elles. En outre, ces solutions peuvent poser problème du fait de la complexité et du coût des pièces de maintien utilisées et de leur mise en place difficile au sein de l'échangeur, incompatible avec un procédé de fabrication industriel.
La présente invention a notamment pour but de résoudre tout ou partie des problèmes mentionnés ci-avant, en proposant un échangeur de chaleur dans lequel la distribution du fluide frigorigène est la plus uniforme possible.
Dans ce but, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur pour vaporiser un fluide frigorigène par échange de chaleur avec un fluide calorigène, ledit échangeur comprenant :
- plusieurs plaques parallèles définissant entre elles une pluralité de passages adaptés pour l'écoulement du fluide frigorigène ou du fluide calorigène,
- une première onde et une deuxième onde s'étendant entre deux plaques successives de façon à définir, au sein d'un même passage, une pluralité de canaux, lesdites première et deuxième onde comprenant deux bords adjacents,
- au moins un organe d'assemblage s'étendant de part et d'autre des bords de manière à lier lesdites ondes l'une à l'autre, caractérisé en ce que l'organe d'assemblage est engagé de force dans au moins une partie d'un canal de la première onde d'une part, et dans au moins une partie d'un canal de la deuxième onde d'autre part.
Selon le cas, l'échangeur selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
- plusieurs organes d'assemblage sont disposés le long des bords adjacents.
- les canaux et l'organe d'assemblage s'étendent globalement parallèlement à une première direction z.
- l'organe d'assemblage présente, suivant au moins une deuxième direction x orthogonale à la première direction z et avant engagement, une dimension extérieure supérieure ou égale, de préférence strictement supérieure, aux dimensions intérieures des canaux suivant ladite deuxième direction x.
- le rapport entre la dimension intérieure du canal de la première onde (1 ) et ladite dimension extérieure de l'organe d'assemblage et le rapport entre la dimension intérieure du canal de la deuxième onde et ladite dimension extérieure de l'organe d'assemblage sont compris entre 100 et 70%, de préférence compris entre 95 et 85%.
- le rapport entre la section transversale de l'organe d'assemblage et la section transversale du canal de la première onde et/ou le rapport entre la section transversale de l'organe d'assemblage et la section transversale du canal de la deuxième onde, lesdites sections étant mesurées dans un plan perpendiculaire à la première direction z, est inférieur ou égal à 50%, de préférence compris entre 15 et 35%.
- la deuxième direction x s'étend parallèlement aux bords adjacents.
- l'organe d'assemblage est de forme cylindrique et présente un diamètre extérieur donné, les rapports entre les largeurs des canaux, mesurées selon la deuxième direction x, et ledit diamètre extérieur étant compris entre 100 et 70%, de préférence compris entre 95 et 85%.
- le diamètre extérieur de l'organe d'assemblage est compris entre 0,5 et 2 mm, de préférence compris entre 1 et 1 ,3 mm.
- l'organe d'assemblage comprend une première portion engagée à force dans au moins une partie d'un canal et une deuxième portion engagée à force dans au moins une partie d'un canal de la deuxième onde, lesdites première et deuxième portion ayant des longueurs, mesurées parallèlement à la première direction z, supérieure ou égale à 5 mm, de préférence entre 30 et 50 mm, de préférence encore environ égale à 40 mm.
- l'organe d'assemblage comprend une paroi périphérique percée ou rainurée.
- les première et deuxième ondes sont formées d'un premier matériau et l'organe d'assemblage est formé d'un deuxième matériau, le deuxième matériau ayant une température de fusion supérieure ou égale à la température de fusion du premier matériau.
- les plaques s'étendent parallèlement à une direction x dite d'écoulement, les canaux et l'organe d'assemblage s'étendent globalement suivant une première direction z orthogonale à la direction d'écoulement y.
- les première et deuxième ondes comprennent chacune une succession de jambes d'onde reliées par des sommets d'onde, l'organe d'assemblage étant engagé de force entre au moins des portions de deux jambes d'onde successives de la première onde d'une part, et entre au moins des portions de deux jambes d'onde successives de la deuxième onde d'autre part.
- chaque canal est défini entre une plaque, deux jambes d'onde successives de la première ou de la deuxième onde et un sommet d'onde reliant lesdites deux jambes d'onde.
- les première et deuxième ondes sont choisies parmi les ondes droites, les ondes droites perforées, les ondes à décalage partiel, les ondes à vagues ou à arête de hareng.
Selon un autre aspect, l'invention concerne une installation de séparation d'air par distillation, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes et en ce que l'installation comprend des moyens d'alimentation pour distribuer dans des passages de l'échangeur de l'oxygène liquide en tant que fluide frigorigène et de l'azote gazeux en tant que fluide calorigène.
En outre, l'invention concerne également un procédé d'assemblage d'un échangeur de chaleur selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- agencement de la première onde et la deuxième onde entre deux plaques successives,
- juxtaposition de deux bords des première et deuxième ondes, - engagement à force de l'organe d'assemblage dans au moins une partie d'un canal de la première onde d'une part, et dans au moins une partie d'un canal de la deuxième onde d'autre part,
- assemblage par brasage de la première onde et de la deuxième onde avec les plaques.
L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux Figures ci- annexées parmi lesquelles :
- la Figure 1 est un vue tridimensionnelle partielle d'un échangeur selon un mode de réalisation de l'invention,
- la Figure 2 est une vue schématique en coupe de l'échangeur de la Figure 1 ,
- la Figure 3 schématise une onde d'un échangeur selon un mode de réalisation de l'invention,
- les Figures 4A, 4B sont des vues schématiques, suivant respectivement deux plans de coupe perpendiculaires entre eux, de deux ondes d'un échangeur selon un autre mode de réalisation de l'invention,
- la Figure 5 est une vue tridimensionnelle d'une des ondes des Figures 4A et 4B.
La Figure 1 illustre un mode de réalisation d'un échangeur de chaleur 2 pouvant être utilisé dans une installation de distillation d'air du type à double colonne. En fonctionnement, un échange de chaleur d'opère entre de l'oxygène liquide en tant que fluide frigorigène et de l'azote gazeux en tant que fluide calorigène.
L'échangeur 2 comporte une enveloppe étanche 40 contenant un ensemble de plaques 4 rectangulaires, généralement formées d'aluminium, qui s'étendent globalement parallèlement les unes aux autres. Les plaques 4 définissent ainsi une pluralité de passages destinés à l'écoulement de l'oxygène (passages 17) ou à l'écoulement de l'azote (passages 18).
Sur la majeure partie de leur hauteur, les passages 17, 18 contiennent chacun des ondes d'échange de chaleur 19 constituées dans cet exemple de tôles d'aluminium ondulées perforées. Ces ondes d'échange 19 sont de préférence du type à génératrice verticale, ou disposition dite « easyway ». Dans ce cas, les ondes d'échange 19 présentent, en fonctionnement, une direction globale d'ondulation (suivant la direction z sur la Figure 1 ) perpendiculaire à la direction d'écoulement (suivant la direction x sur la Figure 1 ) des fluides dans les passages considérés.
A l'extrémité supérieure des passages 17 et 18, les ondes d'échange 19 sont prolongées respectivement par des bandes d'ondes de distribution 24 et des ondes classiques 20. Au-dessus des ondes 20, les passages 17 et 18 sont fermés respectivement par des barres horizontales 28 et 21 .
L'espace situé au-dessus des plaques 4 renferme un bain d'oxygène liquide 5. L'oxygène liquide du bain 5 s'écoule par des orifices 29 percés le long des barres 28 assurant une distribution primaire de l'oxygène liquide entre tous les passages 17 pour l'oxygène et sur toute la largeur de chaque passage 17, en direction des bandes d'ondes 24. Les bandes d'ondes 24 sont généralement formées de tôles d'aluminium ondulées non perforées du type à génératrice horizontale, ou disposition dite « hardway ». Dans ce cas, les bandes d'ondes 24 présentent, en fonctionnement, une direction globale d'ondulation (suivant la direction x sur la Figure 1 ) parallèle à la direction d'écoulement des fluides dans les passages considérés.
En même temps, l'azote gazeux parvient dans l'échangeur par une boîte d'alimentation (non illustrée) et les ondes de distribution 20, puis s'écoule vers le bas le long des passages 18. Ce faisant, il cède progressivement de la chaleur à l'oxygène liquide qui se trouve dans les passages 17 adjacents, de sorte que l'oxygène se vaporise et que l'azote se condense.
La Figure 2 schématise un passage 17 pour l'écoulement de l'oxygène liquide. Le passage 17 est formé entre deux plaques verticales parallèles (non représentées) séparées par des barres 15, 7 qui bouchent les passages.
II est difficile de fabriquer des ondes suffisamment larges pour couvrir toute la largeur d'un passage de l'échangeur. Comme on le voit sur la Figure 2, on utilise donc au moins une première onde 14 et une deuxième onde 34 juxtaposées de manière à former une bande d'onde 24 telle que représentée sur la Figure 1 .
Plus précisément, les première et deuxième ondes 14, 34 s'étendent entre deux plaques successives (non illustrée sur la Figure 2) de façon à définir, au sein du passage 17, une pluralité de canaux 14, 34. Les première et deuxième ondes 14, 34 comprennent deux bords 10, 30 adjacents, définissant entre elles un jeu 31 nul ou très faible, typiquement un jeu de 0,1 à 5 mm au plus. En fonctionnement, l'oxygène liquide passe par des trous (non représentés sur la Figure 2) placés au-dessus des première et deuxième ondes 14, 34, à un débit défini par la section de passage de ces derniers et par la hauteur du bain liquide qui le surmonte. Les trous assurent donc une distribution primaire de l'oxygène liquide sur toute la largeur du passage 17, et l'oxygène liquide ainsi pré-distribué s'écoule sur les ondes 14, 34, lesquelles en assure une distribution secondaire fine sur toute la largeur du passage 17. L'oxygène liquide aborde ainsi une onde inférieure à génératrice verticale 19 en ruisselant de façon la plus homogène possible sur toutes les parois du passage qui lui est affecté, c'est-à-dire en formant sur ces parois un film continu descendant.
On comprend donc qu'il est important que les deux bords 10, 30 des ondes 14, 34 se contactent le plus parfaitement possible pour éviter des fuites de liquide et donc de réduire le risque que les ondes 14, 34 ne bougent l'une par rapport à l'autre au cours du brasage de l'échangeur.
Pour se faire, l'échangeur selon l'invention comprend un organe d'assemblage
13 s'étendant de part et d'autre des bords 10, 30 de manière à assembler lesdites ondes 1 , 3 l'une à l'autre. Selon l'invention, l'organe d'assemblage 13 est engagé de force dans au moins une partie d'un canal 14 de la première onde 1 d'une part, et dans au moins une partie d'un canal 34 de la deuxième onde 3 d'autre part.
En d'autres termes, l'organe 13 est engagé ou emmanché en force dans au moins une partie d'un canal 14 de la première onde 1 d'une part, et dans au moins une partie d'un canal 34 de la deuxième onde 3 d'autre part.
En fait, l'organe d'assemblage 13 est engagé sous contrainte dans les canaux des ondes. On pourra par exemple faire pénétrer l'organe 13 dans les canaux 14, 34 au moyen d'un petit outillage, tel un tournevis plat, permettant d'engager en force l'organe d'assemblage au fond de l'onde et en exerçant une pression manuelle. La liaison entre l'organe 13 et les ondes 14, 34 est assurée par déformation élastique de l'un et/ou de l'autre de ces éléments.
De cette manière, l'organe d'assemblage 13 est bloqué en position à l'intérieur des canaux 14, 34 par un effet de coincement, ce qui entraîne l'immobilisation des première et deuxième ondes 1 , 3 l'une par rapport à l'autre. Le blocage en force de l'organe d'assemblage 13 dans les première et deuxièmes ondes 1 , 3 assure une solidarisation de l'organe d'assemblage 13 avec les première et deuxièmes ondes 1 , 3 forte qu'avec un simple encastrement, et donc une solidarisation plus forte entre les ondes 1 , 3. Les ondes 1 , 3 sont ainsi assemblées l'une à l'autre par l'intermédiaire de l'organe 13. Le risque d'apparition d'un jeu entre les ondes au cours de l'assemblage de l'échangeur est donc grandement limité, voire éliminé.
L'assemblage entre les ondes 1 , 3 peut ainsi être réalisé de façon simple et rapide. L'assemblage ne nécessite aucun moyen complémentaire de fixation et peut être aisément mis en œuvre au niveau industriel, avec un coût d'investissement faible.
De préférence, les bords 10, 30 des premières et deuxième ondes 1 , 3 sont positionnées en contact ou en quasi-contact l'une par rapport à l'autre de manière à ce qu'il n'existe aucun ou quasiment aucun jeu entre lesdites ondes 1 , 3.
Avantageusement, les deux ondes 1 ,3 ont la même configuration en termes de forme, de dimensions et de direction d'ondulation et être déposées de sorte que leurs bords se rejoignent parfaitement.
L'échangeur pourra comprendre plusieurs organes d'assemblage 13 disposés le long des bords 10, 30. Le nombre d'organes d'assemblage 13 disposés le long des bords 10, 30 pourra être adapté en fonction de la longueur desdits bords. Par exemple, pour des ondes d'une longueur comprise entre 30 et 100 mm, l'échangeur peut comprend deux organes d'assemblage 13, comme illustré sur la Figure 3.
Les Figures 3 et 4 schématisent des modes de réalisation de l'invention dans lesquels les canaux 14, 34 et l'organe d'assemblage 13 s'étendent globalement parallèlement à une première direction z.
De préférence, la longueur des portions de l'organe 13 engagées d'une part dans la première onde 1 et d'autre part dans la deuxième onde 3, mesurée le long de la première direction z est supérieure ou égale à 5 mm, de manière à assurer une liaison suffisante avec les ondes 1 , 3. A titre d'exemple, on pourra utiliser un organe 13 d'une longueur totale de l'ordre de 40 mm, des portions d'une longueur d'environ 20 mm chacune étant engagées dans la première onde 1 et le deuxième onde 3 respectivement.
Avantageusement, l'organe d'assemblage 13 présente, suivant au moins une deuxième direction x orthogonale à ladite première direction z et avant d'être engagé de force, une dimension extérieure supérieure ou égale à la dimension intérieure des canaux 14, 34 suivant ladite deuxième direction x.
Etant noté que dans le cadre de l'invention, les dimensions ou sections de l'organe d'assemblage 13 s'entendent de valeurs mesurées avant son assemblage par engagement dans les canaux des ondes, c'est-à-dire avant toute déformation éventuelle de l'organe 13.
De préférence, on mettra en œuvre un surdimensionnement de l'organe d'assemblage 13 par rapport à une ou plusieurs dimensions transverses intérieures des canaux des ondes, de façon à assurer une plus grande solidité à l'assemblage.
Ainsi, le rapport entre la dimension intérieure du canal 14 de la première onde 1 et ladite dimension extérieure de l'organe d'assemblage 13 et le rapport entre la dimension intérieure du canal 34 de la deuxième onde 3 et ladite dimension extérieure de l'organe d'assemblage 13 sont de préférence compris entre 100 et 70% de préférence encore compris entre 95 et 85%. De telles valeurs permettent de réaliser un assemblage sans outillage lourd puisque l'effort d'engagement peut être assuré à la main.
Avantageusement, l'engagement de force est réalisé par un ajustement dit serré. En d'autres termes, les valeurs de serrages, défini comme les écarts entre la ou les dimensions extérieures de l'organe 13 et les dimensions intérieures des canaux dans les mêmes directions sont relativement élevés, de préférence compris entre 0,1 et 0,5 mm.
De préférence, ladite au moins une dimension extérieure de l'organe d'assemblage 13 est comprise entre 0,5 et 2 mm, de préférence comprise entre 1 et 1 ,3 mm. De telles dimensions extérieures sont avantageuses puisque l'organe d'assemblage 13 n'occupe alors qu'une partie de la hauteur des canaux 14, 34 qui, pour des ondes classiques, est généralement supérieure à 2 mm, typiquement comprise entre 3 et 8 mm. Ladite hauteur correspondant, en référence à la Figure 3, à la dimension intérieure du canal 14 mesurée selon une troisième direction y orthogonale à la première direction z et à la deuxième direction x. A noter que la dimension extérieure de l'organe d'assemblage 13 sera avantageusement adaptée en fonction de la hauteur de l'onde.
De préférence, les hauteurs sont choisies de sorte que les première et deuxième ondes 1 , 3 s'étendent dans la quasi-totalité, voire la totalité, de la largeur du passage 17 selon la troisième direction y.
Selon un mode de réalisation avantageux, illustré notamment par la Figure 3, les première et deuxième ondes 1 , 3 comprennent chacune une succession de jambes d'onde 123 reliées par des sommets d'onde 121 , les jambes d'onde 123 se succédant selon une direction dite d'ondulation D. L'organe d'assemblage 13 étant engagé de force entre au moins des portions de deux jambes d'onde successives de la première onde d'une part, et entre au moins des portions de deux jambes d'onde successives de la deuxième onde d'autre part. Pour des raisons de clarté, seule la première onde 1 est illustrée.
Chaque canal 14, 34 est défini entre une plaque 4, deux jambes d'onde 123 successives et le sommet d'onde 121 de la première ou de la deuxième onde 1 , 3 reliant les deux jambes d'onde. Chaque canal 14 forme donc un passage libre au sein du passage 14, l'organe 13 étant engagé, avant mise en place des ondes entre les plaques 4, entre deux jambes d'onde 123 successives.
Les première et deuxième ondes 1 , 3 sont choisies parmi les ondes droites, les ondes droites perforées, les ondes à décalage partiel, les ondes à vagues ou à arête de hareng. Les première et deuxième ondes 1 , 3 ont de préférence une direction, une forme et une dimension d'ondulation substantiellement identique. De préférence, les première et deuxième ondes sont chacune formées d'une tôle, ou feuillard, d'aluminium ondulée.
L'organe d'assemblage 13 peut présenter, dans un plan perpendiculaire à la première direction z, une section transversale de forme circulaire, carrée, rectangulaire, octogonale ou triangulaire.
De préférence, le rapport entre la section transversale de l'organe d'assemblage 13 et la section transversale du canal 14 de la première onde 1 et/ou le rapport entre la section transversale de l'organe d'assemblage 13 et la section transversale du canal 34 de la deuxième onde 3 est inférieur ou égal à 50%, de préférence compris entre 15 et 35%. Ainsi, on limite la réduction de la section de passage pour l'écoulement du fluide à travers l'onde 1 et l'organe d'assemblage 13 ne perturbe pas la distribution du fluide.
Avantageusement, l'organe d'assemblage 13 est une pièce pleine. De préférence, l'organe 13 est une pièce de forme cylindrique, pleine ou tubulaire.
Selon un mode de réalisation particulier, l'organe 13 se présente sous la forme d'une tige cylindrique pleine. On pourra par exemple utiliser une baguette de soudage en tant qu'organe d'assemblage 13. De tels composants sont disponibles dans le commerce et différents matériaux ou diamètres sont disponibles. Plusieurs morceaux de la longueur souhaitée peuvent même être découpés à partir d'une baguette. La Figure 3 est une vue en coupe transversale d'une première onde 1 droite présentant des jambes d'onde 123 à surface plane. Selon cet exemple de réalisation, les canaux 14 présentent une section transversale de forme générale rectangulaire. Un organe 13 de section transversale circulaire est engagé de force entre deux jambes d'onde 123 successives. Les bords (10, 30) s'étendent parallèlement à la deuxième direction x. La deuxième onde 3 (non illustrée) agencée bord à bord avec la première onde 1 présente une forme et une dimension d'ondulation similaires.
Dans l'exemple donné en Figure 3, le dimensionnement de l'organe d'assemblage 13 est déterminé par rapport à la largeur des canaux 14, 34, correspondant à la dimension intérieure d mesurée suivant la deuxième direction x.
Avantageusement, l'organe 13 est tel que le rapport entre la dimension intérieure d et le diamètre extérieur de l'organe 13 est compris entre 100 et 70%, de préférence compris entre 95 et 85%. De telles valeurs permettent un assemblage sans outillage lourd puisque l'effort peut être assuré à la main.
L'organe d'assemblage 13 présente un diamètre extérieur donné, typiquement compris entre 0,5 et 2 mm, de préférence compris entre 1 et 1 ,3 mm. De la sorte, l'organe d'assemblage 13 n'occupe qu'une partie de la hauteur du canal 14 qui, pour des ondes classiques, est généralement supérieure à 2 mm, typiquement comprise entre 3 et 8 mm.
Les caractéristiques énoncées ci-avant pour la première onde 1 s'appliquent bien entendu à la deuxième onde 3.
Des orifices pourront éventuellement être percés à travers l'organe d'assemblage 13 et/ou ledit organe 13 pourra présenter une paroi périphérique rainurée. On ménagera ainsi des espaces libres supplémentaires au sein des canaux 14, 34, ce qui évitera de réduire la section de passage pour l'écoulement du fluide et limitera encore la perturbation de la distribution du fluide.
De préférence, l'organe d'assemblage 13 est formé d'un matériau ayant une température de fusion supérieure ou égale à celle des matériaux des première et deuxième ondes 1 , 3. Ainsi, on évite de fondre l'organe d'assemblage 13 lors du brasage de l'échangeur.
De préférence, les première et deuxième ondes 1 , 3 et l'organe d'assemblage 13 sont formés d'un matériau identique, afin notamment de ne pas engendrer de différences de dilatation de l'organe 13 par rapport aux ondes 1 et 3 lors du fonctionnement de l'échangeur, en particulier pendant sa mise en froid et pendant son réchauffement à température ambiante lors de l'arrêt de l'ASU par exemple. De telles différences de dilatation peuvent aussi apparaître lors des variations de température au cours du brasage.
Les première et deuxième ondes 1 , 3 et l'organe d'assemblage 13 sont avantageusement formées d'un matériau métallique. Ce matériau pourra être choisi parmi l'acier inoxydable, l'aluminium ou un alliage d'aluminium.
Les Figures 4A, 4B et 5 illustrent une variante de réalisation dans laquelle les ondes 1 , 3 sont à décalage partiel. Plus précisément, et comme visible sur la Figure 5, chaque facette horizontale ou pseudo-horizontale 25 des ondes 1 ,3 est pourvue, à intervalles réguliers, d'un crevé 26 décalé vers le haut d'un quart de pas d'onde. La largeur des crevés, mesurée le long d'une génératrice de l'onde, est du même ordre que la distance qui sépare chacun d'eux des deux crevés adjacents situés sur la même facette.
Dans cette variante, la largeur des canaux 14, 34 mesurée suivant la deuxième direction x varie suivant la première direction z selon la façon dont sont positionnés les crevés 26. On dimensionne de préférence l'organe d'assemblage 13 par rapport à la largeur minimale des canaux 14, 34 correspondant à la dimension intérieure d telle que représentée sur la Figure 5.
La largeur des canaux 14, 34 correspond à la dimension intérieure d mesurée suivant la deuxième direction x, les dimensions extérieures de l'organe d'assemblage 13 étant définies de sorte qu'il puisse être engagé de force dans lesdits canaux 14, 34.
Avantageusement, la pluralité de passages définie entre les plaques 4 de l'échangeur comprend un premier ensemble de passage 17 prévus pour l'écoulement d'un fluide frigorigène et un deuxième ensemble de passages 18 pour l'écoulement d'un fluide calorigène.
L'invention est particulièrement avantageuse dans le cas d'un fluide frigorigène à l'état liquide. L'organe d'assemblage 13 est de préférence agencé entre les première et deuxième ondes 1 ,3 d'au moins un passage 17 du premier ensemble.
De préférence, les première et deuxième ondes 1 , 3 agencées dans les passages 17, 18 sont à génératrice horizontale, c'est-à-dire disposées en configuration « hardway ». Avantageusement, les première et deuxième ondes 1 , 3 sont prolongées, en aval en suivant la direction d'écoulement du fluide dans le passage considéré, par des ondes d'échange de chaleur 19. Ces ondes d'échange 19 sont de préférence du type à génératrice verticale, c'est-à-dire disposées en configuration « easyway ».
De préférence, la deuxième direction x est verticale lorsque l'échangeur 2 est en fonctionnement. Les fluides frigorigènes et calorigènes s'écoulent globalement verticalement et à co-courant, dans le sens descendant.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés dans la présente demande. D'autres variantes ou modes de réalisation à la portée de l'homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l'invention définie par les revendications ci-après.
Ainsi, d'autres directions et sens d'écoulement des fluides sont envisageables, sans sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, on pourra envisager une circulation des fluides à contre-courant dans l'échangeur 2. Un ou plusieurs fluides frigorigènes et un ou plusieurs fluides calorigènes de natures différentes peuvent aussi s'écouler au sein des passages 17, 1 8 d'un même échangeur.
Il est aussi envisageable que les ondes de l'échangeur présentent des directions, dimensions et/ou formes d'ondulation différentes de celles des modes de réalisation décrits ci-avant.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Echangeur de chaleur (2) pour vaporiser un fluide frigorigène par échange de chaleur avec un fluide calorigène, ledit échangeur (2) comprenant :
- plusieurs plaques (4) parallèles définissant entre elles une pluralité de passages (17, 18) adaptés pour l'écoulement du fluide frigorigène ou du fluide calorigène,
- une première onde (1 ) et une deuxième onde (3) s'étendant entre deux plaques (4) successives de façon à définir, au sein d'un même passage (17), une pluralité de canaux (14, 34), lesdites première et deuxième onde (1 ,3) comprenant deux bords (10, 30) adjacents,
- au moins un organe d'assemblage (13) s'étendant de part et d'autre des bords (10, 30) de manière à lier lesdites ondes (1 , 3) l'une à l'autre,
caractérisé en ce que l'organe d'assemblage (13) est engagé de force dans au moins une partie d'un canal (14) de la première onde (1 ) d'une part, et dans au moins une partie d'un canal (34) de la deuxième onde (3) d'autre part.
2. Echangeur selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs organes d'assemblage (13) disposés le long des bords (10, 30) adjacents.
3. Echangeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les canaux (14, 34) et l'organe d'assemblage (13) s'étendent globalement parallèlement à une première direction (z), ledit organe d'assemblage (13) présentant, suivant au moins une deuxième direction (x) orthogonale à ladite première direction (z) et avant engagement, une dimension extérieure supérieure ou égale aux dimensions intérieures des canaux (14, 34) suivant ladite deuxième direction (x).
4. Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rapport entre la dimension intérieure du canal (14) de la première onde (1 ) et ladite dimension extérieure de l'organe d'assemblage (13) et le rapport entre la dimension intérieure du canal (34) de la deuxième onde (3) et ladite dimension extérieure de l'organe d'assemblage (13) sont compris entre 100 et 70%, de préférence compris entre 95 et 85%.
5. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux (14, 34) et l'organe d'assemblage (13) s'étendent globalement parallèlement à une première direction (z), le rapport entre la section transversale de l'organe d'assemblage (13) et la section transversale du canal (14) de la première onde (1 ) et/ou le rapport entre la section transversale de l'organe d'assemblage (13) et la section transversale du canal (34) de la deuxième onde (3) étant inférieur ou égal à 50%, de préférence compris entre 15 et 35%, lesdites sections transversales étant mesurées dans un plan perpendiculaire à la première direction (z).
6. Echangeur selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ladite deuxième direction (x) s'étend parallèlement aux bords (10, 30).
7. Echangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'organe d'assemblage (13) est de forme cylindrique et présente un diamètre extérieur donné, les rapports entre les largeurs des canaux (14, 34), mesurées selon la deuxième direction (x), et ledit diamètre extérieur étant compris entre 100 et 70%, de préférence compris entre 95 et 85%.
8. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le diamètre extérieur de l'organe d'assemblage (13) est compris entre 0,5 et 2 mm, de préférence compris entre 1 et 1 ,3 mm.
9. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe d'assemblage (13) comprend une première portion engagée à force dans au moins une partie d'un canal (14) et une deuxième portion engagée à force dans au moins une partie d'un canal (34) de la deuxième onde (3), lesdites première et deuxième portion ayant des longueurs, mesurées parallèlement à la première direction (z), supérieure ou égale à 5 mm, de préférence entre 30 et 50 mm, de préférence encore environ égale à 40 mm.
10. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe d'assemblage (13) comprend une paroi périphérique percée ou rai n urée.
1 1 . Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et deuxième ondes (1 , 3) sont formées d'un premier matériau et l'organe d'assemblage (13) est formé d'un deuxième matériau, le deuxième matériau ayant une température de fusion supérieure ou égale à la température de fusion du premier matériau.
12. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques (4) s'étendent parallèlement à une direction (x) dite d'écoulement, les canaux (14, 34) et l'organe d'assemblage (13) s'étendent globalement suivant une première direction (z) orthogonale à la direction d'écoulement (y).
13. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et deuxième ondes (1 , 3) comprennent chacune une succession de jambes d'onde (123) reliées par des sommets d'onde (121 ), l'organe d'assemblage (13) étant engagé de force entre au moins des portions de deux jambes d'onde successives de la première onde d'une part, et entre au moins des portions de deux jambes d'onde successives de la deuxième onde d'autre part.
14. Echangeur selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque canal (14, 34) est défini entre une plaque (4), deux jambes d'onde (123) successives de la première ou de la deuxième onde (1 , 3) et un sommet d'onde (121 ) reliant lesdites deux jambes d'onde.
15. Echangeur de chaleur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et deuxième ondes (1 ,3) sont choisies parmi les ondes droites, les ondes droites perforées, les ondes à décalage partiel, les ondes à vagues ou à arête de hareng.
16. Installation de séparation d'air par distillation, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes et en ce que l'installation comprend des moyens d'alimentation pour distribuer dans des passages de l'échangeur de l'oxygène liquide en tant que fluide frigorigène et de l'azote gazeux en tant que fluide calorigène.
17. Procédé d'assemblage d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- agencement de la première onde (1 ) et la deuxième onde (3) entre deux plaques (4) successives,
- juxtaposition de deux bords (10, 30) des première et deuxième ondes (1 , 3), - engagement à force de l'organe d'assemblage (13) dans au moins une partie d'un canal (14) de la première onde (1 ) d'une part, et dans au moins une partie d'un canal (34) de la deuxième onde (3) d'autre part,
- assemblage par brasage de la première onde (1 ) et de la deuxième onde (3) avec les plaques (4).
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