FR2781562A1

FR2781562A1 - Plate heat exchanger has two sets of chambers of shape selected to optimize through flow

Info

Publication number: FR2781562A1
Application number: FR9809733A
Authority: FR
Inventors: Andre Peze
Original assignee: SARL THERMI CONSULT
Current assignee: ZIEMEX, FR
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1998-07-24
Publication date: 2000-01-28
Anticipated expiration: 2018-07-24
Also published as: FR2781562B1

Abstract

The exchanger comprises two parallel plate chamber bundles installed in a cylindrical calender. The chambers of at least one bundle have a variable thickness over several lengths defining with the chambers of the other bundle different steam passage sections to enable optimized speed for thermal and material transfer in the event of biphasic operation and condensation with a minimum pressure loss.

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR A PLAQUES ASSURANT LAHEAT EXCHANGER WITH PLATES ENSURING THE

FONCTION DE CONDENSEUR.CONDENSER FUNCTION.

L'invention se rattache au secteur technique des appareils échangeurs à plaques soudées en utilisation condenseur. On connaît les échangeurs à tubes et calandre (virole) ou dénommés The invention relates to the technical sector of plate heat exchangers welded in condenser use. Tube and shell (shell) exchangers are known or referred to

<< shell and tubes ".<< shell and tubes.

On connaît l'utilisation d'échangeurs à plaques soudées du type compact dans une configuration parallélipipédique réalisant à la fois la surface d'échange et la calandre, décrit dans le brevet EP 0186592. Ces The use of compact-type welded plate heat exchangers in a parallelepipedic configuration producing both the exchange surface and the shell, described in patent EP 0186592. It is known to use these

échangeurs forment de part leur conception même la calandre. exchangers form their own design the grille.

On connaît également, par le brevet VICARB, l'empilage de plaques embouties tenues entre elles par les angles chantournés, soudées sur quatre 1 5 montants constituant un parallélépipède dont le sommet et le fond sont Also known by the patent VICARB, the stack of stamped plates held together by the corners scalloped, welded on four 1 5 amounts constituting a parallelepiped whose top and bottom are

soudés, et dont les quatre côtés sont amovibles. welded, and whose four sides are removable.

On connaît également une autre solution FERNANDEZ-KAPP France utilisant des plaques planes agencées avec des moyens évitant les effets de Another solution known FERNANDEZ-KAPP France using planar plates arranged with means avoiding the effects of

fond.background.

Dans ces différents échangeurs à plaques soudées, il est nécessaire de les agencer avec des portes d'accès pour permettre un contrôle et un nettoyage interne de la surface d'échange, ce qui entraîne des difficultés d'entretien, et des risques de corrosion du fait de l'existence de nombreuses In these different welded plate heat exchangers, it is necessary to arrange them with access doors to allow control and internal cleaning of the exchange surface, which leads to maintenance difficulties, and risks of corrosion of the surface. made of the existence of many

zones de rétention à l'endroit des soudures et des angles non accessibles. retention zones at welds and inaccessible angles.

Par ailleurs, de par leur conception sans calandre, leur surface d'échange est soumise à des efforts et des contraintes élevés qui à terme réduisent la durée Moreover, because of their calendered design, their exchange surface is subjected to high stresses and stresses which in the long term reduce the duration

de vie de l'appareil.of life of the device.

L'objet de l'invention vise la conception d'un échangeur de chaleur à plaques soudées, assurant la fonction de condenseur. Les plaques ou faisceaux sont agencées de manière à permettre: a) une haute efficacité thermique assurant une section variable en différents points de la surface d'échange, de manière à avoir une vitesse constante et une perte de charge minimale " inférieure ou égale à 1 Torr ", The object of the invention is the design of a welded plate heat exchanger, providing the function of condenser. The plates or bundles are arranged to allow: a) a high thermal efficiency ensuring a variable section at different points of the exchange surface, so as to have a constant speed and a minimum pressure drop of less than or equal to 1 Torr ",

en fonctionnement " condensation diphasique " sous vide poussé. in operation "two-phase condensation" under high vacuum.

b) de supprimer les contraintes dues aux dilatations différentielles que supportent les plaques constituant le faisceau bridé, par le fait d'une b) to eliminate the stresses due to the differential expansions that support the plates constituting the clamped beam, by the fact of a

conception flottante du faisceau " type tube en U ". Floating beam design "U-tube type".

c) par le fait d'un démontage aisé du faisceau, d'accéder à la totalité de la surface d'échange pour assurer l'entretien de celle-ci et contrôler c) by easy disassembly of the beam, to access the entire exchange surface to maintain it and control

visuellement toutes les parties soudées. visually all welded parts.

d) de supprimer les zones de rétention de produit, côté condensation. d) to remove the product retention zones, condensation side.

Ces buts et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la These and other goals will emerge from the rest of the

description.description.

Selon une première caractéristique, l'échangeur de chaleur à plaques assurant la fonction de condenseur est du type comprenant deux faisceaux de chambres plates parallèles définissant une structure à plaques installées dans une enceinte formant calandre cylindrique et disposées en opposition et tant susceptibles de s'intégrer l'un dans l'autre, une structure en forme de fourreau bordant le périmètre des deux faisceaux, étant solidarisé intérieurement à la calandre pour guider d'une extrémité à l'autre les vapeurs, caractérisé en ce que les chambres d'au moins un faisceau sont à épaisseur variable sur plusieurs longueurs définissant avec le profil des chambres de l'autre faisceau différentes sections de passage à la vapeur permettant d'obtenir une vitesse optimisée nécessaire à un transfert thermique et un transfert de matière dans le cas de fonctionnement et According to a first feature, the plate heat exchanger providing the condenser function is of the type comprising two parallel flat-chamber bundles defining a plate structure installed in a cylindrical shell and arranged in opposition and so likely to integrate one inside the other, a structure in the form of a sheath bordering the perimeter of the two bundles, being secured internally to the shell to guide the vapors from one end to the other, characterized in that the chambers of at least a beam are of variable thickness over several lengths defining, with the profile of the chambers of the other beam, different steaming sections making it possible to obtain an optimized speed necessary for thermal transfer and transfer of material in the case of operation and

condensation diphasique au moyen d'une perte de charge minimale. two-phase condensation by means of a minimal pressure drop.

Selon une autre caractéristique, l'échangeur est remarquable du fait que la structure à plaques est amovible de part et d'autre de la calandre. On obtient trois éléments distincts: une calandre cylindrique avec un fourreau intégré, deux faisceaux flottants. Ces trois éléments sont parfaitement According to another characteristic, the exchanger is remarkable because the plate structure is removable on either side of the shell. We obtain three distinct elements: a cylindrical calender with an integrated sheath, two floating beams. These three elements are perfectly

visitables, nettoyables et réparables. visitable, cleanable and repairable.

1 0 Pour fixer l'objet de l'invention illustré d'une manière non limitative aux figures des dessins o: * La figure 1 est une vue en perspective de l'échangeur de chaleur In order to fix the object of the invention illustrated in a nonlimiting manner to the figures of the drawings: FIG. 1 is a perspective view of the heat exchanger

assurant la fonction de condenseur.ensuring the function of condenser.

* La figure 2 est une vue de dessus de l'échangeur de chaleur assurant FIG. 2 is a view from above of the heat exchanger ensuring

1 5 la fonction de condenseur.1 5 the condenser function.

* La figure 3 représente en perspective l'échangeur de chaleur assurant la fonction de condenseur démontée en trois parties indissociables, à savoir: => une enceinte (E) > un premier faisceau démontable (F1) * Figure 3 shows in perspective the heat exchanger ensuring the condenser function disassembled into three indissociable parts, namely: => an enclosure (E)> a first removable beam (F1)

=> un deuxième faisceau démontable (F2). => a second removable beam (F2).

* La figure 4 est une vue en perspective de l'enceinte (E). * Figure 4 is a perspective view of the enclosure (E).

* La figure 5 est une vue de dessus de l'enceinte (E). * Figure 5 is a top view of the enclosure (E).

* La figure 6 est une vue en perspective de la structure (S), partie FIG. 6 is a perspective view of the structure (S), part

soudée dans l'enceinte (E).welded in the enclosure (E).

* La figure 7 est une vue en perspective du deuxième faisceau FIG. 7 is a perspective view of the second beam

démontable (F1).removable (F1).

* La figure 8 est une vue de dessus du premier faisceau démontable (F1). * La figure 9 est une vue en perspective du premier faisceau * Figure 8 is a top view of the first removable beam (F1). FIG. 9 is a perspective view of the first beam

démontable (F2).removable (F2).

a La figure 10 est une vue de dessus du deuxième faisceau Figure 10 is a top view of the second beam

démontable (F2).removable (F2).

* La figure 1 1 est une vue de dessus des faisceaux (Fl) et (F2) dans * Figure 1 1 is a top view of the beams (Fl) and (F2) in

leur position de fonctionnement, l'enceinte (E) n'étant pas représentée. their operating position, the enclosure (E) not being shown.

* La figure 12 illustre le schéma de principe de l'imbrication des * Figure 12 illustrates the schematic diagram of the nesting of

faisceaux à section variable.beams with variable section.

Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit In order to make the object of the invention more concrete, it is described

maintenant d'une manière non limitative illustrée aux figures des dessins. now in a nonlimiting manner illustrated in the figures of the drawings.

1 5 L'échangeur de chaleur assurant la fonction de condenseur est composé de trois éléments distincts et démontables: The heat exchanger providing the condenser function is composed of three distinct and dismountable elements:

= une enceinte (E) formant calandre cylindrique. = a chamber (E) forming a cylindrical calender.

un premier faisceau démontable (Fl). a first removable beam (Fl).

> un deuxième faisceau démontable (F2). > a second removable beam (F2).

(cf. FIG 1. Avant démontage, FIG 3 après démontage) Lesdits faisceaux définissent une structure à plaques amovibles de part et d'autre de la calandre L'enceinte (E) est composée (cf. FIG.4 et FIG.5): d'une virole (1), d'une tubulure d'entrée vapeur (2), d'une tubulure de sortie vapeur (3), d'une tubulure d'évacuation des condensats (4), d'une bride de liaison (5), (see FIG 1. Before disassembly, FIG 3 after disassembly) Said beams define a structure with removable plates on either side of the shell The enclosure (E) is composed (see FIG.4 and FIG.5) : a shell (1), a steam inlet pipe (2), a steam outlet pipe (3), a condensate discharge pipe (4), a pipe flange binding (5),

d'une autre bride de liaison (6), d'un disque soudé (7) et d'une structure (S). another connecting flange (6), a welded disc (7) and a structure (S).

La structure (S) sera liée à la virole (1) par l'intermédiaire d'un disque (7). Le faisceau (Fl) est assemblé à la bride (5). La liaison du faisceau (Fl) à l'enceinte (E) sera faite par l'ensemble des brides (5) (5'), (cf FIG.2) Le faisceau (F2) est assemblé à la bride (6). La liaison du faisceau (F2) à l'enceinte (E) sera faite par l'ensemble des brides (6) et (6'), The structure (S) will be linked to the ferrule (1) via a disc (7). The beam (Fl) is assembled to the flange (5). The beam connection (Fl) to the enclosure (E) will be made by all the flanges (5) (5 '), (see FIG.2) The beam (F2) is assembled to the flange (6). The connection of the beam (F2) to the enclosure (E) will be made by all the flanges (6) and (6 '),

(cf. FIG.2).(see FIG.2).

La structure (S) (cf. FIG.6) guide la vapeur dans l'enceinte de l'arrière vers l'avant. Elle contraint la vapeur à circuler dans les faisceaux (Fl et F2). Elle est constituée par deux plaques planes verticales (8, 9) et deux plaques planes horizontales (10, 11). Ces quatre plaques sont soudées sur le disque (7) et forment un caisson. Une zone d'entrée de la vapeur est bordée par le disque (7) et les plaques (8 et 9). La sortie des vapeurs est The structure (S) (see FIG. 6) guides the vapor in the enclosure from the rear to the front. It forces the steam to circulate in the beams (Fl and F2). It consists of two vertical flat plates (8, 9) and two horizontal flat plates (10, 11). These four plates are welded to the disk (7) and form a box. An inlet zone of the steam is bordered by the disc (7) and the plates (8 and 9). The exit of the vapors is

bordée par les tôles (8, 9 et 11). bordered by the plates (8, 9 and 11).

Les faisceaux (Fl et F2) sont constitués de chambres, celles-ci sont du genre tube plat, réalisés par des plaques embouties, soudées deux à deux sur trois de leurs quatre côtés. Ces chambres écartées entre elles deux à deux sont assemblées sous forme d'un parallélépipède. Elles réalisent un ensemble de canaux rectangulaires constituant la section de passage côté vapeur. Les chambres sont assemblées entre elles par une de leurs deux extrémités, et plus précisément du côté ouvert de ces dites chambres. Ainsi, on constitue deux faisceaux flottants ou chaque chambre peut recevoir le The beams (Fl and F2) consist of chambers, these are of the flat tube type, made by stamped plates, welded two by two on three of their four sides. These rooms separated between them two by two are assembled in the form of a parallelepiped. They realize a set of rectangular channels constituting the passage section steam side. The rooms are assembled together by one of their two ends, and more precisely on the open side of these rooms. Thus, two floating beams are constituted where each chamber can receive the

fluide de refroidissement, qui rentre et sort d'un même côté. cooling fluid, which enters and leaves the same side.

Les références fléchées Al, A2, Al', A2' indiquent le sens de passage Arrow references Al, A2, Al ', A2' indicate the direction of passage

du fluide de refroidissement.coolant.

La référence B1 est celle de l'entrée de la vapeur, la référence B2, The reference B1 is that of the entry of the steam, the reference B2,

celle de la sortie de la vapeur et B3 l'évacuation des condensats. that of the exit of the steam and B3 the evacuation of the condensates.

Les circuits de passage des fluides réfrigérants ne sont pas directement représentés, n'étant pas de l'essence même de l'invention. L'homme de métier étant en mesure d'inclure l'objet de l'invention avec de telles The refrigerant flow circuits are not directly represented, not being the essence of the invention. The skilled person being able to include the object of the invention with such

dispositions connues en elles-mêmes. provisions known in themselves.

Les chambres du faisceau (F2, cf. FIG. 10) se distinguent de celles du faisceau (Fl) par le fait qu'elles sont à épaisseur variable. Sur la première longueur (L2) l'épaisseur des chambres (ep2) est la plus faible. Sur la deuxième longueur (L3), l'épaisseur des chambres (ep3) est supérieure à (ep2). Ainsi les deux faisceaux embrevés (cf. FIG 11) l'un dans l'autre imposent trois sections de passage à la vapeur. La vapeur entre dans la The chambers of the beam (F2, see FIG.10) are distinguished from those of the beam (Fl) in that they are of variable thickness. On the first length (L2) the thickness of the chambers (ep2) is the lowest. On the second length (L3), the thickness of the chambers (ep3) is greater than (ep2). Thus, the two bundles (FIG. 11) in each other impose three sections of steaming. Steam enters the

1 0 section la plus importante, puis circule dans des sections décroissantes. 1 0 largest section, then circulates in decreasing sections.

La première section de passage (Sl) est définie par le faisceau (Fl) sur une longueur (LI) (cf. FIG. 11). L'écartement entre plaques (el) est celui du faisceau (Fl). La deuxième section de passage (S2) plus étroite que (SI) est définie par les faisceaux (Fl et F2) (nota: la surface d'échange est doublée) i 5 sur une longueur (L2). L'écartement entre plaques (e2) est égal à: (el-ep2) / 2. La troisième section de passage (S3) plus étroite que (S2) est définie par les faisceaux (Fl et F2) sur une longueur (L3). L'écartement entre The first passage section (Sl) is defined by the beam (Fl) over a length (LI) (see FIG 11). The spacing between plates (el) is that of the beam (Fl). The second passage section (S2) narrower than (S1) is defined by the beams (F1 and F2) (note: the exchange surface is doubled) over a length (L2). The spacing between plates (e2) is equal to: (el-ep2) / 2. The third passage section (S3) narrower than (S2) is defined by the beams (F1 and F2) over a length (L3) . The distance between

plaques (e3) est égal à: (el-ep3) / 2. plates (e3) is equal to: (el-ep3) / 2.

Le nombre de sections et de longueur des chambres du faisceau (F2) The number of sections and lengths of the beam chambers (F2)

sont établis en fonction des caractéristiques de l'échangeur. are established according to the characteristics of the exchanger.

Sans sortir de l'invention, les profils des chambres des faisceaux peuvent être ensembles à section variable dans une combinaison en nombre et en longueur complémentaires selon les besoins exigés par l'échangeur sélectionné. Ainsi selon l'invention, les chambres des deux faisceaux s'imbriquent Without departing from the invention, the profiles of the beam chambers can be variable-section assemblies in a combination of number and length complementary according to the needs required by the selected exchanger. Thus according to the invention, the chambers of the two bundles interlock

les unes dans les autres et créent des canaux à section variable décroissante. into each other and create decreasing variable section channels.

La structure (S) en forme de fourreau borde le périmètre de ces deux faisceaux pour guider d'une extrémité à l'autre les vapeurs. Ces vapeurs se condensent et durant l'écoulement entre les chambres, il se produit une réduction de volume. Le fait de réduire la section de passage entre les chambres permet d'obtenir une vitesse optimisée, vitesse nécessaire au traitement thermique et au transfert de matière dans le cas de fonctionnement en " condensation diphasique " au moyen d'une perte de charge minimale. Plus on crée de perte de charge, plus on diminue la température de condensation du composant condensable en présence des composants non condensables enl'état de température et de pression, et The sheath-shaped structure (S) borders the perimeter of these two bundles to guide the vapors from one end to the other. These vapors condense and during the flow between the chambers, there is a reduction in volume. Reducing the cross section between the chambers provides an optimized speed, the speed required for heat treatment and material transfer in the case of operation "two-phase condensation" by means of a minimal pressure drop. The more pressure loss is created, the lower the condensation temperature of the condensable component in the presence of non-condensable components in the state of temperature and pressure, and

donc on perd de l'efficacité.so we lose efficiency.

Les avantages ressortent bien de la description pour répondre aux The advantages are apparent from the description to meet the

différents buts recherchés précédemment rappelés. different goals sought previously recalled.

Claims

CLAIMS -1- plate heat exchanger providing the condenser function of the type comprising two bundles (F1, F2) of parallel flat chambers defining a plate structure, installed in a chamber (E) forming a cylindrical shell (E) and arranged in opposition being capable of integrating one into the other, a structure (S) in the form of sheath bordering the perimeter of the two beams, being secured internally to the calender to guide from one end to another the vapors, characterized in that the chambers of at least one bundle (F2) are of varying thickness over a plurality of lengths (L1, L2, L3) defining with the profile of the chambers of the other bundle (F1) different steam sections. to obtain an optimized speed necessary for heat transfer and transfer of material in the case of operation and condensation

1 5 biphasic by means of a minimal pressure drop.

-2- heat exchanger according to claim 1, characterized in that the enclosure (E) is composed of: a shell (1), a steam inlet pipe (2), an outlet pipe steam (3), a condensate discharge pipe (4), connecting flanges (5-5 ') (6-6'), a welded disk (7) and a structure (S ), and in that said structure (S) is connected to the ferrule (1) via a disc (7), and in this connection of the beam (Fl) to the enclosure (E) is made by all the flanges (5) (5 '), the beam (F2) is connected to the enclosure (E) by all the flanges (6) and (6'),

-3- Heat exchanger according to any one of claims 1 and 2 ,,

characterized in that the structure (S) guiding the vapor in the enclosure from the rear to the front., by forcing the vapor to circulate in the bundles (F1 and F2) consists of two vertical flat plates (8, 9) and two horizontal flat plates (10, 11), and in that these four plates are welded to the disk (7) and form a box, and in that the zone of entry of the steam is bordered by the disk (7) and the plates (8 and 9) and the

vapor outlet is bordered by the sheets (8, 9 and 11).

Heat exchanger according to any one of claims 1 to 3,

characterized in that the beams (F1 and F2) consist of chambers, made by stamped plates, welded two by two on three of their four sides, these chambers being separated from each other in pairs and assembled in the form of a parallelepiped , and in that they realize a set of rectangular channels constituting the passage section steam side, and in that the chambers are assembled together by one of their two ends, and the open side of these said chambers, and that

said beam chambers (F2) are of variable thickness.

-5- Heat exchanger according to claim 4, characterized in that on the first length (L2) of the beam chambers (F2), the thickness of the chambers (ep2) is the lowest, on the second length (L3) , the thickness

chambers (ep3) is greater than (ep2).

-6- Heat exchanger according to any one of claims 4 and 5

characterized in that the two bundles arranged one inside the other impose three vapor sections, the latter entering the largest section and then circulating in decreasing sections, and in that the first section of passage (S1) is defined by the beam (F1) over a length (L1), the spacing between plates (el) is that of the beam (F1), the second passage section (S2) narrower than (S1) is defined by the beams (F1 and F2) over a length (L2), the third passage section (S3) narrower than (S2) is defined by the beams

(F 1 and F 2) over a length (L 3).

Heat exchanger according to any one of claims 1 to 6,

characterized in that the number of sections and lengths of the chambers of the

beam (F2) are established depending on the characteristics of the exchanger.

Heat exchanger according to one of claims 1 to 7

characterized in that the beam chamber profiles can be variable section assemblies in a combination of additional number and length according to the requirements of the selected exchanger.