WO2004106833A1 - Echangeur de chaleur cryogene/eau et application a la fourniture de gaz a un groupe de puissance embarque dans un vehicule - Google Patents

Echangeur de chaleur cryogene/eau et application a la fourniture de gaz a un groupe de puissance embarque dans un vehicule Download PDF

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Robert Moracchioli
Pierre Briend
Véronique GRABIE
Jacques Chabanne
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L'air Liquide, Societe Anonyme A Directoire Et Conseil De Surveillance Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to cryogenic / water heat exchangers, intended for heating and / or vaporizing a cryogenic fluid at very low temperature with water, of the type comprising a water circuit having an inlet and an outlet and a circuit for cryogen having an inlet and an outlet, the circuits comprising parallel exchange portions separated by partitions.
  • the object of the present invention is to provide an efficient, compact heat exchanger structure which does not present any risk of malfunction due to freezing or the formation of ice cubes in the water circuit.
  • each exchange portion of the cryogen circuit has an inlet passage of reduced section opening into an area of enlarged section, the exchange portion of the water circuit having a substantially constant section corresponding to said enlarged section of the exchange portion of the cryogen circuit.
  • the inlet passage has at least one downstream part with a flared profile.
  • the inlet passage is substantially centered on the longitudinal axis of the exchange portion.
  • the ratio between the minimum section of the inlet passage and the enlarged section of the exchange portion of the cryogen circuit is between 10 and 50%, typically between 20 and 30%.
  • the exchange portions are delimited by adjoining plates, made of thin stainless steel, typically less than 2.50. mm, advantageously less than 2 mm.
  • the inlet passages open into a cryogen distribution pipe extending into a water distribution box closing this side of the exchanger.
  • the present invention also relates to an application of this exchanger for the supply of gaseous hydrogen to a power generator of a motor vehicle, for example a heat engine and / or a fuel cell with a proton exchange membrane.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the plates of the exchanger of Figure 1 showing the configurations of the exchange portions of the cryogen and water circuits;
  • Figure 3 is a cross-sectional view along the cutting plane 3/3 of Figure 1.
  • the heat exchanger comprises an exchange block, generally designated by the reference 1, constituted by an assembly of adjoining plates, as will be seen below, defining portions of parallel co-current exchange circuits between a cryogen distributor 2 and a heated cryogen outlet manifold 3, on the one hand, and a heater water distributor 4 and a water outlet manifold 5 .
  • each portion of the exchange circuit is defined between two solid plates 6 by perforated plates or half-plates 7c for the cryogen circuit and 7th for the water circuit.
  • the plates 7e of the water circuit define a passage of substantially constant width £ while the plates 7c define passages 9 with an evolving profile, with an inlet passage 9a of reduced section flaring in a main passage of width I identical to that of the water passages 8.
  • the inlet passage 9a is centered on the longitudinal axis of the passage 9 (the longitudinal axes of the passages 8 and 9 being advantageously coplanar).
  • the extremely cold zone of the portion of the cryogen exchange circuit constituted by the inlet passage zone 9a, has a reduced width, typically less than 50% of the nominal width I, advantageously greater than 10% of the latter, preferably between 20 and 30% of the latter, so that the water arriving cocurrently in the inlet portion of the passage 8 absorbs the maximum of frigories in a central portion itself centered on the inlet passage 9a but projecting slightly laterally from the latter due to the large temperature gradients on either side of this zone provided by the area of the plates.
  • a small block of ice 10 occupying only a central part of the width of the passage 8 and never preventing circulation, on both sides.
  • Another of the water flow as shown by the two arrows in Figure 2, causing only a small pressure drop in the water circuit.
  • the plates 6 and 7 are typically produced by stamping 316 L or 304 L stainless steel sheets of a thickness less than 2 mm for the water circuit and not more than 1 mm for the cryogen circuit .
  • the H2L cryogen arrives in the distributor 2 at a temperature of the order of -250 ° C, typically under a pressure between 1 to 10 bar absolute, with a flow rate of less than 5 g per second.
  • the plates 7c have a thickness of approximately 0.5 mm
  • the plates 7e a thickness of approximately 2 mm
  • the plates 6 a thickness of approximately 0.6 mm.
  • the exchange block 1 is produced by joining a plurality of plates 6,7c and 7e against each other and by assembling them by welding of their external lateral edges.
  • the water coming from the radiator of the vehicle's thermal engine, enters the inlet distributor 4 at a temperature below 110 ° C., typically between 60 and 80 ° C., and exits at a slightly lower temperature of the collector 5, the gaseous hydrogen leaving the collector 3 at a temperature slightly lower than that of the water, of the order of 50 to 60 ° C.
  • an electric heater 11 is advantageously provided in the collector 3.
  • the cryogen supply distributor 2 here consists of a gutter welded to the lower edges of the plates 6 and 7. Similarly, the gaseous cryogen is recovered, at the outlet of the passage 9, in a gutter 12 welded to the edges upper plates and welded along an upper generator to the outlet manifold 3 with which it communicates by facing openings 13 formed in the contacting areas.
  • a box 15 forming the water distributor 4 closes the bottom side of the exchange block 1, while a box 16 forming the water outlet manifold 5 closes the top side of the exchange block.

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Abstract

L'échangeur, avantageusement du type à plaques, comporte des portions d'échange parallèles à co-courant (8,9), la portion d'échange pour l'eau (8) ayant une section sensiblement constante, alors que la section d'échange (9) pour le cryogène comporte une portion d'entrée de section réduite (9a) permettant de focaliser sur un petit volume la formation éventuelle de glace (10) dans le passage d'eau (8) sans jamais provoquer l'occlusion de ce dernier. Application notamment à la fourniture à un dispositif générateur de puissance embarqué dans un véhicule d'hydrogène gazeux stocké sous forme liquide.

Description

Echanqeur de chaleur crvogène/eau et application à la fourniture de gaz à un groupe de puissance embarqué dans un véhicule
La présente invention concerne les échangeurs de chaleur cryogène/eau, destinés à réchauffer et/ou vaporiser un fluide cryogénique à très basse température par de l'eau, du type comprenant un circuit d'eau ayant une entrée et une sortie et un circuit de cryogène ayant une entrée et une sortie, les circuits comprenant des portions d'échange parallèles séparées par des cloisons.
L'utilisation de l'eau pour chauffer un fluide cryogénique est intéressante économiquement mais pose problème dans les échangeurs compacts dans la mesure où l'eau, même mélangée avec une composition antigel, présente des risques de formation de glace importants en raison de la très basse température du fluide cryogénique, tout bouchon de glace provoquant des disfonctionnements graves immédiats dans l'échangeur et dans l'installation utilisatrice aval.
La présente invention a pour objet de proposer une structure d'échangeur de chaleur efficace, compact et ne présentant pas de risque de disfonctionnement dus au gel ou à la formation de glaçons dans le circuit d'eau.
Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, chaque portion d'échange du circuit de cryogène comporte un passage d'entrée de section réduite débouchant dans une zone de section élargie, la portion d'échange du circuit d'eau ayant une section sensiblement constante correspondant à ladite section élargie de la portion d'échange du circuit du cryogène.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
Le passage d'entrée présente au moins une partie aval à profil évasé.
Le passage d'entrée est sensiblement centré sur l'axe longitudinal de la portion d'échange.
Le rapport entre la section minimum du passage d'entrée et la section élargie de la portion d'échange du circuit de cryogène est compris entre 10 et 50%, typiquement entre 20 et 30%.
Les portions d'échange sont délimitées par des plaques accolées, en acier inoxydable de faibles épaisseurs, typiquement inférieures à 2,50. mm, avantageusement inférieures à 2 mm. Les passages d'entrée débouchent dans une tubulure de distribution de cryogène s'étendant dans une boîte de distribution d'eau fermant ce côté de l'échangeur.
La présente invention a également pour objet une application de cet échangeur pour la fourniture d'hydrogène gazeux à un générateur de puissance d'un véhicule automobile, par exemple un moteur thermique et/ou une pile à combustible à membrane échangeuse de protons.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels :
- La Figure 1 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un échangeur de chaleur selon l'invention ;
- La Figure 2 est une vue en perspective éclatée des plaques de l'échangeur de la Figure 1 montrant les configurations des portions d'échange des circuits de cryogène et d'eau ; et
- La Figure 3 est une vue en coupe transversale selon le plan de coupe 3/3 de la Figure 1.
Comme représenté de façon schématique sur la Figure 1 , l'échangeur de chaleur selon l'invention comprend un bloc d'échange, désigné généralement par la référence 1, constitué par un assemblage de plaques accolées, comme on le verra plus loin, définissant des portions de circuits d'échange parallèle à co- courant entre un distributeur de cryogène 2 et un collecteur de sortie de cryogène chauffé 3, d'une part, et un distributeur d'eau de réchauffe 4 et un collecteur de sortie d'eau 5.
Selon un aspect de l'invention, comme on le voit mieux sur les Figures 2 et 3, chaque portion de circuit d'échange est définie entre deux plaques pleines 6 par des plaques ou demi-plaques ajourées 7c pour le circuit du cryogène et 7e pour le circuit d'eau.
Selon un aspect de l'invention, les plaques 7e du circuit d'eau définissent un passage de largeur £ sensiblement constante tandis que les plaques 7c définissent des passages 9 à profil évolutif, avec un passage d'entrée 9a de section réduite s'évasant dans un passage principal de largeur I identique à celle des passages 8 d'eau. Le passage d'entrée 9a est centré sur l'axe longitudinal du passage 9 (les axes longitudinaux des passages 8 et 9 étant avantageusement coplanaires).
Avec un tel agencement, comme illustré sur la figure 2, la zone extrêmement froide de la portion de circuit d'échange de cryogène, constituée par la zone de passage d'entrée 9a, présente une largeur réduite, typiquement inférieure à 50% de la largeur nominale I, avantageusement supérieure à 10% de cette dernière, de préférence entre 20 et 30% de cette dernière, de sorte que l'eau arrivant à co-courant dans la portion d'entrée du passage 8 absorbe le maximum de frigories dans une portion centrale elle-même centrée sur le passage d'entrée 9a mais débordant peu latéralement de cette dernière en raison des forts gradients de température de part et d'autre de cette zone assurés par la superficie des plaques. Ainsi, dans les conditions les plus défavorables, se forme-t-il tout au plus un petit bloc de glace 10 n'occupant qu'une partie centrale de la largeur du passage 8 et n'empêchant jamais la circulation, de part et d'autre du flux d'eau, comme représenté par les deux flèches sur la Figure 2, en ne provoquant qu'une faible perte de charge dans le circuit d'eau.
Les plaques 6 et 7 sont typiquement réalisées par estampage de tôles d'acier inoxydable 316 L ou 304 L d'une épaisseur inférieure n'excédant pas 2 mm pour le circuit d'eau et n'excédant pas 1 mm pour le circuit de cryogène.
Dans une application particulière, convenant à la vaporisation d'hydrogène liquide embarqué dans un véhicule automobile pour l'alimentation d'un groupe de puissance de ce dernier, le cryogène H2L arrive dans le distributeur 2 à une température de l'ordre de -250 °C, typiquement sous une pression comprise entre 1 à 10 bars absolus, avec un débit inférieur à 5 g par seconde. Dans ces conditions, les plaques 7c ont une épaisseur d'environ 0,5 mm, les plaques 7e une épaisseur d'environ 2 mm et les plaques 6 une épaisseur d'environ 0,6 mm. Le bloc d'échange 1 est réalisé en accolant une pluralité de plaques 6,7c et 7e les unes contre les autres et en les assemblant par soudage de leurs bords latéraux externes. Dans ce type d'application, l'eau, en provenance du radiateur du moteur thermique du véhicule, pénètre dans le distributeur d'entrée 4 à une température inférieure à 110°C, typiquement entre 60 et 80°C, et ressort à une température légèrement inférieure du collecteur 5, l'hydrogène gazeux sortant du collecteur 3 à une température légèrement inférieure à celle de l'eau, de l'ordre de 50 à 60°C. Pour maintenir une température d'hydrogène gazeux dans cette plage, même dans des conditions atmosphériques de grand froid, on prévoit avantageusement un réchauffeur électrique 11 dans le collecteur 3.
Dans un mode de réalisation particulier représenté sur la figure 3, on reconnaît la portion d'échange 9 du circuit d'hydrogène entre les plaques 7c avec, ici, un passage d'entrée 9a à section progressive en forme de V débouchant directement dans la partie principale de section élargie du passage 9.
Le distributeur d'amenée du cryogène 2 est ici constitué d'une gouttière soudée sur les bords inférieurs des plaques 6 et 7. De façon similaire, le cryogène gazeux est récupéré, en sortie du passage 9, dans une gouttière 12 soudée sur les bords supérieurs des plaques et soudées le long d'une génératrice supérieure au collecteur de sortie 3 avec lequel elle communique par des ouvertures en regard 13 formées dans les zones en contact.
Les faces latérales, soudées entre elles, des plaques 6 et 7 sont recouvertes d'une tôle de protection 14. Une boîte 15 formant le distributeur d'eau 4 ferme le côté bas du bloc d'échange 1, tandis qu'une boîte 16 formant le collecteur de sortie d'eau 5 ferme le côté haut du bloc d'échange.
Quoique l'invention ait été décrite avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims

REVENDICATIONS
1. Echangeur de chaleur cryogène/eau comprenant un circuit d'eau ayant une entrée et une sortie, et un circuit de cryogène ayant une entrée et une sortie, lesdits circuits comprenant des portions d'échange parallèles séparées par des cloisons, caractérisé en ce que chaque portion d'échange (9) du circuit de cryogène comporte un passage d'entrée (9a) de section réduite débouchant dans une zone de section élargie (I), la portion d'échange (8) du circuit d'eau ayant une section sensiblement constante (I) correspondant à ladite section élargie.
2. Echangeur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le passage d'entrée (9a) présente au moins une partie aval à un profil évasé.
3. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le passage d'entrée (9a) est sensiblement centré sur l'axe longitudinal de la portion d'échange.
4. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre la section minimum du passage d'entrée (9a) et la section élargie {£) est compris entre 10 et 50%.
5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit rapport est compris entre 20 et 30%.
6. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les portions d'échange (8,9) sont délimitées par des plaques (7c, 7e).
7. Echangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les plaques (7c, 7e) ont une épaisseur n'excédant pas 2,5 mm.
8. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les plaques (7c) délimitant latéralement les portions d'échange (9) du circuit cryogène est inférieur à 1 mm.
9. Echangeur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les plaques (7c, 7e) sont soudées les unes aux autres par leurs bords externes.
10. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les passages d'entrée (9a) débouchent dans une tubulure (2) de distribution de cryogène s'étendant dans une boîte de circulation d'eau (4) fermant ce côté de l'échangeur.
11. Application d'un échangeur selon l'une des revendications précédentes à la fourniture de gaz à un générateur de puissance embarqué dans un véhicule.
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