WO2014044955A1 - Échangeur de chaleur et ensemble d'échangeurs destiné a la distillation d'air comprenant de tels échangeurs de chaleur - Google Patents

Échangeur de chaleur et ensemble d'échangeurs destiné a la distillation d'air comprenant de tels échangeurs de chaleur Download PDF

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WO2014044955A1
WO2014044955A1 PCT/FR2013/052109 FR2013052109W WO2014044955A1 WO 2014044955 A1 WO2014044955 A1 WO 2014044955A1 FR 2013052109 W FR2013052109 W FR 2013052109W WO 2014044955 A1 WO2014044955 A1 WO 2014044955A1
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WO
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primary
heat exchanger
envelope
orifice
heat
Prior art date
Application number
PCT/FR2013/052109
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English (en)
Inventor
Frédéric Crayssac
Marc Wagner
Original Assignee
L'air Liquide,Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Publication date
Application filed by L'air Liquide,Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude filed Critical L'air Liquide,Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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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
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    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04945—Details of internal structure; insulation and housing of the cold box
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    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0062—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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    • F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2270/00—Thermal insulation; Thermal decoupling

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger, for transferring heat from at least one primary fluid called caloric fluid to at least one secondary fluid called refrigerant. Furthermore, the present invention relates to a set of exchangers, for example for a cryogenic air distillation plant, comprising at least two such heat exchangers.
  • the present invention finds particular application in the field of air distillation by cryogenics. More generally, the present invention also finds application in the field of gas treatment to dissociate a gas mixture.
  • FR-A-2844040 describes a set of exchangers comprising two heat exchangers.
  • Each heat exchanger includes parallel plates that delineate passages for a heat sink fluid and a refrigerant, and spacer waves that extend between the plates.
  • the heat exchanger assembly comprises, on the one hand, primary collectors which allow the supply and the evacuation of the circulating fluid to and from the heat exchangers, and, on the other hand, secondary collectors which allow the supply and discharge of the refrigerant to and from the heat exchangers.
  • the heat exchanger assembly includes inlet boxes and outlet boxes that connect the primary manifolds and the secondary manifolds to the heat exchangers.
  • the thermal insulation structure generally comprises a metal frame supporting a double wall filled with a bulk insulating material, such as pearlite powder. This metal frame, this double wall and this insulating material are set up on the operating site of the exchanger assembly.
  • the thermal insulation structure is complex and therefore expensive.
  • the manufacture and assembly of the framework metal, double wall and insulating material are long and expensive.
  • the heat exchangers do not have individual thermal insulation, which causes thermal losses in the thermal insulation structure and which creates a risk. to cause a structure failure of a non-resilient material component in the event of leakage of cryogenic liquid.
  • the present invention aims to solve, in whole or in part, the problems mentioned above.
  • the subject of the invention is a heat exchanger, for transferring heat from at least one primary fluid called a heat transfer fluid to at least one secondary refrigerant fluid, the heat exchanger comprising at least:
  • the plates being arranged parallel to each other, the plates defining primary passages shaped for the flow of said at least one heat-generating fluid and secondary passages shaped for the flow of said at least one refrigerant;
  • the heat exchanger being characterized in that it further comprises a casing which comprises concrete and which generally covers the plurality of plates.
  • the concrete casing forms, for the heat exchanger, an individual and effective thermal insulation, because the concrete has a thermal conductivity of less than 5 W.m-1 .K-1.
  • thermo insulation of such a heat exchanger can be set up in the workshop, before the installation of the exchanger on its operating site.
  • the term "concrete” refers to a composite material comprising at least aggregates, for example natural mineral aggregates, such as sand and / or thermally minerals.
  • insulators perlite, vermiculite
  • calcium silicate xonolite nanofiber type
  • binder material for example cement.
  • the respective proportions of aggregates and binder can be adapted according to the physical properties required for the concrete, in particular in terms of thermal resistance and mechanical strength.
  • the term "cover” and its derivatives refers to covering almost completely a surface.
  • the envelope covers the plurality of plates, with the notable exception of the orifices for the entry and exit of fluids respectively in and out of the heat exchanger.
  • the envelope supports the mechanical stresses generated by the weight of the heat exchanger.
  • the envelope supports the stresses generated by its own weight and by the weight of the other components of the exchanger, in particular plates and spacers.
  • the heat exchanger is self-supporting, which eliminates the need to add a metal support structure during assembly on the operating site.
  • the concrete component of the envelope is vibrated concrete.
  • vibrated concrete provides a very strong mechanical strength for a given volume of concrete.
  • the concrete is a homogeneous mixture.
  • the envelope has isotropic mechanical characteristics, which simplifies its dimensioning.
  • the envelope is composed so as to have variable strength characteristics depending on the regions of the envelope, the concrete is preferably a heterogeneous mixture.
  • the dimensions of such an envelope can be optimized to constant weight, so for example to maximize the mechanical strength on the mechanical stress concentrations.
  • the envelope comprises reinforcements inserted in the concrete, preferably metal reinforcements, such as reinforcements, or glass fibers.
  • Such metal reinforcements can increase the mechanical strength of the envelope, without increasing its overall size.
  • the envelope is composed so as to have variable thermal insulation characteristics as a function of the regions of the envelope, the envelope preferably comprising inserted composites, such as perlite or vermiculite, locally in the envelope.
  • the composites may include perlite or vermiculite.
  • the dimensions of such an envelope can be optimized to constant weight, so for example to maximize the thermal insulation on heat concentrations and / or coldness concentrations.
  • the heat exchanger further comprises closing bars which are arranged at the periphery of the plates, closure bars delimiting fluid inlet windows and closure bars delimiting exit windows. of fluid.
  • closing bars make it possible to seal the primary and secondary passages and to support the plates.
  • the heat exchanger generally has the shape of a rectangular parallelepiped, whose length is greater than 3 m, whose width is greater than 1 m and whose height is greater than 1 m.
  • a parallelepipedal shape and such dimensions allow to define primary and secondary passages ensuring efficient heat transfer, particularly in a cryogenically air distillation installation.
  • the envelope has:
  • each primary orifice passing through the envelope so as to open on two external faces of the envelope, each primary orifice being in fluid communication with respective primary passages, so that a circulating fluid can enter the heat exchanger by at least a first primary orifice and a heat transfer fluid can exit the heat exchanger by at least a second primary orifice; and at least two secondary orifices, each secondary orifice passing through the envelope so as to open on two external faces of the envelope, each secondary orifice being in fluid communication with respective secondary passages, so that a refrigerant can enter into the heat exchanger by at least a first secondary orifice and that a refrigerant can exit the heat exchanger through at least a second secondary orifice.
  • a first and a second primary orifice respectively fulfill the functions of inlet manifold and outlet manifold for the circulating fluid.
  • a first and a second secondary orifices respectively fulfill the functions of inlet manifold and outlet manifold for the refrigerant.
  • the inlet manifolds and the outlet manifolds are particularly simple to implement in the heat exchanger object of the present invention, because these collectors can be directly derived from the casting or molding of the concrete belonging to the envelope.
  • the primary and secondary ports are in fluid communication with the primary and secondary ports, respectively, these primary and secondary ports dispense with the provision of input boxes and output boxes, which are required to connect the drains. input and output to a heat exchanger of the prior art.
  • the casing has at least two primary orifices passing through the casing so as to open on two external faces of the casing, and at least two secondary orifices passing through the casing so as to open on the casings. same external faces of the envelope.
  • the primary and secondary orifices can ensure the entry and exit of a heat transfer fluid and a refrigerant.
  • the heat exchanger further comprises at least one sleeve covering the walls of a primary orifice or a secondary orifice.
  • a sleeve makes it possible to guarantee the tightness of the primary and secondary orifices.
  • such a sleeve contributes to define the molding footprint or the formwork for the molding of concrete.
  • said at least one sleeve consists of a casing or a sealing coating (usually designated by the English terrme "liner") composed of a metallic material or a synthetic polymer .
  • a casing or such a liner makes it possible to fulfill the functions of a concrete mold or a packer.
  • the primary orifices are arranged so as to open on two opposite external faces of the envelope, the primary orifices extending preferably rectilinearly; and the secondary orifices are arranged to open on the two opposite external faces of the envelope, the secondary orifices preferably extending rectilinearly.
  • each primary orifice has the overall shape of a cylinder truncated by a primary truncation plane which is parallel to the generatrices of the cylinder and which borders the plurality of plates, the cylinder preferably having a base circular;
  • each secondary port has generally the shape of a cylinder truncated by a secondary truncation plane which is parallel to the generatrices of the cylinder and which borders the plurality of plates, the cylinder preferably having a circular base.
  • each primary orifice has a generally frustoconical shape, instead of a shape. cylindrical.
  • a generally frustoconical shape makes it possible to optimize the distribution of fluid.
  • the envelope has:
  • a primary protuberance which has an annular shape and which extends around said at least one primary orifice
  • a primary groove which has an annular shape and which extends around said at least one primary orifice and which has a shape complementary to the primary protuberance;
  • a secondary protuberance which has an annular shape and which extends around said at least one secondary orifice
  • a secondary groove which has an annular shape and which extends around said at least one secondary orifice and which has a shape complementary to the secondary protuberance.
  • annular designates a closed contour, of circular or non-circular geometry.
  • each of the connected primary orifices forms a section of a primary collector duct in which the circulating fluid can flow.
  • each of the connected secondary orifices forms a section of a secondary collection duct in which the refrigerant can flow.
  • each protuberance, primary or secondary, and each groove, primary or secondary may have generally a cylindrical shape or a conical shape.
  • the cross section of a primary orifice is greater than the cross section of a secondary orifice.
  • the primary fluid flow rate may be larger than the secondary fluid flow rate, which ensures proper distribution of the primary and secondary fluids.
  • the subject of the present invention is a set of exchangers, intended for example for an air distillation installation by cryogenics, the set of exchangers comprising:
  • At least two heat exchangers according to the invention, said at least two heat exchangers being two by two juxtaposed;
  • connecting means for connecting two heat exchangers juxtaposed so that their respective primary passages are in fluid communication and their respective secondary passages are in fluid communication.
  • such a set of exchangers is particularly fast and economical to manufacture and install on its operating site.
  • it provides effective thermal insulation and reliable sealing for heat exchangers.
  • the verbs "to connect”, “to connect”, “to connect”, “to feed” and their derivatives relate to the communication of fluid, that is to say to the flow of fluid, between two elements distant, by means of a direct or indirect link, that is to say by means of none, of one or more component (s).
  • fluid designates everything that can flow in a circuit by natural or forced convection.
  • fluid refers to any product formed by a gas, a liquid, a mixture of liquid and gas.
  • the heat exchangers are of the aforementioned type with primary orifices and secondary orifices, and in which the connection means are formed by the respective primary orifices which substantially coincide and by the respective secondary orifices which coincide. substantially.
  • the heat exchangers are two by two juxtaposed along complementary external faces defined on their respective envelopes.
  • the heat exchanger assembly is compact because the heat exchangers are juxtaposed at any point on their complementary faces.
  • the heat exchangers are of the aforementioned type with primary and secondary orifices opening on two opposite external faces; the heat exchanger assembly further comprising at least one gasket which is composed of material which is difficult to burn in the presence of oxygen under the operating conditions of the heat exchanger and which is arranged between two heat exchangers juxtaposed and around at least one primary orifice and / or at least one secondary orifice.
  • a material which is difficult to burn in the presence of oxygen under the operating conditions of the heat exchanger is usually described as an "oxygen-compatible" material.
  • Such a seal can seal the fluids of the exchanger assembly, under a standard operating pressure between 1 bar A and 4 bar A.
  • the seal is composed of an organic material, the organic material being preferably selected from the group consisting of a polyurethane and an adhesive.
  • the set of exchangers according to the invention comprises at least two superimposed heat exchangers on respective faces which are devoid of primary orifice and secondary orifice.
  • Such a set of exchangers can be very compact, with juxtaposed heat exchangers and superimposed heat exchangers.
  • the concrete shell of a heat exchanger may have sufficient mechanical strength to support the weight of a superimposed heat exchanger.
  • the heat exchanger assembly further comprises a primary common collector and a secondary common collector which are arranged to connect two stages of heat exchangers between them, the common primary and secondary collectors. preferably being formed independently of the heat exchangers.
  • the set of exchangers according to the invention further comprises at least one intermediate panel which is made of concrete and which is interposed between two heat exchangers juxtaposed. Thus, such an intermediate panel facilitates the assembly of heat exchangers.
  • the heat exchanger assembly according to the invention further comprises at least one closure panel which is made of thermally insulating material, preferably made of concrete, and which is arranged on a respective side of the set of exchangers.
  • Such a closure panel is used to close and seal the set of exchangers.
  • Figure 1 is a sectional view, along a plane I in Figure 2, a heat exchanger according to one embodiment of the invention
  • Figure 2 is a sectional view, along the plane II in Figure 1, of a portion of an exchanger assembly according to one embodiment of the invention and comprising the heat exchanger of Figure 1;
  • Figure 3 is an enlarged view of detail III in Figure 1;
  • Figure 4 is an enlarged view of Detail III in Figure 2;
  • Figure 5 is a sectional view along the plane V in Figure 6, the exchanger assembly of Figure 2;
  • FIG. 6 is a sectional view along plane VI in FIG. 5 of the exchanger assembly of FIG. 5.
  • FIG. 1 illustrates a set of exchangers 1 which is intended for a cryogenic air distillation plant, for the purpose of producing oxygen and dinitrogen.
  • the heat exchanger assembly 1 comprises a plurality of heat exchangers, three of which are visible in FIG. 2 with the references 20, 40 and 60.
  • the heat exchanger 20 serves in particular to transfer the heat exchanger. heat of a primary fluid said circulating fluid to a secondary fluid called refrigerant.
  • the heat exchangers 20, 40 and 60 are two by two juxtaposed. Since the heat exchangers 20, 40 and 60 are similar, the description of the heat exchanger 20 made hereinafter with reference to FIGS. 1 to 4 can be transposed to the heat exchangers 40 and 60.
  • the heat exchanger 20 comprises a plurality of plates 21 arranged parallel to each other and to a direction X.
  • the plates 21 delimit unrepresented primary passages that are shaped for the flow of the circulating fluid.
  • the plates 21 also delimit unrepresented secondary passages which are shaped for the flow of the refrigerant.
  • Each plate 21 has the overall shape of a rectangle, extending vertically when the heat exchanger 20 is in use.
  • the heat exchanger 20 has the overall shape of a rectangular parallelepiped.
  • the length L20 of the heat exchanger 20 is about 6 m.
  • the width W20 of the heat exchanger 20 is about 2 m.
  • the height H20 of the heat exchanger 20 is about 2 m.
  • the length L20 is measured parallel to the flow direction of the refrigerant in the secondary passages; the width W20 is measured, in the plane of a plate 21, perpendicularly to the flow direction of the refrigerant in the secondary passages.
  • the height H20 of the heat exchanger 20 is measured in the stacking direction of the plates 21.
  • the heat exchanger 20 further comprises unrepresented closing bars which are arranged at the periphery of the plates 21. Closure bars delimit unrepresented fluid inlet windows. Other closure bars del mimit unrepresented fluid exit windows.
  • the heat exchanger 20 further comprises unrepresented heat exchange spacers which extend between the plates 21 and which are substantially wave-shaped.
  • heat exchange spacers are known for example from FR-A-2844040.
  • the heat exchanger 20 further comprises an envelope 22 which comprises concrete and which generally covers the plurality of plates 21.
  • the envelope 22 has the overall shape of a rectangular parallelepiped. The dimensions of the casing 22 are greater than the dimensions of the heat exchanger 20.
  • the envelope 22 withstands the mechanical stresses generated by the weight of the heat exchanger 20.
  • the envelope 22 here comprises metal reinforcements formed by not shown reinforcement and inserted into the concrete of the envelope 22.
  • the casing 22 has two primary orifices 24.1 and 24.2 and two two secondary orifices 26.1 and 26.2.
  • Each primary orifice 24.1 or 24.2 is in fluid communication with respective primary passages.
  • each secondary port 26.1 or 26.2 is in fluid communication with respective secondary passages.
  • each primary orifice 24.1 or 24.2 passes through the envelope 22 so as to open on two external faces 22 1 and 22.2 of the envelope 22, so that circulating fluid can enter the envelope 22.
  • heat exchanger 20 through a first primary orifice 24.1 and out of the heat exchanger 20 through the second primary orifice 24.2.
  • each secondary orifice 26.1 or 26.2 passes through the envelope so as to open here on the same external faces 22.1 and 22.2 of the envelope 22, so that the refrigerant can enter the heat exchanger 20 by a first secondary orifice 26.1 and exit the heat exchanger 20 through the second secondary orifice 26.2.
  • the primary orifices 24.1 and 24.2 extend rectilinearly between the two outer faces 22.1 and 22.2, which are substantially opposite, therefore parallel to each other.
  • the secondary orifices 26.1 and 26.2 extend rectilinearly between the same external faces opposite 22.1 and 22.2. In the example of the figures, the secondary orifices 26.1 and 26.2 extend parallel to the primary orifices 24.1 and 24.2.
  • Each primary orifice 24.1 or 24.2 has generally the shape of a cylinder with circular base and truncated by a respective primary truncation plane P24.1 or P24.2 which is parallel to the generatrices of the cylinder and which borders the plurality of plates 21.
  • each secondary orifice 26.1 or 26.2 has the overall shape of a cylinder with a circular base and truncated by a respective secondary truncation plane P26.1 or P26.2 which is parallel to the generatrices of the cylinder and which borders the plurality of plates. 21.
  • the first and second primary orifices 24.1 and 24.2 are here directly derived from a molding of concrete belonging to the envelope 22, where their locations are reserved before molding.
  • the first and second primary orifices 24.1 and 24.2 respectively fulfill the functions of inlet manifold and outlet manifold for the heat transfer fluid.
  • the first and second secondary orifices 26.1 and 26.2 respectively fulfill the functions of inlet manifold and outlet manifold for the refrigerant.
  • the envelope 22 forms a pressure vessel for these primary and secondary collectors.
  • primary ports 24.1, 24.2 and secondary ports 26.1, 26.2 are respectively connected to the primary and secondary passages, these primary orifices 24.1, 24.2 and secondary ports 26.1, 26.2 dispense with the implementation of input boxes and output boxes, unlike of the prior art.
  • the cross section of a primary orifice 24.1 or 24.2, materialized is greater than the cross section of a secondary orifice 26.1 or 26.2.
  • the respective primary diameters D24.1 and D24.2 are greater than the respective secondary diameters D26.1 and D26.2.
  • the casing 22 has on its outer face 22.2 two primary protuberances 28.1 and 28.2.
  • Primary protuberances 28. 1 and 28 are annular forms and extend respectively around the primary orifices 24.1 and 24.2.
  • the envelope 22 On the other external face 22.1, the envelope 22 has two primary grooves 29.1 and 29.2.
  • the primary grooves 29.1 and 29.2 have shapes annular and they extend respectively around the primary orifices
  • the primary grooves 29.1 and 29.2 have shapes respectively complementary to the primary protuberances 28.1 and 28.2.
  • the casing 22 has on its outer face 22.2, a second primary protuberance which has an annular shape and which extends around the primary orifice 24.1.
  • the casing 22 On the other outer face 22.1, the casing 22 has a primary groove 29.1 which has an annular shape and which extends around a primary orifice 24.1.
  • the primary groove 29.1 has a shape complementary to the primary protuberance 28.1.
  • each primary protuberance 28.1 or 28.2 and each respective primary groove 29.1 or 29.2 generally has a cylindrical shape with a circular base.
  • each primary protrusion 28.1 or 28.2 can fit in a respective primary groove 29.1 or 29.2. These adjustments make it possible to connect the heat exchangers 20 and 40 similar and juxtaposed.
  • the envelope 22 has, on a first of the two outer faces 22.1 and 22.2, two secondary unrepresented protuberances, which have annular shapes and which respectively extend around the secondary orifices 26.1 or 26.2.
  • each secondary protrusion and each secondary groove generally has a cylindrical shape with a circular base.
  • the envelope 22 has, on the second of the two outer faces 22.1 and 22.2, two secondary grooves, not shown, which have annular shapes and which extend respectively around the secondary orifices 26 1 or 26.2 and which have forms complementary to secondary protuberances.
  • each secondary protuberance can fit, by interlocking, in a respective secondary groove.
  • These adjustments make it possible to connect the heat exchangers 20 and 40 similar and juxtaposed.
  • each of the secondary orifices forms a section of the secondary collection duct where the refrigerant can flow.
  • the assembly of the three heat exchangers 20, 40 and 60 forms a battery of heat exchangers.
  • the heat exchanger assembly 1 comprises twelve heat exchangers 20 + 40 + 60, 120 + 140 + 160, 220 + 240 + 260, 320 + 340 + 360 divided into four batteries having each three heat exchangers.
  • the heat exchangers 20-360 are two by two juxtaposed.
  • the heat exchanger assembly 1 further comprises connecting means for connecting two heat exchangers 20, 40 juxtaposed so that their respective primary passages are in fluid communication and that their respective secondary passages are in fluid communication.
  • connection means are formed by the respective primary orifices 24.1, 24.2 and equivalents which substantially coincide and by the respective secondary orifices 26.1, 26.2 and equivalents which substantially coincide.
  • the heat exchangers 20-360 are two by two juxtaposed along external faces 22.1, 22.2 and equivalents which are defined in a complementary manner on their respective envelopes 22 and equivalent.
  • heat exchangers 20-160 and 220-360 which are superimposed on respective faces devoid of primary orifice and secondary orifice.
  • the heat exchangers 20-160 and 220-360 are superimposed by the top face and the underside of the envelopes of the respective heat exchangers.
  • each heat exchanger 20-160 here has sufficient mechanical strength to support the weight of a superimposed heat exchanger 220-360.
  • the heat exchanger 20-160 rest on a concrete slab 4 which supports the heat exchanger assembly 1.
  • the heat exchanger assembly 1 comprises a primary common collector January 1 and a secondary common collector 12.
  • the primary common collector January 1 and the secondary common collector 12 are arranged to connect between them two stages of heat exchangers. heat 20-1 60 and 220-360.
  • the primary manifolds primary 1 1 and secondary 12 are here formed independently heat exchangers 20-360.
  • the primary collectors primary 1 1 and secondary 12 have the function of allowing the flow of circulating refrigerant or refrigerant between stages of the heat exchanger assembly 1.
  • the heat exchanger assembly 1 further comprises intermediate panels 14 of concrete.
  • the intermediate panels 14 are interposed between two juxtaposed heat exchangers 20, 40, 60.
  • the heat exchanger assembly 1 further comprises closure panels 16, which are here made of concrete. Each closure panel 16 is disposed on a respective side of the exchanger assembly 1. Each closure panel 16 allows to close and seal the heat exchanger assembly 1, on a respective side.

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Abstract

Cet échangeur de chaleur (20) comporte des plaques (21) parallèles délimitant des passages primaires pour un fluide calorigène et des passages secondaires pour un fluide frigorigène, ainsi que des entretoises d'échange thermique en forme d'ondes s'étendant entre les plaques (21). L'échangeur de chaleur (20) comporte en outre une enveloppe (22)en béton recouvrant les plaques (21).

Description

ÉCHANGEUR DE CHALEUR ET ENSEMBLE D'ÉCHANGEURS DESTINÉ A LA DISTILLATION D'AIR COMPRENANT DE TELS
ÉCHANGEURS DE CHALEUR La présente invention concerne un échangeur de chaleur, pour transférer de la chaleur d'au moins un fluide primaire dit fluide calorigène vers au moins un fluide secondaire dit fluide frigorigène. Par ailleurs, la présente invention concerne un ensemble d'échangeurs, destiné par exemple à une installation de distillation d'air par cryogénie, comprenant au moins deux tels échangeurs de chaleur.
La présente invention trouve notamment application dans le domaine de la distillation d'air par cryogénie. Plus généralement, la présente invention trouve aussi application dans le domaine du traitement de gaz pour dissocier un mélange de gaz.
FR-A-2844040 décrit un ensemble d'échangeurs comprenant deux échangeurs de chaleur. Chaque échangeur de chaleur comprend des plaques parallèles qui délimitent des passages pour un fluide calorigène et pour un fluide frigorigène, et des ondes-entretoises qui s'étendent entre les plaques. L'ensemble d'échangeurs comporte, d'une part, des collecteurs primaires qui permettent l'amenée et l'évacuation du fluide calorigène vers et hors des échangeurs de chaleur, et, d'autre part, des collecteurs secondaires qui permettent l'amenée et l'évacuation du fluide frigorigène vers et hors des échangeurs de chaleur. De plus, l'ensemble d'échangeurs comporte des boîtes d'entrée et des boîtes de sortie qui raccordent les collecteurs primaires et les collecteurs secondaires aux échangeurs de chaleur.
En outre, un ensemble d'échangeurs de l'art antérieur nécessite une structure d'isolation thermique qui entoure l'ensemble d'échangeurs. La structure d'isolation thermique comprend généralement une charpente métallique supportant une double paroi emplie d'un matériau isolant en vrac, tel que de la poudre de perlite. Cette charpente métallique, cette double paroi et ce matériau isolant sont mis en place sur le site d'exploitation de l'ensemble d'échangeurs.
Cependant, la structure d'isolation thermique est complexe, donc coûteuse. En particulier, la fabrication et l'assemblage de la charpente métallique, de la double paroi et du matériau isolant sont longs et coûteux. En outre , d a n s u n tel en sem bl e d ' échangeurs de l'art antérieur, les échangeurs de chaleur n'ont pas d'isolation thermique individuelle, ce qui cause des pertes thermiques dans la structure d'isolation thermique et ce qui crée un risque de causer une rupture de structure d'un composant en matériau non résilient, en cas de fuite de liquide cryogénique.
I l est con n u de F R-A- 2692663 d'isoler une colonne de distillation fonctionnant à une température cryogénique au moyen d'une enceinte en béton. Or les échangeurs de chaleur de l'unité sont situés en dehors de cette enceinte.
La présente invention vise notamment à résoudre, en tout ou partie, les problèmes mentionnés ci-avant.
À cet effet, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur, pour transférer de la chaleur d'au moins un fluide primaire dit fluide calorigène vers au moins un fluide secondaire dit fluide frigorigène, l'échangeur de chaleur comportant au moins :
une pluralité de plaques, les plaques étant disposées parallèlement les unes aux autres, les plaques délimitant des passages primaires conformés pour l'écoulement dudit au moins un fluide calorigène et des passages secondaires conformés pour l'écoulement dudit au moins un fluide frigorigène ;
des entretoises d'échange thermique qui s'étendent entre les plaques et qui sont sensiblement en forme d'ondes ; et
l'échangeur de chaleur étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre une enveloppe qui comprend du béton et qui recouvre globalement la pluralité de plaques.
En d'autres termes, l'enveloppe en béton forme, pour l'échangeur de chaleur, une isolation thermique individuelle et efficace, car le béton a une conductivité thermique inférieure à 5 W.m-1 .K-1 .
Ainsi, l'isolant thermique d'un tel échangeur de chaleur peut être mis en place en atelier, avant l'installation de l'échangeur sur son site d'exploitation.
Dans la présente demande, le terme « béton » désigne un matériau composite comprenant au moins des granulats, par exemple des granulats minéraux naturels, tels que d u sable et/ou des minéraux thermiquement isolants (perlite, vermiculite), du silicate de calcium (type xonolithe nanofibres), et un matériau liant, par exemple du ciment. Les proportions respectives de granulats et de liant peuvent être adaptées en fonction des propriétés physiques requises pour le béton, notamment en termes de résistance thermique et de résistance mécanique.
Dans la présente demande, le terme « recouvrir » et ses dérivés désigne le fait de couvrir presque complètement une surface. Par exemple, l'enveloppe recouvre la pluralité de plaques, à l'exception notable des orifices destinés à l'entrée et à la sortie de fluides respectivement dans et hors de l'échangeur de chaleur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enveloppe supporte les contraintes mécaniques générées par le poids de l'échangeur de chaleur.
En d'autres termes, l'enveloppe supporte les contraintes générées par son poids propre et par le poids des autres composants de l'échangeur, notamment des plaques et des entretoises.
Ainsi, l'échangeur de chaleur est autoportant, ce qui dispense de lui ajouter une structure métallique de support lors de l'assemblage sur le site d'exploitation.
Selon une variante de l'invention, le béton composant l'enveloppe est du béton vibré. Ainsi, un tel béton vibré permet d'obtenir une résistance mécanique très forte pour un volume de béton donné.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le béton est un mélange homogène.
Ainsi, l'enveloppe a des caractéristiques mécaniques isotropes, ce qui simplifie son dimensionnement.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enveloppe est composée de façon à présenter des caractéristiques de résistance mécanique variables en fonction des régions de l'enveloppe, le béton étant de préférence un mélange hétérogène.
Ainsi, les dimensions d'une telle enveloppe peuvent être optimisées à poids constant, de façon par exemple à maximiser la résistance mécanique sur les concentrations de contraintes mécaniques. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enveloppe comprend des renforts insérés dans le béton, de préférence des renforts métalliques, tels que des ferraillages, ou des fibres de verre.
Ainsi, de tels renforts métalliques permettent d'augmenter la résistance mécanique de l'enveloppe, sans augmenter son encombrement global.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enveloppe est composée de façon à présenter des caractéristiques d'isolation thermique variables en fonction des régions de l'enveloppe, l'enveloppe comportant de préférence des composites insérés, tels que perlite ou de la vermiculite, localement dans l'enveloppe.
Les composites peuvent comprendre de la perlite ou de la vermiculite. Ainsi, les dimensions d'une telle enveloppe peuvent être optimisées à poids constant, de façon par exemple à maximiser l'isolation thermique sur des concentrations de chaleur et/ou sur des concentrations de froideur.
Selon une variante de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend en outre des barres de fermeture qui sont disposées en périphérie des plaques, des barres de fermeture délimitant des fenêtres d'entrée de fluide et des barres de fermeture délimitant des fenêtres de sortie de fluide. Ainsi, de telles barres de fermeture permettent d'étanchéifier les passages primaires et secondaires et de supporter les plaques.
Selon une variante de l'invention, l'échangeur de chaleur a globalement la forme d'un parallélépipède rectangle, dont la longueur est supérieure à 3 m, dont la largeur est supérieure à 1 m et dont la hauteur est supérieure à 1 m. Ainsi, une telle forme parallélépipédique et de telles dimensions permettent de définir des passages primaires et secondaires assurant un transfert de chaleur efficace, en particulier dans une installation de distillation d'air par cryogénie.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enveloppe présente :
au moins deux orifices primaires, chaque orifice primaire traversant l'enveloppe de façon à déboucher sur deux faces externes de l'enveloppe, chaque orifice primaire étant en communication de fluide avec des passages primaires respectifs, de sorte qu'un fluide calorigène peut entrer dans l'échangeur de chaleur par au moins un premier orifice primaire et qu'un fluide calorigène peut sortir de l'échangeur de chaleur par au moins un deuxième orifice primaire ; et au moins deux orifices secondaires, chaque orifice secondaire traversant l'enveloppe de façon à déboucher sur deux faces externes de l'enveloppe, chaque orifice secondaire étant en communication de fluide avec des passages secondaires respectifs, de sorte qu'un fluide frigorigène peut entrer dans l'échangeur de chaleur par au moins un premier orifice secondaire et qu'un fluide frigorigène peut sortir de l'échangeur de chaleur par au moins un deuxième orifice secondaire.
En d'autres termes, un premier et un deuxième orifices primaires remplissent respectivement les fonctions de collecteur d'entrée et de collecteur de sortie pour le fluide calorigène. De même, un premier et un deuxième orifices secondaires remplissent respectivement les fonctions de collecteur d'entrée et de collecteur de sortie pour le fluide frigorigène.
Ainsi, à la différence des échangeurs de chaleur de l'art antérieur, les collecteurs d'entrée et les collecteurs de sortie sont particulièrement simples à implémenter dans l'échangeur de chaleur objet de la présente invention, car ces collecteurs peuvent être directement issus de la coulée ou du moulage du béton appartenant à l'enveloppe.
De plus, comme les orifices primaires et secondaires sont en communication de fluide respectivement avec les passages primaires et secondaires, ces orifices primaires et secondaires dispensent d'implémenter des boîtes d'entrée et des boîtes de sortie, qui sont nécessaires pour raccorder les collecteurs d'entrée et de sortie à un échangeur de chaleur de l'art antérieur.
Selon une variante de l'invention, l'enveloppe a au moins deux orifices primaires traversant l'enveloppe de façon à déboucher sur deux faces externes de l'enveloppe, et au moins deux orifices secondaires traversant l'enveloppe de façon à déboucher sur les mêmes faces externes de l'enveloppe. Ainsi, les orifices primaires et secondaires peuvent assurer l'entrée et la sortie d'un fluide calorigène et d'un fluide frigorigène.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend en outre au moins un manchon recouvrant les parois d'un orifice primaire ou d'un orifice secondaire. Ainsi, un tel manchon permet de garantir l'étanchéité des orifices primaires et secondaires. De plus, un tel manchon contribue à définir l'empreinte de moulage ou le coffrage pour le moulage du béton.
Selon une variante de l'invention, ledit au moins un manchon est constitué d'un tubage ou d'un revêtement d'étanchéité (usuellement désigné par le terrme anglais « liner ») composé d'un matériau métallique ou d'un polymère synthétique. Ainsi, un tel tubage ou un tel liner permet de remplir les fonctions de moule à béton ou de garniture d'étanchéité.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les orifices primaires sont agencés de façon à déboucher su r deux faces externes opposées de l'enveloppe, les orifices primaires s'étendant de préférence de manière rectiligne ; et les orifices secondaires sont agencés de façon à déboucher sur lesd ites deux faces externes opposées de l'enveloppe, les orifices secondaires s'étendant de préférence de manière rectiligne.
Ainsi, un tel agencement des orifices primaires et secondaires permet de juxtaposer deux échangeurs de chaleur, de façon à raccorder entre eux les orifices primaires respectifs et les orifices secondaires respectifs des deux échangeurs de chaleur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque orifice primaire a globalement la forme d'un cylindre tronqué par un plan de troncature primaire qui est parallèle aux génératrices du cylindre et qui borde la pluralité de plaques, le cylindre ayant de préférence une base circulaire ; et
dans lequel chaque orifice secondaire a globalement la forme d'un cylindre tronqué par un plan de troncature secondaire qui est parallèle aux génératrices du cylindre et qui borde la pluralité de plaques, le cylindre ayant de préférence une base circulaire.
Ai n s i , de tel s cyl i nd res ont des parois courbes qui évitent les concentrations de contraintes mécaniques et/ou thermiques et qui limitent les pertes de charges. La communication de fluide entre un orifice primaire ou secondaire et des passages primaires ou secondaires se fait à travers le plan de troncature primaire.
Selon une alternative au mode de réalisation précédent, chaque orifice primaire a une forme globalement tronconique, au lieu d'une forme cylindrique. Ainsi, une telle forme globalement tronconique permet d'optimiser la distribution de fluide.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enveloppe présente :
sur une première des deux faces externes, une protubérance primaire qui a une forme annulaire et qui s'étend autour dudit au moins un orifice primaire ; et
sur la deuxième des deux faces externes, une gorge primaire qui a une forme annulaire et qui s'étend autour dudit au moins un orifice primaire et qui a une forme complémentaire à la protubérance primaire ;
et l'enveloppe présente :
sur une première des deux faces externes, une protubérance secondaire qui a une forme annulaire et qui s'étend autour dudit au moins un orifice secondaire ; et
sur la deuxième des deux faces externes, une gorge secondaire qui a une forme annulaire et qui s'étend autour dudit au moins un orifice secondaire et qui a une forme complémentaire à la protubérance secondaire.
Dans la présente demande, le terme « annulaire » désigne un contour fermé, de géométrie circulaire ou non circulaire.
Ainsi, la protubérance primaire peut s'ajuster dans la gorge primaire et la protubérance secondaire peut s'ajuster dans la gorge secondaire. Ces ajustements permettent de raccorder deux échangeurs de chaleur semblables et juxtaposés. Dans un ensemble d'échangeurs ainsi juxtaposés et raccordés, chacun des orifices primaires raccordés forme un tronçon d'un conduit collecteur primaire où peut s'écouler le fluide calorigène. De même, chacun des orifices secondaires raccordés forme un tronçon d'un conduit collecteur secondaire où peut s'écouler le fluide frigorigène.
Selon une variante de l'invention, chaque protubérance, primaire ou secondaire, et chaque gorge, primaire ou secondaire, peut avoir globalement une forme cylindrique ou une forme conique.
Selon une variante de l'invention, la section transversale d'un orifice primaire est supérieure à la section transversale d'un orifice secondaire. Ainsi, le débit de fluide primaire peut être plus grand que le débit de fluide secondaire, ce qui assure une distribution appropriée des fluides primaires et secondaires. Par ailleurs, la présente invention a pour objet un ensemble d'échangeurs, destiné par exemple à une installation de distillation d'air par cryogénie, l'ensemble d'échangeurs comprenant :
au moins deux échangeurs de chaleur selon l'invention, lesdits au moins deux échangeurs de chaleur étant deux à deux juxtaposés ; et
des moyens de raccordement pour raccorder deux échangeurs de chaleur juxtaposés de sorte que leurs passages primaires respectifs sont en communication de fluide et que leurs passages secondaires respectifs sont en communication de fluide.
Ainsi, un tel ensemble d'échangeurs est particulièrement rapide et économique à fabriquer et à installer sur son site d'exploitation. De plus, il assure une isolation thermique efficace et une étanchéité fiable pour les échangeurs de chaleur.
Dans la présente demande, les verbes « raccorder », « connecter », « relier », « alimenter » et leurs dérivés se rapportent à la communication de fluide, c'est-à-dire à l'écoulement de fluide, entre deux éléments distants, au moyen d'un lien direct ou indirect, c'est-à-dire par l'intermédiaire d'aucun, d'un ou de plusieurs composant(s).
Dans la présente demande, le terme « fluide » désigne tout pouvant s'écouler dans un circuit par convection naturelle ou forcée. En particulier, le terme « fluide » désigne tout produit formé par un gaz, par un liquide, un mélange de liquide et de gaz.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les échangeurs de chaleur sont du type précité avec orifices primaires et orifices secondaires, et dans lequel les moyens de raccordement sont formés par les orifices primaires respectifs qui coïncident substantiellement et par les orifices secondaires respectifs qui coïncident substantiellement.
Ainsi, de tels moyens de raccordement par coïncidence sont simples et compacts.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les échangeurs de chaleur sont deux à deux juxtaposés suivant des faces externes complémentaires définies sur leurs enveloppes respectives.
Ainsi, l'ensemble d'échangeurs est compact, car les échangeurs de chaleur se juxtaposent en tout point de leurs faces complémentaires. Selon une variante de l'invention, les échangeurs de chaleur sont du type précité avec des orifices primaires et secondaires débouchant sur deux faces externes opposées ; l'ensemble d'échangeurs comprenant en outre au moins un joint d'étanchéité qui est composé de matériau difficilement combustible en présence d'oxygène dans les conditions de service de l'échangeur de chaleur et qui est disposé entre deux échangeurs de chaleur juxtaposés et autour d'au moins un orifice primaire et/ou d'au moins un orifice secondaire.
Un matériau difficilement combustible en présence d'oxygène dans les conditions de service de l'échangeur de chaleur est usuellement qualifié de matériau « compatible oxygène ».
Ainsi, un tel joint d'étanchéité peut assurer l'étanchéité aux fluides de l'ensemble d'échangeurs, sous une pression de service usuelle comprise entre 1 bar A et 4 bar A.
Selon une variante de l'invention, le joint d'étanchéité est composé d'un matériau organique, le matériau organique étant de préférence sélectionné dans le groupe constitué d'un polyuréthane et d'une colle.
Selon une variante de l'invention , l'ensemble d'échangeurs selon l'invention comprend au moins deux échangeurs de chaleur superposés sur des faces respectives qui sont dépourvues d'orifice primaire et d'orifice secondaire.
Ainsi, un tel ensemble d'échangeurs peut être très compact, avec des échangeurs de chaleur juxtaposés et des échangeurs de chaleur superposés. L'enveloppe en béton d'un échangeur de chaleur peut avoir une résistance mécanique suffisante pour supporter le poids d'un échangeur de chaleur superposé.
Selon une variante du mode de réalisation précédent, l'ensemble d'échangeurs comprend en outre un collecteur commun primaire et un collecteur commun secondaire qui sont agencés de façon à raccorder entre eux deux étages d'échangeurs de chaleur, les collecteurs communs primaire et secondaire étant de préférence formés indépendamment des échangeurs de chaleurs. Ainsi, de tels collecteurs communs primaire et secondaire permettent l'écoulement de fluides calorigène ou frigorigène entre étages de l'ensemble d'échangeurs. Selon une variante de l'invention, l'ensemble d'échangeurs selon l'invention comprend en outre au moins un panneau intercalaire qui est en béton et qui est intercalé entre deux échangeurs de chaleur juxtaposés. Ainsi, un tel panneau intercalaire permet de faciliter l'assemblage des échangeurs de chaleur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble d'échangeurs selon l'invention comprend en outre au moins un panneau de fermeture qui est en matériau thermiquement isolant, de préférence en béton, et qui est disposé sur un côté respectif de l'ensemble d'échangeurs.
Ainsi, un tel panneau de fermeture permet de fermer et d'étanchéifier l'ensemble d'échangeurs.
Les modes de réalisation de l'invention et les variantes de l'invention mentionnés ci-avant peuvent être pris isolément ou selon toute combinaison techniquement possible.
La présente invention sera bien comprise et ses avantages ressortiront aussi à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
la figure 1 est une vue en section, suivant un plan I à la figure 2, d'un échangeur de chaleur conforme à un mode de réalisation l'invention ;
la figure 2 est une vue section, suivant le plan II à la figure 1 , d'une partie d'un ensemble d'échangeurs conforme à un mode de réalisation l'invention et comprenant l'échangeur de chaleur de la figure 1 ;
la figure 3 est une vue à plus grande échelle du détail III à la figure 1 ;
la figure 4 est une vue à plus grande échelle du détail III à la figure 2 ;
la figure 5 est une vue en section, suivant le plan V à la figure 6, de l'ensemble d'échangeurs de la figure 2 ; et
- la figure 6 est une vue en section, suivant le plan VI à la figure 5, de l'ensemble d'échangeurs de la figure 5.
Les figures 1 , 2, 3, 4, 5 et 6 illustrent un ensemble d'échangeurs 1 qui est destiné à une installation de distillation d'air par cryogénie, dans le but de produire du dioxygène et du diazote. Comme le montre la figure 2, l'ensemble d'échangeurs 1 comprend plusieurs échangeurs de chaleur dont trois sont visibles à la figure 2 avec les références 20 , 40 et 60. L'échangeur de chaleur 20 a notamment pour fonction de transférer de la chaleur d'un fluide primaire dit fluide calorigène vers un fluide secondaire dit fluide frigorigène.
Les échangeurs de chaleur 20, 40 et 60 sont deux à deux juxtaposés. Dans la mesure où les échangeurs de chaleur 20, 40 et 60 sont semblables, la description l'échangeur de chaleur 20 faite ci-après en référence aux figures 1 à 4 peut être transposée aux échangeurs de chaleur 40 et 60.
L'échangeur de chaleur 20 comporte une pluralité de plaques 21 disposées parallèlement les unes aux autres et à une direction X. Les plaques 21 délimitent des passages primaires non représentés qu i sont conformés pour l'écoulement du fluide calorigène. Les plaques 21 délimitent aussi des passages secondaires non représentés qui sont conformés pour l'écoulement du fluide frigorigène.
Chaque plaque 21 a globalement la forme d'un rectangle, s'étendant verticalement lorsque l'échangeur de chaleur 20 est en service. L'échangeur de chaleur 20 a globalement la forme d'un parallélépipède rectangle. La longueur L20 de l'échangeur de chaleur 20 est d'environ 6 m. La largeur W20 de l'échangeur de chaleur 20 est d'environ 2 m. La hauteur H20 de l'échangeur de chaleur 20 est d'environ 2 m.
Par convention, la longueur L20 est mesurée parallèlement à la direction d'écoulement du fluide frigorigène dans les passages secondaires ; la largeur W20 est mesurée, dans le plan d'une plaque 21 , perpendiculairement à la direction d'écoulement du fluide frigorigène dans les passages secondaires. La hauteur H20 de l'échangeur de chaleur 20 est mesurée suivant la direction d'empilement des plaques 21 .
L'échangeur de chaleur 20 comprend en outre des barres de fermeture non représentées qui sont disposées en périphérie des plaques 21 . Des barres de fermeture dél im itent des fenêtres d'entrée de fluide non représentées. D'autres barres de fermeture dél imitent des fenêtres de sortie de fluide non représentées.
L'échangeur de chaleur 20 comporte en outre des entretoises d'échange thermique non représentées qui s'étendent entre les plaques 21 et qui sont sensiblement en forme d'ondes. De telles entretoises d'échange thermique sont connues par exemple de FR-A-2844040.
L'échangeur de chaleur 20 comporte en outre une enveloppe 22 qui comprend du béton et qui recouvre globalement la pluralité de plaques 21 . L'enveloppe 22 a globalement la forme d'un parallélépipède rectangle. Les d i m e n s ion s d e l 'enveloppe 22 sont supérieures aux dimensions de l'échangeur de chaleur 20.
Dans l'exemple des figures, le béton est un mélange homogène. L'enveloppe 22 supporte les contraintes mécaniques générées par le poids de l'échangeur de chaleur 20. À cet effet, l'enveloppe 22 comprend ici des renforts métalliques formés par des ferraillages non représentés et insérés dans le béton de l'enveloppe 22.
Comme le montrent les figures 1 et 3, l'enveloppe 22 présente deux orifices primaires 24.1 et 24.2 et deux deux orifices secondaires 26.1 et 26.2. Chaque orifice primaire 24.1 ou 24.2 est en communication de fluide avec des passages primaires respectifs. De même, chaque orifice secondaire 26.1 ou 26.2 est en communication de fluide avec des passages secondaires respectifs.
Comme le montrent les figure 2 et 4, chaque orifice primaire 24.1 ou 24.2 traverse l'enveloppe 22 de façon à déboucher sur deux faces externes 22. 1 et 22.2 de l'enveloppe 22, de sorte que du fluide calorigène peut entrer dans l'échangeur de chaleur 20 par un premier orifice primaire 24.1 et sortir de l'échangeur de chaleur 20 par le deuxième orifice primaire 24.2.
De même, chaque orifice secondaire 26.1 ou 26.2 traverse l'enveloppe de façon à déboucher ici sur les mêmes faces externes 22.1 et 22.2 de l'enveloppe 22, de sorte que le fluide frigorigène peut entrer dans l'échangeur de chaleur 20 par un premier orifice secondaire 26.1 et sortir de l'échangeur de chaleur 20 par le deuxième orifice secondaire 26.2.
Les orifices primaires 24.1 et 24.2 s'étendent de manière rectiligne entre les deux faces externes 22.1 et 22.2, lesquelles sont sensiblement opposées, donc parallèles entre elles. De même, les orifices secondaires 26.1 et 26.2 s'étendent de man ière rectil igne entre les mêmes faces externes opposées 22.1 et 22.2. Dans l'exemple des figures, les orifices secondaires 26.1 et 26.2 s'étendent parallèlement aux orifices primaires 24.1 et 24.2.
Chaque orifice primaire 24.1 ou 24.2 a globalement la forme d'un cylindre à base circulaire et tronqué par un plan de troncature primaire respectif P24.1 ou P24.2 qui est parallèle aux génératrices du cylindre et qui borde la pluralité de plaques 21 .
De même, chaque orifice secondaire 26.1 ou 26.2 a globalement la forme d'un cylindre à base circulaire et tronqué par un plan de troncature secondaire respectif P26.1 ou P26.2 qui est parallèle aux génératrices du cylindre et qui borde la pluralité de plaques 21 .
Les premier et deuxième orifices primaires 24.1 et 24.2 sont ici directement issus d'un moulage du béton appartenant à l'enveloppe 22, où leurs emplacements sont réservés avant le moulage.
Les premier et deuxième orifices primaires 24.1 et 24.2 remplissent respectivement les fonctions de collecteur d'entrée et de collecteur de sortie pou r le fl u id e calorigène . De m êm e, les premier et deuxième orifices secondaires 26.1 et 26.2 remplissent respectivement les fonctions de collecteur d'entrée et de collecteur de sortie pour le fluide frigorigène. L'enveloppe 22 forme une enceinte sous pression pour ces collecteurs primaires et secondaires.
Comme les orifices primaires 24.1 , 24.2 et secondaires 26.1 , 26.2 sont raccordés respectivement aux passages primaires et secondaires, ces orifices primaires 24.1 , 24.2 et secondaires 26.1 , 26.2 dispensent d'implémenter des boîtes d'entrée et des boîtes de sortie, à la différence de l'art antérieur.
La section transversale d'un orifice primaire 24.1 ou 24.2, matérialisée est supérieure à la section transversale d'un orifice secondaire 26.1 ou 26.2. En l'occurrence, les diamètres primaires respectifs D24.1 et D24.2 sont supérieurs aux les diamètres secondaires respectifs D26.1 et D26.2.
Com me le montre la figu re 4 , l'enveloppe 22 présente sur sa face externe 22.2 deux protubérances primaires 28.1 et 28.2. Les protubérances primaires 28 . 1 et 28 .2 o n t d e s formes annulaires et elles s'étendent respectivement autour des orifices primaires 24.1 et 24.2.
Sur l'autre face externe 22.1 , l'enveloppe 22 présente deux gorges primaires 29.1 et 29.2. Les gorges primaires 29.1 et 29.2 ont des formes annulaires et elles s'étendent respectivement autour des orifices primaires
24.1 et 24.2. Les gorges primaires 29.1 et 29.2 ont des formes respectivement complémentaires aux protubérances primaires 28.1 et 28.2.
De même, l'enveloppe 22 présente sur sa face externe 22.2, une deuxième protubérance primaire qui a une forme annulaire et qui s'étend autour de l'orifice primaire 24.1 . Sur l'autre face externe 22.1 , l'enveloppe 22 présente une gorge primaire 29.1 qui a une forme annulaire et qui s'étend autour de l'un orifice primaire 24.1 . La gorge primaire 29.1 a une forme complémentaire à la protubérance primaire 28.1 . Dans l'exemple des figures, chaque protubérance primaire 28.1 ou 28.2 et chaque gorge primaire respective 29.1 ou 29.2 a globalement une forme cylindrique à base circulaire.
Ainsi, chaque protubérance primaire 28.1 ou 28.2 peut s'ajuster dans une gorge primaire respective 29.1 ou 29.2. Ces ajustements permettent de raccorder les échangeurs de chaleur 20 et 40 semblables et juxtaposés. Dans l'ensemble d'échangeurs 1 , chacun des orifices primaires raccordés 24.1 et
24.2 forme un tronçon du conduit collecteur primaire où peut s'écouler le fluide calorigène.
De manière similaire, l'enveloppe 22 présente, sur une première des deux faces externes 22.1 et 22.2, deux protubérances secondaires non représentées, qui ont des formes annulaires et qui s'étendent respectivement autour des orifices secondaires 26.1 ou 26.2.
Dans l'exemple des figures, chaque protubérance secondaire et chaque gorge secondaire a globalement une forme cylindrique à base circulaire.
En complément, l'enveloppe 22 présente, sur la deuxième des deux faces externes 22.1 et 22.2, deux gorges secondaires non représentées, qui ont des formes annulaires et qui s'étendent respectivement autour des orifices secondaires 26. 1 ou 26.2 et qui ont des formes complémentaires aux protubérances secondaires.
Ainsi, chaque protubérance secondaire peut s'ajuster, par emboîtement, dans une gorge secondaire respective. Ces ajustements permettent de raccorder les échangeurs de chaleur 20 et 40 semblables et juxtaposés. Dans l'ensemble d'échangeurs 1 , chacun des orifices secondaires forme un tronçon du conduit collecteur secondaire où peut s'écouler le fluide frigorigène. Comme le montre la figure 2, l'assemblage des trois échangeurs de chaleur 20, 40 et 60 forme une batterie d'échangeurs. Comme le montrent les fig ures 5 et 6, l 'ensemble d'échangeurs 1 comprend douze échangeurs de chaleur 20+40+60, 120+140+160, 220+240+260, 320+340+360 répartis en quatre batteries ayant chacune trois échangeurs de chaleur. Les échangeurs de chaleur 20-360 sont deux à deux juxtaposés.
L'ensemble d'échangeurs 1 comprend en outre des moyens de raccordement pour raccorder deux échangeurs de chaleur 20, 40 juxtaposés de sorte que leurs passages primaires respectifs sont en communication de fluide et que leurs passages secondaires respectifs sont en communication de fluide.
Dans l'exemple des figures, les moyens de raccordement sont formés par les orifices primaires respectifs 24.1 , 24.2 et équivalents qui coïncident substantiellement et par les orifices secondaires 26.1 , 26.2 et équivalents respectifs qui coïncident substantiellement.
Pour chaque batterie, les échangeurs de chaleur 20-360 sont deux à deux juxtaposés suivant des faces externes 22.1 , 22.2 et équivalents qui sont définies de manière complémentaire sur leurs enveloppes respectives 22 et équivalent.
De plus, comme le montrent les figures 5 et 6, l'ensemble d'échangeurs
1 comprend des échangeurs de chaleur 20-160 et 220-360 qui sont superposés sur des faces respectives dépourvues d'orifice primaire et d'orifice secondaire. En l'occurrence, les échangeurs de chaleur 20-160 et 220-360 qui sont superposés par la face du dessus et la face du dessous des enveloppes des échangeurs de chaleur respectifs.
À cet effet, l'enveloppe en béton de chaque échangeur de chaleur 20- 160 a ici une résistance mécanique suffisante pour supporter le poids d'un échangeur de chaleur superposé 220-360. Les échangeur de chaleur 20-160 reposent sur une dalle 4 en béton qui supporte l'ensemble d'échangeurs 1 .
En outre, l'ensemble d'échangeurs 1 comprend un collecteur commun primaire 1 1 et un collecteur commun secondaire 12. Le collecteur commun primaire 1 1 et le collecteur commun secondaire 12 sont agencés de façon à raccorder entre eux deux étages d'échangeurs de chaleur 20-1 60 et 220-360. Les collecteurs communs primaire 1 1 et secondaire 12 sont ici formés indépendamment des échangeurs de chaleurs 20-360. Les collecteurs communs primaire 1 1 et secondaire 12 ont pour fonction de permettre l'écoulement des fluides calorigène ou frigorigène entre étages de l'ensemble d'échangeurs 1 .
Comme le montrent les figures 2 et 4, l'ensemble d'échangeurs 1 comprend en outre des panneaux intercalaires 14 en béton. Les panneaux intercalaires 14 sont intercalés entre deux échangeurs de chaleur juxtaposés 20, 40, 60.
L'ensemble d'échangeurs 1 comprend en outre des panneaux de fermeture 16, qui sont ici en béton. Chaque panneau de fermeture 16 est disposé sur un côté respectif de l'ensemble d'échangeurs 1 . Chaque panneau de fermetu re 16 permet de fermer et d'étanchéifier l'ensemble d'échangeurs 1 , sur un côté respectif.

Claims

Revendications
1 . Échangeur de chaleur (20, 40, 60), pour transférer de la chaleur d'au moins un fluide primaire dit fluide calorigène vers au moins un fluide secondai re d it fl u ide frigorigène, l'échangeur de chaleur (20, 40, 60) comportant au moins :
une pluralité de plaques (21 ), les plaques (21 ) étant disposées parallèlement les unes aux autres, les plaques (21 ) délimitant des passages primaires conformés pour l'écoulement dudit au moins un fluide calorigène et des passages secondaires conformés pour l'écoulement dudit au moins un fluide frigorigène ;
des entretoises d'échange thermique qui s'étendent entre les plaques (21 ) et qui sont sensiblement en forme d'ondes ; et
l'échangeur de chaleur (20, 40, 60) étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre une enveloppe (22) qui comprend du béton et qui recouvre globalement la pluralité de plaques (21 ).
2. Échangeur de chaleur (20, 40, 60) selon la revendication 1 , dans lequel l'enveloppe (22) supporte les contraintes mécaniques générées par le poids de l'échangeur de chaleur (20, 40, 60).
3. Échangeur de chaleur (20, 40, 60) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le béton est un mélange homogène.
4. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel l'enveloppe est composée de façon à présenter des caractéristiques de résistance mécanique variables en fonction des régions de l'enveloppe, le béton étant de préférence un mélange hétérogène.
5. Échangeur de chaleur (20, 40, 60) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'enveloppe (22) comprend des renforts insérés dans le béton, de préférence des renforts métalliques, tels que des ferraillages, ou des fibres de verre.
6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, d a n s l e q u e l l 'enveloppe est composée de façon à présenter des caractéristiques d'isolation thermique variables en fonction des régions de l'enveloppe, l'enveloppe comportant de préférence des composites, tels que perlite ou de la vermiculite, insérés localement dans l'enveloppe.
7. Échangeur de chaleur (20, 40, 60) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'enveloppe (22) présente :
au moins deux orifices primaires (24.1 , 24.2), chaque orifice primaire (24.1 , 24.2) traversant l 'enveloppe (22) de façon à déboucher sur deux faces externes (22.1 , 22.2) de l'enveloppe (22), chaque orifice primaire (24.1 , 24.2) étant en communication de fluide avec des passages primaires respectifs, de sorte qu'un fluide calorigène peut entrer dans l 'échangeur de chaleur (20, 40, 60) par au moins un premier orifice primaire (24.1 ) et qu'un fluide calorigène peut sortir de l 'échangeur de chaleur (20, 40, 60) par au moins un deuxième orifice primaire (24.1 ) ; et
au moins deux orifices secondaires (26.1 , 26.2), chaque orifice secondaire (26.1 , 26.2) traversant l'enveloppe (22) de façon à déboucher sur deux faces externes (22.1 , 22.2) de l'enveloppe (22), chaque orifice secondaire (26.1 , 26.2) étant en communication de fluide avec des passages secondaires respectifs, d e sorte q u'un fluide frigorigène peut entrer dans l'échangeur de chaleur (20, 40, 60) par au moins un premier orifice secondaire (26.1 ) et qu'un fluide frigorigène peut sortir de l'échangeur de chaleur (20, 40, 60) par au moins un deuxième orifice secondaire (26.2).
8. Échangeur de chaleur selon la revendication 7, comprenant en outre au moins un manchon recouvrant les parois d'un orifice primaire ou d'un orifice secondaire.
9. Échangeur de chaleur (20, 40, 60) selon l'une des revendications 7 à 8, dans lequel :
les orifices primaires (24.1 , 24.2) sont agencés de façon à déboucher sur deux faces externes opposées (22.1 , 22.2) de l'enveloppe (22), les orifices primaires (24.1 , 24.2) s'étendant de préférence de manière rectiligne, et
les orifices secondaires (26.1 , 26.2) sont agencés de façon à déboucher su r lesd ites deux faces externes opposées (22.1 , 22.2) de l'enveloppe (22), les orifices seconda i res (26.1 , 26.2) s'étendant de préférence de manière rectiligne.
10. Échangeur de chaleur (20, 40, 60) selon la revendication 9,
dans lequel chaque orifice primaire (24.1 , 24.2) a globalement la forme d'un cylindre tronqué par un plan de troncature primaire (P24.1 , P24.2) qui est parallèle aux génératrices du cylindre et qui borde la pluralité de plaques (21 ), le cylindre ayant de préférence une base circulaire ; et
dans lequel chaque orifice secondaire (26.1 , 26.2) a globalement la forme d'un cylindre tronqué par un plan de troncature secondaire qui est parallèle aux génératrices du cylindre et qui borde la pluralité de plaques (21 ), le cylindre ayant de préférence une base circulaire.
1 1 . Échangeur de chaleur (20, 40, 60) selon l'une des revendications 9 à 10, dans lequel l'enveloppe (22) présente :
sur une première des deux faces externes externes (22.1 ), une protubérance primaire (28.1 , 29.1 ) qui a une forme annulaire et qui s'étend autour dudit au moins un orifice primaire (24.1 , 24.2) ; et
sur la deuxième des deux faces externes (22.2), une gorge primaire (28.2, 29.2) qui a une forme annulaire et qui s'étend autour dudit au moins un orifice primaire (24.1 , 24.2) et qui a une forme complémentaire à la protubérance primaire (28.1 , 29.1 ) ;
et dans lequel l'enveloppe (22) présente :
sur une première des deux faces externes (22.1 ), une protubérance secondaire qui a une forme annulaire et qui s'étend autour dudit au moins un orifice secondaire (26.1 , 26.2) ; et sur la deuxième des deux faces externes (22.2), une gorge secondaire qui a une forme annulaire et qui s'étend autour dudit au moins un orifice secondaire (26.1 , 26.2) et qui a une forme complémentaire à la protubérance secondaire.
12. Echangeur selon une des revendications précédentes qui est autoportant.
13. Ensemble d'échangeurs (1 ), destiné par exemple à une installation de d istillation d'air par cryogén ie, l'ensemble d'échangeurs (1 ) comprenant :
au moins deux échangeurs de chaleur (20+40+60, 120+140+160, 220+240+260, 320+340+360), selon l'une des revendication précédentes, lesdits au moins deux échangeurs de chaleur (20+40+60, 120+140+160, 220+240+260, 320+340+360) étant deux à deux juxtaposés ; et
des moyens de raccordement pour raccorder deux échangeurs de chaleur juxtaposés (20, 40) de sorte que leurs passages primaires respectifs sont en communication de fluide et que leurs passages secondaires respectifs sont en communication de fluide.
14. Ensemble d'échangeurs (1 ) selon la revendication 13, dans lequel les échangeurs de chaleur (20+40+60, 120+140+160, 220+240+260, 320+340+360) sont selon l'une des revendications 7 à 1 1 , et dans lequel les moyens de raccordement sont formés par les orifices primaires (24.1 , 24.2) respectifs qui coïncident substantiellement et par les orifices secondaires (26.1 , 26.2) respectifs qui coïncident substantiellement.
15. Ensemble d'échangeurs (1 ) selon la revendication 14, dans lequel les échangeurs de chaleur (20+40+60, 120+140+160, 220+240+260, 320+340+360) sont deux à deux juxtaposés suivant des faces externes complémentaires définies sur leurs enveloppes respectives (22).
16. Ensemble d'échangeurs (1 ) selon l'une des revendications 14 à 15, comprenant en outre au moins un panneau de fermeture (16) qui est en matériau thermiquement isolant, de préférence en béton, et qui est disposé sur un côté respectif de l'ensemble d'échangeurs (1 ).
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