La présente invention se rapporte à une ailette ondulée pour échangeur deThe present invention relates to a corrugated fin for heat exchanger
chaleur à plaques et ailettes et à un vaporiseur-condenseur comprenant des ailettes. plate and fin heat and a vaporizer-condenser comprising fins.
Il existe différents types d'échangeurs de chaleur à plaques et ailettes, adaptés chacun à un domaine d'utilisation. L'invention s'applique de façon avantageuse à un vaporiseur-condenseur d'une unité de séparation d'air ou de mélanges contenant principalement de l'hydrogène et du monoxyde de carbone par distillation cryogénique. There are different types of plate and fin heat exchangers, each adapted to a field of use. The invention is advantageously applied to a vaporizer-condenser of an air separation unit or mixtures containing mainly hydrogen and carbon monoxide by cryogenic distillation.
L'invention s'applique en particulier aux vaporiseurs-condenseurs principaux des appareils de distillation d'air. Ces vaporiseurscondenseurs vaporisent l'oxygène liquide sous basse pression (typiquement légèrement supérieure à la pression atmosphérique) recueilli en bas d'une colonne, par condensation d'azote moyenne pression (typiquement de 5 à 6 bars absolus) circulant dans des passages voisins des passages dédiés à la circulation d'oxygène. L'azote moyenne pression est le plus souvent prélevé à l'état gazeux en tête d'une colonne de distillation d'air à moyenne pression à laquelle la colonne basse pression citée ci-dessus est connectée. Après son passage et sa condensation au moins partielle dans le vaporiseur-condenseur, cet azote est renvoyé dans la colonne moyenne pression. C'est plus spécifiquement dans le cadre de cette application que l'invention sera décrite par la suite, étant entendu que son application peut être envisagée dans d'autres contextes. The invention applies in particular to the main vaporizers-condensers of the air distillation apparatus. These condenser vaporizers vaporize the liquid oxygen under low pressure (typically slightly above atmospheric pressure) collected at the bottom of a column, by medium pressure nitrogen condensation (typically 5 to 6 bars absolute) circulating in passages adjacent to the passages. dedicated to the circulation of oxygen. The medium pressure nitrogen is most often taken in the gaseous state at the head of a medium pressure air distillation column to which the low pressure column mentioned above is connected. After passing and at least partial condensation in the vaporizer-condenser, this nitrogen is returned to the medium pressure column. It is more specifically in the context of this application that the invention will be described later, it being understood that its application can be envisaged in other contexts.
Le terme 'vaporiseur-condenseur' s'applique également aux vaporiseurs dans lequel le fluide de chauffage est un liquide qui est sous-refroidi dans le vaporiseur, au lieu d'un gaz qui s'y condense. The term 'vaporizer-condenser' also applies to vaporizers in which the heating fluid is a liquid which is subcooled in the vaporizer, instead of a gas which condenses therein.
II s'applique également aux vaporiseurs-condenseurs intermédiaires et de tête de colonne basse pression, aux vaporiseurs-condenseurs de tête de colonne argon, aux vaporiseurs-condenseurs de tête et de cuve de colonne Etienne et aux vaporiseurs-condenseurs de tête de simple colonne. It also applies to intermediate vaporizers-condensers and low-pressure column head, to argon column-head condenser vaporizers, Etienne head and column head vaporizers and single column head condenser vaporizers. .
Les installations de séparation cryogénique de l'air du type à double colonne comportent un compresseur d'air dont la consommation énergétique est conditionnée notamment par la différence de température existant entre l'oxygène vaporisé dans la colonne basse pression et l'azote présent sous forme condensée dans la colonne moyenne pression. Cet écart de température est lui-même lié à la différence de pression entre les deux colonnes. Une réduction de cette différence de température permet d'améliorer considérablement la consommation énergétique du compresseur d'air, celui-ci devant alors fournir de l'air sous une pression plus faible que dans le cas où la différence de température est plus élevée. The cryogenic air separation systems of the double column type comprise an air compressor whose energy consumption is conditioned in particular by the difference in temperature existing between the vaporized oxygen in the low pressure column and the nitrogen present in the form of condensed in the medium pressure column. This difference in temperature is itself related to the pressure difference between the two columns. Reducing this temperature difference considerably improves the energy consumption of the air compressor, which must then provide air at a lower pressure than in the case where the temperature difference is higher.
Pour parvenir à ce résultat, il faut obtenir des échanges de chaleur aussi bons que possible à l'intérieur du vaporiseur-condenseur, autrement dit obtenir dans ses différentes parties des coefficients de transfert de chaleur élevés. To achieve this result, it is necessary to obtain heat exchange as good as possible inside the vaporizer-condenser, in other words to obtain in its various parts high heat transfer coefficients.
Cette optimisation des coefficients de transfert de chaleur a conduit à la conception de vaporiseurs-condenseurs relativement complexes, car les fluides qui les traversent ne se trouvent pas dans le même état physique à tous les niveaux de l'appareil. En particulier, l'oxygène se trouve à l'état entièrement liquide dans la partie inférieure du vaporiseurcondenseur, puis voit sa proportion de vapeur progressivement augmenter au fur et à mesure de son ascension dans l'appareil par effet thermosiphon sous l'effet de son réchauffement par l'azote gazeux. This optimization of heat transfer coefficients has led to the design of relatively complex vaporizers-condensers, because the fluids that pass through them are not in the same physical state at all levels of the device. In particular, the oxygen is in the fully liquid state in the lower part of the vaporizer condenser, then sees its proportion of vapor gradually increase as it ascends into the device thermosiphon effect under the effect of its heating by nitrogen gas.
La technologie couramment utilisée pour ces échangeurs à changement de phase est celle des échangeurs en aluminium à plaques et ailettes brasés, qui permettent d'obtenir des organes très compacts offrant une grande surface d'échange. Ces échangeurs sont constitués de plaques entre lesquelles sont insérées des ondes ou ailettes, formant ainsi un empilage de passages vaporisation et de passages condensation. II existe différents types d'ondes comme les ondes droites (Figure 1), arête de hareng ( herringbone , Figure 2) perforées ou à décalage partiel (Figure 3). The technology commonly used for these phase-change exchangers is that of aluminum exchangers with brazed plates and fins, which make it possible to obtain very compact members with a large exchange surface. These exchangers consist of plates between which are inserted waves or fins, thus forming a stack of vaporization passages and condensation passages. There are different types of waves such as straight waves (Figure 1), herringbone edge (herringbone, Figure 2) perforated or partially offset (Figure 3).
Le côté vaporisation d'un vaporiseur-condenseur à bain présente deux zones distinctes d'échange: o Une zone d'échange convectif dans la partie basse du vaporiseur. Les ondes sont en contact avec une phase liquide et réchauffent celui-ci jusqu'à sa température de saturation. The vaporization side of a vaporizer-condenser bath has two distinct exchange zones: A convective exchange zone in the lower part of the vaporizer. The waves are in contact with a liquid phase and heat it up to its saturation temperature.
o Une zone d'ébullition_où se produit des bulles de vapeur à partir de sites de nucléation. Les ondes sont en contact avec un mélange diphasique (liquide/gaz). Plus l'échange se situe en haut de l'échangeur, plus le taux de gaz est grand. o A boiling zone where vapor bubbles are produced from nucleation sites. The waves are in contact with a two-phase mixture (liquid / gas). The higher the exchange is at the top of the exchanger, the higher the gas rate.
Les bulles de vapeur apparaissent sur la paroi dès que la surchauffe locale atteint une certaine valeur appelée AT onset boiling (la surchauffe locale étant l'écart de température ATsat entre la température de paroi Tp et la température de saturation du fluide Tsat). Cette valeur varie selon le fluide ainsi que la structure et la nature du matériau utilisé. Steam bubbles appear on the wall as soon as the local superheat reaches a certain value called AT onset boiling (the local superheat being the temperature difference ATsat between the wall temperature Tp and the saturation temperature of the Tsat fluid). This value varies according to the fluid as well as the structure and the nature of the material used.
Les théories classiques de l'ébullition montrent que, pour un écart de température ATsat entre la paroi et le fluide à la saturation, il existe une gamme de cavités susceptibles de constituer des sites de nucléation. Cette gamme est limitée par deux valeurs de rayons extrêmes rmin et rmaxÉ Pour que la cavité de rayon rcav, compris entre les deux valeurs extrêmes soit actives, il faut que subsiste constamment une interface liquidevapeur dans la cavité. Certaines formes de cavité permettent une plus grande stabilité de l'interface liquide-vapeur. Si l'interface est détruite, un écart de température plus grand est nécessaire pour réamorcer le site. La forme des cavités est donc un élément essentiel dans la stabilité du site de nucléation et des performances de la surface d'échange. Une cavité rentrante permet une grande stabilité de l'interface. The classical theories of boiling show that, for an ATsat temperature difference between the wall and the fluid at saturation, there is a range of cavities capable of constituting nucleation sites. This range is limited by two extreme radius values rmin and rmax. In order for the cavity of radius rcav, between the two extreme values to be active, there must always be a liquid-vapor interface in the cavity. Some cavity shapes allow greater stability of the liquid-vapor interface. If the interface is destroyed, a larger temperature difference is required to reboot the site. The shape of the cavities is therefore an essential element in the stability of the nucleation site and the performance of the exchange surface. A re-entrant cavity allows a great stability of the interface.
Une surface d'échange qui favorise l'ébullition doit avoir les caractéristiques suivantes: o Une grande densité de cavités. An exchange surface that promotes boiling must have the following characteristics: o A high density of cavities.
o Une taille et une forme de cavités adaptées au fluide. o A size and shape of cavities adapted to the fluid.
o Des cavités connectées entre elles pour un réamorçage plus aisé. o Cavities connected together for easier reboot.
Ces caractéristiques se traduisent par un abaissement de la valeur de l'écart de température des premières bulles (AT onset boiling ) et une augmentation du coefficient d'échange. These characteristics result in a lowering of the value of the temperature difference of the first bubbles (AT onset boiling) and an increase in the exchange coefficient.
L'art antérieur décrit plusieurs méthodes de fabrication de surface intensifiant l'ébullition. Ces méthodes de fabrication peuvent être regroupées en 3 groupes principaux suivants: Méthodes par traitement mécanique: US-A-6 119 770: fabrication de tubes à surfaces poreuses à l'intérieur ou à l'extérieur du tube. Des rainures sont remplies de particules de métal et déformées. The prior art describes several surface-making methods that intensify boiling. These methods of manufacture can be grouped into 3 main groups: Mechanical processing methods: US-A-6,119,770: manufacture of tubes with porous surfaces inside or outside the tube. Grooves are filled with metal particles and deformed.
US-A-4 216 826: des rainures perpendiculaires sont creusées puis déformées à l'aide de rouleaux. US-A-4,216,826: perpendicular grooves are hollowed out and then deformed by means of rollers.
- USA-4 060 125 - GB-B-1468 710 - US-A-3 906 604, USA- 3 454 081 et US-A-3 457 990. - USA-4,060,125 - GB-B-1468,710 - US-A-3,906,604, US-3,454,081 and US-A-3,457,990.
Méthodes par attaques: - US-A-4 846 267: après une étape de chauffage et de refroidissement, la surface est subit une attaque chimique en solution acide. Methods by attack: US Pat. No. 4,846,267: after a heating and cooling step, the surface is etched in acidic solution.
- WO 0 223 115 (MANQUE UN CHIFFRE! !) : amélioration de surfaces 10 de circuits intégrés. Des cavités sont créées par une attaque laser. - WO 0 223 115 (LACKING NUMBERS!): Improved surfaces of integrated circuits. Cavities are created by a laser attack.
Méthodes par dépôts de surface: - EP-A-O 303 493: projection d'un mélange de particules de métal et 15 de plastique sur une surface conductrice. Après vaporisation à 500/600 C des particules plastiques, la surface présente une couche poreuse. Surface Deposition Methods: EP-A-0 303 493: Spraying a mixture of metal and plastic particles on a conductive surface. After vaporization at 500/600 C of the plastic particles, the surface has a porous layer.
- US-A- 4 371 034: configuration de vaporiseur à plaques et utilisant des surfaces poreuses côté vaporisation. La couche poreuse est constituée par bombardement à haute vitesse de particules fondues sur la surface plate ou par collage de particules sur la paroi. US-A-4,371,034: configuration of plate vaporizer and using porous surfaces on the vaporization side. The porous layer is constituted by high-speed bombardment of melted particles on the flat surface or by bonding particles on the wall.
- FR-A-2 443 515: fabrication d'une surface poreuse en cuivre. Le procédé consiste à revêtir un tube ou une plaque d'une mousse organique réticulée et à déposer à l'intérieur de cette mousse, un revêtement électrolytique de cuivre. La mousse est ensuite pyrolysée. FR-A-2 443 515: manufacture of a porous copper surface. The method comprises coating a tube or plate with a cross-linked organic foam and depositing therein an electrolytic coating of copper. The foam is then pyrolyzed.
- US-A-4 064 914: fabrication d'une couche poreuse en cuivre ou en acier sur une base en cuivre ou en alliage de cuivre. Cette couche poreuse est constituée de poudre métallique assemblée par collage puis brasée. US-A-4,064,914: manufacture of a porous layer of copper or steel on a base of copper or copper alloy. This porous layer consists of metal powder assembled by gluing and soldered.
- US-A-3 384 154: utilisation d'une couche poreuse pour l'ébullition d'un liquide. Cette couche poreuse doit être liée à une paroi métallique conductrice et constituée de particules conductrices liées entre elles et formant des cavités interconnectées. Les procédures de fabrication sont préférentiellement le frittage, la soudure, le brasage et autres procédés. US-A-3,384,154: use of a porous layer for boiling a liquid. This porous layer must be bonded to a conductive metal wall consisting of conductive particles bonded together and forming interconnected cavities. The manufacturing procedures are preferably sintering, welding, brazing and other processes.
2865027 5 L'épaisseur de la couche poreuse doit être supérieure au diamètre des particules et préférentiellement plus petite que trois fois le diamètre des particules. The thickness of the porous layer must be greater than the diameter of the particles and preferably smaller than three times the particle diameter.
Le problème posé est d'obtenir une surface d'échange qui réponde à la fois: o au fait d'avoir une géométrie d'ensemble de type onde ou ailette pouvant être brasé dans un échangeur, en particulier un vaporiseurcondenseur, o au fait d'avoir une structure intensifiant l'ébullition et dont les caractéristiques sont une grande densité de cavités, une taille et une forme de cavités adaptées au fluide et des cavités connectées entre elles. The problem is to obtain an exchange surface that responds to: o having an overall geometry of wave or fin type that can be brazed in an exchanger, in particular a vaporizercondenser, o the fact of have a boiling intensifying structure and whose characteristics are a high density of cavities, a size and shape of cavities adapted to the fluid and cavities connected together.
Les méthodes de fabrication par traitement mécanique nécessitent une certaine épaisseur de la surface conductrice. Ces traitements mécaniques sont difficilement applicables aux ondes utilisées dans un vaporiseurcondenseur puisque les épaisseurs de tôle varient de 0,2 à 0,5 mm. Manufacturing methods by mechanical treatment require a certain thickness of the conductive surface. These mechanical treatments are difficult to apply to the waves used in a vaporizercondenser since the sheet thicknesses range from 0.2 to 0.5 mm.
Les méthodes d'attaques chimiques ou laser engendrent un état de surface limité puisque celles-ci présentent des cavités à un seul niveau de la surface et non interconnectées. The methods of chemical or laser attack generate a limited surface state since they have cavities at one level of the surface and not interconnected.
Seuls les dépôts de surface présentent une complexité de cavités maximale pour favoriser l'ébullition nucléée. Cependant les techniques proposées dans l'art antérieur, sont des procédés qui ne s'appliquent pas de manière simple à des surfaces d'échange de type onde ou ailette. Only surface deposits have maximum cavity complexity to promote nucleate boiling. However, the techniques proposed in the prior art are methods that do not apply in a simple manner to wave or fin type exchange surfaces.
Les matériaux frittés sous forme d'onde qui permettent d'obtenir une surface d'échange type onde ou ailette et qui possède une couche poreuse formée d'une pluralité de diamètres de cavités interconnectées: Les matériaux frittés ( sintered porous structure ) sont couramment utilisés dans l'industrie pour la filtration des gaz et liquides. Les fabrications standards sont en en acier inoxydable et en bronze. Cependant la fabrication en matériaux fortement conducteur (comme le cuivre ou l'aluminium) est techniquement possible. Ces matériaux poreux peuvent être réalisés à partir de particules de métal ou de fibres métalliques ou encore de toiles métalliques. Wave sintered materials which provide a wave or fin exchange surface and which have a porous layer formed of a plurality of interconnected cavity diameters: Sintered porous structures are commonly used in the industry for the filtration of gases and liquids. Standard manufactures are in stainless steel and bronze. However, the manufacture of highly conductive materials (such as copper or aluminum) is technically possible. These porous materials can be made from metal particles or metal fibers or metal cloths.
Selon l'invention, ces structures poreuses en matériaux fortement conducteurs sont utilisées pour une application de transfert thermique et plus précisément d'ébullition nucléée d'un liquide. According to the invention, these porous structures made of highly conductive materials are used for an application of heat transfer and more specifically nucleate boiling of a liquid.
Nous décrivons ci-dessous leur mise en oeuvre sous forme d'onde ou d'ailette afin de pouvoir être insérée dans un vaporiseur-condenseur à plaques et ailettes brasés. We describe below their implementation in the form of wave or fin so that it can be inserted into a vaporizer-condenser plates and brazed fins.
Un des paramètres qui fait varier la porosité d'un fritté est la taille des particules de métal utilisées. En effet, les diamètres des cavités créés après frittage est directement lié à la taille des particules de métal utilisées. One of the parameters that varies the porosity of a sinter is the size of the metal particles used. Indeed, the diameters of the cavities created after sintering is directly related to the size of the metal particles used.
Il est possible de sélectionner une taille de particules de métal à utiliser afin d'obtenir des cavités de diamètre moyen souhaité. It is possible to select a size of metal particles to be used in order to obtain cavities of desired average diameter.
II s'agit (en majorité) de particules d'aluminium de tailles comprises entre 10 45 et 200 pm (3%>200pm et 15%<45pm). It is (mostly) aluminum particles of sizes between 45 and 200 μm (3%> 200 μm and 15% <45 μm).
La porosité (après frittage) est de 20%. The porosity (after sintering) is 20%.
Il est également possible d'utiliser plusieurs tailles de particules de métal afin d'obtenir une gamme de diamètres de cavités. Puisque la pluralité des diamètres de cavités favorise l'ébullition. It is also possible to use several sizes of metal particles to obtain a range of cavity diameters. Since the plurality of cavity diameters promotes boiling.
La répartition des diamètres de cavités (taille des particules) est hétérogène (aléatoire) si les particules de métal sont préalablement mélangées entre-elles. The distribution of cavity diameters (particle size) is heterogeneous (random) if the metal particles are premixed together.
La mise en forme d'onde peut se faire soit directement lors du frittage en utilisant des moules en forme d'onde, soit par usinage (électroérosion) de rainures après frittage d'une plaque poreuse épaisse. The waveforming can be done either directly during sintering using wave-shaped molds or by machining (electro-erosion) grooves after sintering a thick porous plate.
Un échangeur de chaleur typique est constitué d'un empilement de plaques rectangulaires parallèles toutes identiques, qui définissent entre elles une pluralité de passages pour des fluides à mettre en relation d'échange thermique indirect. Ces passages sont successivement et cycliquement des passages pour un premier fluide, pour un deuxième fluide et pour un troisième fluide. A typical heat exchanger consists of a stack of parallel rectangular plates all identical, which define between them a plurality of passages for fluids to put in indirect heat exchange relationship. These passages are successively and cyclically passages for a first fluid, a second fluid and a third fluid.
Chaque passage est bordé de barres de fermeture qui le délimitent en laissant libres des fenêtres d'entrée/sortie du fluide correspondant. Dans chaque passage sont disposées des ondes-entretoises ou ailettes ondulées servant à la fois d'ailettes thermiques, d'entretoises entre les plaques, notamment lors du brasage et pour éviter toute déformation des plaques lors de la mise en oeuvre de fluides sous pression, et de guidage des écoulements de fluides. Each passage is bordered by closing bars which delimit it leaving free entry / exit windows of the corresponding fluid. In each passage are disposed wave-waves or corrugated fins serving both thermal fins, spacers between the plates, in particular during brazing and to prevent any deformation of the plates during the implementation of fluids under pressure, and guiding the flow of fluids.
L'empilement des plaques, des barres de fermeture et des ondesentretoises est généralement réalisé en aluminium ou en alliage d'aluminium et est assemblé en une seule opération par brasage au four. The stack of plates, closure bars and wave interlock is generally made of aluminum or aluminum alloy and is assembled in a single operation by soldering in the oven.
Des boîtes d'entrée/sortie de fluides, de forme générale semi-cylindrique, sont ensuite soudées sur le corps d'échangeur ainsi réalisé de façon à coiffer les rangées de fenêtres d'entrée/sortie correspondantes, et elles sont reliées à des conduites d'amenée et d'évacuation des fluides. Fluid inlet / outlet boxes, of generally semi-cylindrical shape, are then welded to the exchanger body thus produced so as to cover the rows of corresponding inlet / outlet windows, and they are connected to pipes supply and discharge of fluids.
Dans ce domaine industriel, on utilise de façon classique des ondesentretoises de type à décalage partiel, droites ou droites perforées. In this industrial field, it is used in the conventional way partial offset type waves, straight or straight perforated.
Ces ondes sont généralement faites en feuillard d'aluminium et sont fabriquées soit au moyen de molettes, avec des canaux de section triangulaire ou sinusoïdale et des densités limitées ou dans une presse. These waves are usually made of aluminum foil and are made either by means of knobs, with triangular or sinusoidal section channels and limited densities or in a press.
L'objet de l'invention est donc de proposer une ailette qui pallie aux désavantages de l'art antérieur, et qui puisse être utilisée dans des échangeurs industriels, notamment des échangeurs de chaleur à plaques et ailettes d'une unité de séparation d'air ou de mélanges H2/CO par distillation cryogénique, et en particulier dans un vaporiseur/condenseur. The object of the invention is therefore to provide a fin which overcomes the disadvantages of the prior art, and which can be used in industrial exchangers, in particular plate and fin heat exchangers of a separation unit. air or H2 / CO mixtures by cryogenic distillation, and in particular in a vaporizer / condenser.
A cet effet, l'invention a pour objet une ailette ondulée pour échangeur de chaleur à plaques et ailettes, du type ayant une direction générale principale d'ondulation, et comprenant un ensemble de jambes d'onde reliées alternativement par un sommet d'onde et par une base d'onde, caractérisée en ce que les jambes d'onde, les sommets et les bases d'onde sont formés d'un feuillard de particules métalliques frittés. To this end, the subject of the invention is a corrugated fin for a plate and fin heat exchanger, of the type having a main direction of corrugation, and comprising a set of wave legs alternately connected by a wave-top and by a wave base, characterized in that the wave legs, the vertices and the wave bases are formed of a strip of sintered metal particles.
Suivant d'autres caractéristiques de l'invention, prises seules ou suivant 25 toutes les combinaisons techniquement envisageables: - les jambes d'onde, les sommets et les bases d'onde forment, en section transversale par rapport à la direction principale d'ondulation, des segments rectilignes, les sommets et les bases étant parallèles entre eux; - les particules sont en aluminium, en un alliage d'aluminium contenant au 30 moins 90 % mol. d'aluminium, en cuivre ou en un alliage contenant au moins 90 % mol. de cuivre; - l'ailette a une épaisseur entre 0,25 et 0,6 mm; les pores formés dans l'ailette ont un diamètre allant de 10 à 100 pm. According to other features of the invention, taken alone or according to all the technically feasible combinations: the wavelengths, the vertices and the wave bases form, in cross section relative to the main direction of waviness rectilinear segments, the vertices and the bases being parallel to each other; the particles are made of aluminum, an aluminum alloy containing at least 90 mol%. aluminum, copper or an alloy containing at least 90 mol%. of copper; the fin has a thickness between 0.25 and 0.6 mm; the pores formed in the fin have a diameter ranging from 10 to 100 μm.
Selon un autre objet de l'inventeur il est prévu un vaporiseur-condenseur, du type comprenant un empilement de plaques parallèles, de barres de fermeture et éventuellement d'ondes-entretoises, qui définissent une première série de passages pour un fluide à vaporiser alimenté en source, et une seconde série de passages contigus aux premiers pour au moins un fluide de chauffage dudit fluide à vaporiser, lesdits passages de la première série sont divisés en trois zones successives, du bas vers le haut du vaporiseur-condenseur: - une première zone configurée de manière à privilégier les échanges thermiques par convection; - une deuxième zone configurée de manière à privilégier le phénomène d'ébullition nucléée; un e troisième zone configurée de manière à privilégier le phénomène d'ébullition convective; caractérisé en ce qu'au moins la deuxième zone et éventuellement la troisième 15 zone contient des ailettes conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 5. According to another object of the inventor there is provided a vaporizer-condenser, of the type comprising a stack of parallel plates, closure bars and possibly spacer-waves, which define a first series of passages for a vaporizing fluid fed in source, and a second series of passages contiguous to the first for at least one heating fluid of said fluid to be vaporized, said passages of the first series are divided into three successive zones, from the bottom to the top of the vaporizer-condenser: - a first zone configured to favor convective heat exchange; a second zone configured to favor the nucleate boiling phenomenon; a third zone configured so as to favor the phenomenon of convective boiling; characterized in that at least the second zone and optionally the third zone contains fins according to any one of claims 1 to 5.
De préférence, ce vaporiseur est du type vaporiseur à bain. Preferably, this vaporizer is of the bath vaporizer type.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un vaporiseurcondenseur du type vaporiseur à film contenant des ailettes conformes à l'une quelconque 20 des revendications 1 à 5. According to another object of the invention, there is provided a film-type vaporizer-type vaporizer containing fins according to any one of claims 1 to 5.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant au moins un vaporiseur-condenseur selon l'une des revendications 6 à 8. According to another object of the invention, there is provided a cryogenic distillation air separation apparatus comprising at least one vaporizer-condenser according to one of claims 6 to 8.
L'appareil peut comprendre au moins deux colonnes thermiquement 25 reliées entre elles au moyen d'un vaporiseur selon l'une des revendications 6 à 8. The apparatus may comprise at least two columns thermally interconnected by means of a vaporizer according to one of claims 6 to 8.
Ces ailettes peuvent être de type à décalage partiel, droites ou droites perforées. These fins may be partial offset type, straight or straight punched.
L'invention concerne en outre un échangeur de chaleur équipée d'au moins une ailette telle que décrite précédemment. The invention further relates to a heat exchanger equipped with at least one fin as described above.
L'invention sera mieux comprise à lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées, dont les Figures 1 à 3 représentent des ondes selon l'invention et la Figure 4 représente schématiquement un passage d'un vaporiseur-condenseur selon l'invention, dans lequel circule de l'oxygène à l'état liquide et gazeux. The invention will be better understood on reading the description which follows, given with reference to the appended figures, of which FIGS. 1 to 3 represent waves according to the invention and FIG. 4 schematically represents a passage of a vaporizer-condenser according to FIG. in which oxygen circulates in the liquid and gaseous state.
Une ailette selon l'invention présente des sommets d'onde 121, définis par les sommets des créneaux, plats et horizontaux. Elle présente des bases d'onde 122, définies par les bases des créneaux, également plats et horizontaux. Les sommets et les bases relient alternativement des jambes d'onde planes et verticales 123, dont le plan moyen s'étend perpendiculairement à la direction D1. Les ailettes des Figures 1 à 3 ont une épaisseur t entre 0,25 et 0,6 mm et les pores (non-illustrés) formés dans l'ailette ont un diamètre allant de 10 à 100 pm. A fin according to the invention has wave vertices 121, defined by the peaks of the crenellations, flat and horizontal. It presents wave bases 122, defined by the bases of the crenellations, also flat and horizontal. The vertices and the bases alternately connect flat and vertical wave legs 123, whose average plane extends perpendicular to the direction D1. The fins of Figures 1 to 3 have a thickness t between 0.25 and 0.6 mm and the pores (not shown) formed in the fin have a diameter ranging from 10 to 100 μm.
Pour plus de détails concernant la conception d'ensemble du vaporiseurcondenseur selon l'invention appliqué à la distillation d'air, on pourra se reporter de manière non limitative à la demande EP-A-1088578. For more details on the overall design of the vaporizercondenser according to the invention applied to the distillation of air, reference may be made in a nonlimiting manner to the application EP-A-1088578.
Le vaporiseur-condenseur de la Figure 4 est à peu près totalement immergé dans l'oxygène liquide rassemblé dans la cuve de la colonne basse pression d'un appareil de distillation d'air. Un passage est donc alimenté en source en oxygène liquide. Cet oxygène liquide pénètre d'abord dans une première zone du passage 2 pour y être réchauffé par l'azote circulant dans les passages contigus du vaporiseur-condenseur. Dans cette première zone, on privilégie les échanges thermiques par convection et on confère aux matériaux qui la constituent une configuration maximisant ce type d'échanges. Typiquement, cette première zone est garnie par des ondes d'échange thermique présentant une forte surface d'échange sans cependant procurer des pertes de charge trop élevées, telles que des ondes à décalage partiel (dites ondes serrated Figure 3), ou des ondes droites perforées ou non (Figure 1), ou des ondes de type arête de hareng (Figure 2) herringbone définissant des couloirs nombreux et étroits pour le passage de l'oxygène liquide. Une densité de au moins 10 fpi (10 ondes par pouce de largeur soit 3,9 ondes par cm) est conseillée, préférentiellement de 14 à 30 fpi (5,5 à 11,8 ondes/cm). A titre d'exemple, on peut utiliser des ondes à décalage partiel de 26 fpi (10,2 ondes par cm) décalées tous les 1/8 de pouce (3, 18 mm). Dans cette première zone, on vise avant tout à obtenir un réchauffement rapide de l'oxygène liquide, de façon à le porter à sa température de saturation. Cette première zone peut s'étendre sur environ 1/3 de la hauteur totale du vaporiseur-condenseur, par exemple sur une hauteur de 40 cm pour un vaporiseur-condenseur de 1,20 m de haut, dimension qui est classique pour les appareils de séparation d'air. En variante, les ondes d'échange thermique pourraient être remplacées par un garnissage en mousse métallique ou un matériau tel que l'aluminium. The vaporizer-condenser of FIG. 4 is almost totally immersed in the liquid oxygen collected in the bottom of the low pressure column of an air distillation apparatus. A passage is thus fed with a source of liquid oxygen. This liquid oxygen first enters a first zone of the passage 2 to be heated by the nitrogen flowing in the contiguous passages of the vaporizer-condenser. In this first zone, preference is given to heat exchanges by convection and the materials which constitute it are conferred a configuration that maximizes this type of exchange. Typically, this first zone is filled with heat exchange waves having a high exchange surface without, however, providing too high pressure drops, such as partial shift waves (called serrated waves Figure 3), or straight waves. perforated or not (Figure 1), or waves herringbone type (Figure 2) herringbone defining narrow and narrow corridors for the passage of liquid oxygen. A density of at least 10 fpi (10 waves per inch of width or 3.9 waves per cm) is recommended, preferably 14 to 30 fpi (5.5 to 11.8 waves / cm). For example, partial offset waves of 26 fpi (10.2 waves per cm) may be shifted every 1/8 inch (3.18 mm). In this first zone, the primary aim is to obtain rapid heating of the liquid oxygen, so as to bring it to its saturation temperature. This first zone may extend over approximately 1/3 of the total height of the vaporizer-condenser, for example over a height of 40 cm for a vaporizer-condenser of 1.20 m high, which size is conventional for air separation. Alternatively, the heat exchange waves could be replaced by a metal foam packing or a material such as aluminum.
L'oxygène montant dans le passage pénètre ensuite dans une deuxième zone 3 où on cherche à favoriser un phénomène d'ébullition nucléée par formation de bulles d'oxygène gazeux sur les parois des ondes se trouvant dans le passage. A cet effet, on utilise des ondes en particules d'aluminium frittés de sorte que les porosités de l'onde multiplient les sites d'amorçage possibles pour la formation des bulles. Des porosités ou micro-reliefs peuvent également être ménagés aussi bien sur les parois des plaques de l'échangeur délimitant le passage. En effet, plus encore que dans la première zone, il importe de limiter les pertes de charge du fluide afin de ne pas gêner l'ascension du mélange oxygène liquideoxygène gazeux présent. The oxygen rising in the passage then enters a second zone 3 where it is sought to promote a nucleate boiling phenomenon by the formation of gaseous oxygen bubbles on the walls of the waves in the passage. For this purpose, sintered aluminum particle waves are used so that the porosities of the wave multiply the possible priming sites for bubble formation. Porosities or micro-reliefs may also be provided on the walls of the plates of the exchanger delimiting the passage. Indeed, even more than in the first zone, it is important to limit the pressure losses of the fluid so as not to hinder the rise of oxygen oxygen gas mixture present.
L'oxygène sous forme liquide et gazeuse montant dans le passage pénètre enfin dans une troisième zone 4 où on cherche à nouveau à favoriser les échanges thermiques avec le fluide traversant les passages contigus. On y vise à se trouver dans un régime d'ébullition convective. Des ondes en particules d'aluminium frittés peuvent également y être installés afin de favoriser l'accroissement des bulles d'oxygène gazeux présentes. Les parois des ondes et des plaques sont couvertes d'une couche d'oxygène liquide à travers laquelle s'effectuent les échanges thermiques. Son épaisseur dépend surtout des conditions d'écoulement du mélange oxygène liquide- oxygène gazeux. Les échanges thermiques sont d'autant plus favorisés que la vitesse du fluide est élevée. II est donc important de limiter autant que possible les pertes de charge de l'oxygène lors de son ascension dans cette troisième zone. A cet effet pour obtenir un compromis satisfaisant entre faibles pertes de charge et bons transferts thermiques, on peut conseiller de garnir cette troisième zone avec des ondes droites, éventuellement perforées, d'une densité supérieure à 10 fpi (3,9 ondes/cm), mais inférieure ou égale à la densité des ondes utilisées dans la première et, éventuellement, la deuxième zone du passage. Des ondes droites perforées à 5% et d'une densité de 10 à 14 fpi (3,9 à 5,5 ondes/cm) seraient cohérentes avec les exemples précédemment donnés. Les ondes à décalage partiel ne sont ici pas recommandées en raison des pertes de charge assez importantes qu'elles généreraient. Il Oxygen in liquid and gaseous form rising in the passage finally enters a third zone 4 where it is again sought to promote heat exchange with the fluid passing through the contiguous passages. It aims to be in a convective boiling regime. Sintered aluminum particle waves can also be installed in order to promote the increase of the gaseous oxygen bubbles present. The walls of the waves and plates are covered with a layer of liquid oxygen through which heat exchange takes place. Its thickness depends mainly on the flow conditions of the liquid oxygen-oxygen gas mixture. Thermal exchanges are all the more favored as the fluid velocity is high. It is therefore important to limit as much as possible the pressure drop of the oxygen during its ascent in this third zone. For this purpose to obtain a satisfactory compromise between low pressure losses and good heat transfer, it is advisable to fill this third zone with straight waves, possibly perforated, with a density greater than 10 fpi (3.9 waves / cm) , but less than or equal to the density of the waves used in the first and, possibly, the second zone of the passage. Straight waves perforated at 5% and a density of 10 to 14 fpi (3.9 to 5.5 waves / cm) would be consistent with the previously given examples. Partial offset waves are not recommended here because of the rather large losses they would generate. he
Cette troisième zone peut représenter environ la moitié de la hauteur totale du passage, soit 60 cm pour un vaporiseur-condenseur de 1,20 m de haut. This third zone can represent approximately half of the total height of the passage, ie 60 cm for a vaporizer-condenser 1.20 m high.
A sa sortie de la troisième zone 4, l'oxygène gazeux 0G émerge du vaporiseur-condenseur et monte vers la tête de la colonne basse pression, alors que l'oxygène liquide OL descend dans la cuve de cette même colonne. At its exit from the third zone 4, the oxygen gas OG emerges from the vaporizer-condenser and rises towards the head of the low pressure column, while the liquid oxygen OL descends into the tank of this same column.
II va de soi que les exemples qui ont été donnés ne sont pas limitatifs, et que d'autres configurations peuvent être imaginées. En particulier, on peut diviser chacune des zones précédemment décrites en plusieurs souszones présentant des surfaces d'échange configurées de manières différentes, pourvu que dans chacune de ces sous-zones on privilégie effectivement le phénomène auquel la zone correspondante est dédiée: échange convectif pour la première zone, ébullition nucléée pour la deuxième zone, ébullition convective pour la troisième zone. It goes without saying that the examples which have been given are not limiting, and that other configurations can be imagined. In particular, it is possible to divide each of the previously described zones into several subzones having exchange surfaces configured in different ways, provided that in each of these subzones the phenomenon to which the corresponding zone is dedicated is effectively privileged: convective exchange for the first zone, nucleate boiling for the second zone, convective boiling for the third zone.
L'invention peut également être appliquée dans des vaporiseurscondenseurs traitant d'autres gaz que l'oxygène si les avantages qu'elle présente peuvent y être mis à profit. The invention can also be applied in vaporizers that treat gases other than oxygen if the advantages it presents can be exploited.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse | Effective date:20150930 |