FR2864911A1

FR2864911A1 - Liquid and gas separator for condensing heat exchanger has chamber with chicane between mixture inlet and gas outlet

Info

Publication number: FR2864911A1
Application number: FR0400209A
Authority: FR
Inventors: Sylvain Benezech; Pierre Xavier Bussonnet
Original assignee: Ziepack SA
Current assignee: Ziepack SA
Priority date: 2004-01-12
Filing date: 2004-01-12
Publication date: 2005-07-15

Abstract

A separator, comprising a chamber (8) with an inlet for the liquid/gas mixture, a lower outlet (18) for the liquid and an upper outlet (17) for the gas, has a chicane (19) between the inlet and gas outlet that causes the mixture to flow round its edge (24) that is furthest from the gas outlet. A separator, comprising a chamber (8) with an inlet for the liquid/gas mixture, a lower outlet (18) for the liquid and an upper outlet (17) for the gas, has a chicane (19) between the inlet and gas outlet that causes the mixture to flow round its edge (24) that is furthest from the gas outlet. The gas outlet is located at the top of the chamber's front wall (14) inside the upper end of the chicane, and the liquid outlet is located in the chamber base and offset towards the front wall. The chicane has an upper surface that is inclined downwards towards the edge (24) that the flow turns round, the edge having an upturned lip (26).

Description

DescriptionDescription

La présente invention concerne un dispositif de séparation liquide-gaz. The present invention relates to a liquid-gas separation device.

La présente invention concerne également un échangeur thermique ainsi équipé, notamment un échangeur du type condenseur ayant pour effet de condenser certains constituants d'un mélange gazeux initial et produisant ainsi en sortie un mélange diphasique dont les phases liquide et gazeuse doivent ensuite être séparées. The present invention also relates to a heat exchanger thus equipped, including a condenser-type exchanger having the effect of condensing certain constituents of an initial gas mixture and thus producing a two-phase mixture whose liquid and gaseous phases must then be separated.

On connaît les séparateurs par gravité avec ou sans dispositif de récupération pour piéger les gouttelettes dans la sortie pour le gaz. Gravity separators with or without a recovery device are known for trapping droplets in the gas outlet.

On connaît également les séparateurs du type cyclone. Cyclone separators are also known.

Ces dispositifs sont volumineux et aboutissent habituellement à récupérer le gaz en partie haute et le liquide en partie basse. Ils imposent donc des contraintes d'encombrement et d'installation. En outre, ils ont par nature une perte de charge relativement grande. These devices are bulky and usually result in recovering the gas at the top and the liquid at the bottom. They therefore impose congestion and installation constraints. In addition, they inherently have a relatively high pressure drop.

Pour les échangeurs thermiques du type condenseur à flux vertical, il est possible que le flux gazeux soit ascendant tandis que les gouttelettes de condensat retombent dans une cuve inférieure à mesure qu'elles se forment. Cette disposition a l'inconvénient que le flux gazeux montant a tendance à entraîner une partie des gouttelettes avec lui dans la sortie supérieure pour le flux gazeux. For heat exchangers of the vertical flow condenser type, it is possible for the gas stream to rise while the condensate droplets fall into a lower tank as they form. This arrangement has the disadvantage that the rising gas flow tends to cause some of the droplets with him in the upper outlet for the gas flow.

Dans les échangeurs à flux gazeux descendant, les gouttelettes ne peuvent qu'aller dans la bonne direction, c'est à dire vers le bas, mais il se pose alors le problème de séparer les liquides et les gaz en bas d'échangeur, avec la problématique évoquée plus haut en ce qui concerne les inconvénients des séparateurs actuels. In the downward gas flow exchangers, the droplets can only go in the right direction, that is to say downwards, but then there is the problem of separating the liquids and the gases at the bottom of the exchanger, with the problem mentioned above with regard to the disadvantages of current separators.

Le but de la présente invention est ainsi de proposer un dispositif de séparation liquide-gaz pour, à partir d'un fluide 35 diphasique, séparer le liquide et le gaz dans un minimum de volume et avec une perte de charge réduite, ainsi qu'un échangeur thermique équipé d'un tel dispositif. The object of the present invention is thus to provide a liquid-gas separation device for, from a two-phase fluid, separating the liquid and the gas in a minimum of volume and with a reduced pressure drop, as well as a heat exchanger equipped with such a device.

Suivant l'invention, le dispositif de séparation liquide-gaz comprenant une cuve présentant une entrée de mélange diphasique, une sortie inférieure de liquide et une sortie supérieure de gaz, est caractérisé en ce qu'une chicane placée entre ladite entrée du mélange en partie haute de la cuve et la sortie de gaz définit pour l'écoulement un lobe contournant un bord de détour de la chicane, éloigné de la sortie de gaz. According to the invention, the liquid-gas separation device comprising a vessel having a two-phase mixing inlet, a lower liquid outlet and an upper gas outlet, is characterized in that a baffle placed between said inlet of the mixture in part high of the tank and the gas outlet defines for the flow a lobe bypassing a detour edge of the baffle, away from the gas outlet.

La chicane selon l'invention reçoit directement des gouttelettes qui viennent la frapper et forment ensuite un écoulement vers le fond de la cuve. D'autre part, le trajet lobé de l'écoulement projette d'autres gouttelettes contre la paroi latérale de la cuve et vers le fond de celleci, par effet centrifuge. The baffle according to the invention directly receives droplets which strike it and then form a flow towards the bottom of the tank. On the other hand, the lobed path of the flow projects other droplets against the side wall of the tank and to the bottom thereof, by centrifugal effect.

Après le virage, il peut encore se produire une précipitation des gouttelettes avant que l'écoulement atteigne la sortie de gaz. After the turn, precipitation of the droplets may still occur before the flow reaches the gas outlet.

On réalise donc une séparation dynamique par des moyens extrêmement simples et dans un encombrement particulièrement 20 réduit. Dynamic separation is therefore achieved by extremely simple means and in a particularly small space.

Suivant un second aspect de l'invention, l'échangeur thermique comprenant un caisson dans lequel sont aménagés des trajets séparés pour deux fluides d'échange, est caractérisé en ce que ce caisson est fermé en partie basse par la cuve d'un dispositif de séparation liquide-gaz selon le premier aspect. According to a second aspect of the invention, the heat exchanger comprising a box in which are arranged separate paths for two exchange fluids, is characterized in that this box is closed at the bottom by the tank of a device of liquid-gas separation according to the first aspect.

D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci-après, relative à un exemple non-limitatif. Other features and advantages of the invention will emerge from the description below, relating to a non-limiting example.

Aux dessins annexés: - la figure 1 est une vue schématique d'un échangeur selon l'invention avec arrachements, en élévation; - la figure 2 est une vue de dessus du dispositif de séparation de l'échangeur selon la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective du dispositif 35 de séparation; et - la figure 4 est une vue en élévation latérale du dispositif de séparation. In the accompanying drawings: - Figure 1 is a schematic view of an exchanger according to the invention with tearing, in elevation; - Figure 2 is a top view of the separator device of the exchanger according to Figure 1; Figure 3 is a perspective view of the separating device; and - Figure 4 is a side elevational view of the separation device.

Dans l'échangeur thermique 1 représenté à la figure 1, un flux gazeux 2 qui doit être partiellement condensé suit un trajet vertical descendant à l'intérieur d'un caisson 3 constitué dans cet exemple par un tube de section rectangulaire ou carrée formant un conduit vertical pour l'écoulement 2. Le caisson a une extrémité supérieure ouverte raccordée à une boîte de raccordement 4 par laquelle arrive l'écoulement 2, et une extrémité inférieure ouverte 6 dont le pourtour est raccordé de façon jointive avec le pourtour rectangulaire 7 (figure 2) du dessus ouvert d'une cuve 8 faisant partie du dispositif de séparation 9 qui sera décrit en détail plus loin. D'une manière qui n'est que très schématiquement représentée, il y a dans le caisson 3 un trajet 11 pour un fluide extracteur de calories. Le trajet 11 est séparé de manière étanche de l'espace réservé à l'écoulement 2. En pratique, le trajet peut de manière connue être constitué par un ou plusieurs tubes, ou encore par des plaques définissant à leur intérieur des cavités pour la circulation du fluide extracteur de calories, ou second fluide. Les parois séparant le trajet 11 relativement à l'écoulement 2 servent en même temps de parois d'échange thermique par lesquelles le second fluide extrait de la chaleur de l'écoulement 2, ce qui produit la condensation de certains composants de l'écoulement 2. Ainsi, lorsqu'il pénètre dans la cuve 8, l'écoulement 2 est diphasique, autrement dit, il comprend des gouttelettes entraînées par le flux gazeux. In the heat exchanger 1 shown in FIG. 1, a gaseous flow 2 which must be partially condensed follows a vertical path descending inside a caisson 3 constituted in this example by a rectangular or square section tube forming a conduit vertical flow 2. The box has an open top end connected to a junction box 4 through which the flow 2, and an open bottom end 6 whose periphery is connected contiguously with the rectangular periphery 7 (FIG. 2) of the open top of a tank 8 forming part of the separation device 9 which will be described in detail below. In a manner that is only very schematically represented, there is in the box 3 a path 11 for a heat extracting fluid. The path 11 is sealingly separated from the space reserved for the flow 2. In practice, the path may in known manner be constituted by one or more tubes, or by plates defining inside their cavities for the circulation. calorie extracting fluid, or second fluid. The walls separating the path 11 relative to the flow 2 serve at the same time as heat exchange walls through which the second fluid extracts heat from the flow 2, which produces the condensation of certain components of the flow 2 Thus, when it enters the tank 8, the flow 2 is two-phase, that is, it comprises droplets entrained by the gas flow.

On va maintenant décrire plus en détail le dispositif de séparation 9. The separation device 9 will now be described in more detail.

La cuve 8 a une forme de demi-cylindre à axe horizontal, ouverte vers le haut pour former l'ouverture d'entrée 10 du mélange diphasique 22 dans le plan axial horizontal entouré par le bord de raccordement 7 avec le caisson 3. L'ouverture est totale et par conséquent délimitée par le bord de raccordement 7. La cuve 8 comprend une paroi à profil en demi-cercle définissant deux parois latérales 12 réunies de façon continue par un fond 13, ainsi qu'une paroi d'extrémité avant 14 et une paroi d'extrémité arrière 16, chacune en forme de demi-disque plan. Deux côtés opposés du pourtour 7 sont définis par les deux extrémités de la paroi à profil en demi-cercle définissant les parois latérales 12 et le fond 13. Les deux autres côtés opposés, avant et respectivement arrière, du pourtour 7 sont constitués par les deux bords supérieurs des parois avant 14 et respectivement arrière 16. Le pourtour semi-circulaire des parois avant 14 et respectivement arrière 16 est soudé de façon étanche à l'un respectif des bords semi-circulaires de la paroi à profil semi-circulaire définissant les parois latérales 12 et le fond 13. The tank 8 has a half-cylinder shape with a horizontal axis, open upward to form the inlet opening 10 of the two-phase mixture 22 in the horizontal axial plane surrounded by the connecting edge 7 with the box 3. The opening is total and therefore delimited by the connecting edge 7. The vessel 8 comprises a semi-circular profile wall defining two side walls 12 joined in a continuous manner by a bottom 13, and a front end wall 14 and a rear end wall 16, each in the form of a half plane disk. Two opposite sides of the periphery 7 are defined by the two ends of the half-circle profile wall defining the side walls 12 and the bottom 13. The two other opposite sides, front and rear respectively, of the periphery 7 are constituted by the two upper edges of the front walls 14 and respectively rear 16. The semicircular periphery of the front walls 14 and respectively rear 16 is sealed to a respective one of the semicircular edges of the semi-circular profile wall defining walls 12 and the bottom 13.

La paroi avant 14 de la cuve 8 est traversée par une sortie 17 pour les gaz séparés. Cette sortie est placée sur l'axe vertical médian de la paroi avant 14 à faible distance en-dessous du pourtour 7. Le fond 13 est traversé par une sortie 18 pour le liquide séparé. La sortie 18 est située à proximité de la paroi avant 14 et dans la zone la plus basse du fond 13. The front wall 14 of the tank 8 is traversed by an outlet 17 for the separated gases. This outlet is placed on the median vertical axis of the front wall 14 at a short distance below the periphery 7. The bottom 13 is crossed by an outlet 18 for the separated liquid. The outlet 18 is located near the front wall 14 and in the lowest zone of the bottom 13.

Suivant l'invention, une chicane 19 est placée entre l'entrée 10 du mélange dans la cuve 8, formée par le dessus ouvert de la cuve 8, et la sortie de gaz 17. En particulier, la chicane 19 comporte un bord avant 21 qui est soudé contre la face intérieure de la paroi avant 14 de la cuve 8 de façon à empêcher l'écoulement diphasique 22 (figure 4) pénétrant dans la cuve 8 d'accéder directement à la sortie de gaz 17. la chicane 19 définit pour l'écoulement 22 un lobe 23 (figure 4) contournant un bord de détour 24 de la chicane 19, opposé au bord 21 soudé à la paroi avant 14. Le bord 24 est situé à une certaine distance de la face intérieure de la paroi arrière 16. According to the invention, a baffle 19 is placed between the inlet 10 of the mixture in the tank 8, formed by the open top of the tank 8, and the gas outlet 17. In particular, the baffle 19 has a front edge 21 which is welded against the inside face of the front wall 14 of the tank 8 so as to prevent the two-phase flow 22 (FIG. 4) entering the tank 8 from directly accessing the gas outlet 17. the baffle 19 defines to the flow 22 a lobe 23 (Figure 4) bypassing a detour edge 24 of the baffle 19, opposite the edge 21 welded to the front wall 14. The edge 24 is located at a distance from the inner face of the rear wall 16.

La chicane 19 présente une pente descendante vers le bord de détour 24. Cette pente est indiquée par l'angle Al à la figure 4. L'ange Al est de préférence compris entre 5 et 30 . Le bord de détour 24 présente un becquet 26 dirigé vers le haut pour empêcher le liquide ruisselant sur la chicane 19 de former au-delà du bord de détour 24 une cascade qui serait capturée par l'écoulement gazeux et entraînée vers la sortie de gaz 17. The baffle 19 has a downward slope towards the detour edge 24. This slope is indicated by the angle Al in FIG. 4. The angel A1 is preferably between 5 and 30. The detour edge 24 has a spoiler 26 directed upwards to prevent the liquid streaming on the baffle 19 from forming, beyond the detour edge 24, a cascade that would be captured by the gas flow and entrained towards the gas outlet 17. .

Toutefois, le becquet 26 est interrompu à chacune de ses extrémités près de la paroi semi-cylindrique de la cuve pour ménager des passages 27 de ruissellement le long des parois latérales 12 et/ou du fond 13, de part et d'autre de l'écoulement gazeux. However, the spoiler 26 is interrupted at each of its ends near the semi-cylindrical wall of the tank to provide runoff passages 27 along the side walls 12 and / or the bottom 13, on either side of the tank. gaseous flow.

Dans l'exemple représenté, la chicane représentée est en forme de dièdre avec une ligne longitudinale centrale de sommet 28, de part et d'autre de laquelle la chicane 19 présente une pente latérale descendante indiquée à la figure 1 par un angle A2 qui est de préférence inférieur ou égal à 30 . La sortie de gaz 17 est située juste en dessous du sommet 28 de la chicane 19. Les bords latéraux 29 de la chicane sont soudées sur toute leur longueur à la face intérieure semi- cylindrique de la cuve et forment ainsi avec ladite face intérieure une gouttière 31 de ruissellement du liquide jusqu'aux passages 27 de part et d'autre du becquet 26. In the example shown, the baffle shown is in the form of a dihedral with a central longitudinal line of apex 28, on either side of which the baffle 19 has a downward slope indicated in Figure 1 by an angle A2 which is preferably less than or equal to 30. The gas outlet 17 is located just below the top 28 of the baffle 19. The lateral edges 29 of the baffle are welded along their entire length to the semi-cylindrical inner face of the tank and thus form with said inner face a gutter 31 of liquid runoff to the passages 27 on either side of the spoiler 26.

La longueur LL (figure 3) de la cuve mesurée le long du pourtour 7 de son ouverture supérieure 10 parallèlement au plan du lobe 23 formé par l'écoulement, donc parallèlement à la longueur de la chicane 19, peut être comprise entre 500 et 4000 mm. The length LL (FIG. 3) of the vessel measured along the periphery 7 of its upper opening 10 parallel to the plane of the lobe 23 formed by the flow, thus parallel to the length of the baffle 19, may be between 500 and 4000 mm.

La largeur LA mesurée dans le plan de l'ouverture supérieure 10 de la cuve 8 perpendiculairement au plan du lobe 23 est elle aussi comprise entre 500 et 4000 mm. La forme du côté supérieur de la cuve 8 peut être rectangulaire, carrée ou d'une autre forme, et la largeur peut être plus grande que la longueur ou inversement. La longueur LC de la chicane 19, mesurée horizontalement et parallèlement à la longueur LL, donc parallèlement au plan du lobe 23, est de préférence comprise entre 0,5 LL et 0,7 LL. La hauteur maximale H de la cuve est inférieure ou égale à la plus petite des deux valeurs LL et LA. Le niveau X (figure 1) du bord inférieur de la sortie de gaz 17 est supérieur ou égal au niveau Y du point le plus élevé du bord de détour 24. The width LA measured in the plane of the upper opening 10 of the vessel 8 perpendicular to the plane of the lobe 23 is also between 500 and 4000 mm. The shape of the upper side of the bowl 8 may be rectangular, square or of another shape, and the width may be greater than the length or vice versa. The length LC of the baffle 19, measured horizontally and parallel to the length LL, thus parallel to the plane of the lobe 23, is preferably between 0.5 LL and 0.7 LL. The maximum height H of the tank is less than or equal to the smaller of the two values LL and LA. The level X (FIG. 1) of the lower edge of the gas outlet 17 is greater than or equal to the level Y of the highest point of the detour edge 24.

La sortie de liquide 18 est de préférence dimensionnée pour que la vitesse d'écoulement du liquide y soit inférieure à environ 0,5 m/s. The liquid outlet 18 is preferably sized so that the flow velocity of the liquid is less than about 0.5 m / s.

Le fonctionnement du dispositif de séparation est le suivant, en référence à la figure 4. The operation of the separation device is as follows, with reference to FIG. 4.

Dans une première zone Z1 située juste après l'entrée 10 de l'écoulement 22 dans la cuve 8, des gouttelettes contenues dans la partie de l'écoulement située au-dessus de la chicane 19 se déposent par gravité sur la chicane 19, ruissellent sur la chicane 19 puis sur la paroi intérieure de la cuve en passant par les passages 27. Cet écoulement de ruissellement arrive ainsi au fond 13 de la cuve pour quitter celle-ci par le départ de liquide 18. Dans la zone Z2 correspondant au virage du lobe 23, d'autres gouttelettes sont projetées par centrifugation vers la paroi arrière 16 et vers le fond 13 de la cuve. In a first zone Z1 located just after the inlet 10 of the flow 22 in the tank 8, droplets contained in the portion of the flow located above the baffle 19 are deposited by gravity on the baffle 19, flow on the baffle 19 and then on the inner wall of the tank through the passages 27. This flow of runoff thus arrives at the bottom 13 of the tank to leave it by the departure of liquid 18. In the zone Z2 corresponding to the turn lobe 23, other droplets are projected by centrifugation to the rear wall 16 and to the bottom 13 of the tank.

Dans la zone Z3 située sous la chicane 19, l'écoulement gazeux remonte vers la sortie 17 tandis que les gouttelettes qu'il contient encore tombent par gravité vers le fond 13 de la cuve pour quitter celle-ci par la sortie de liquide 18, ou encore viennent frapper la paroi avant 14 endessous de la sortie de gaz 17 pour retomber vers le fond 13 de la cuve. In the zone Z3 located under the baffle 19, the gas flow rises towards the outlet 17 while the droplets that it still contains fall by gravity towards the bottom 13 of the tank to leave it by the liquid outlet 18, or even strike the front wall 14 below the gas outlet 17 to fall towards the bottom 13 of the tank.

Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit représenté. Of course, the invention is not limited to the example described depicted.

On peut imaginer que la cuve soit prolongée vers l'arrière au-delà de l'ouverture 10 de communication avec le caisson 3 et que la chicane 19 s'étende jusque sous le bord arrière de l'ouverture 10 d'entrée du mélange diphasique. Ainsi dans la zone Z1, même les gouttelettes contenues dans la partie la plus postérieure de l'écoulement 22 auraient une occasion de se déposer sur la chicane dans la zone Z1. Le lobe 23, et plus particulièrement la zone Z2, se trouveraient dans une région où le dessus de la cuve est fermé. It can be imagined that the tank is extended rearwardly beyond the opening 10 of communication with the caisson 3 and that the baffle 19 extends to below the rear edge of the inlet opening 10 of the diphasic mixture. . Thus in zone Z1, even the droplets contained in the most posterior part of the flow 22 would have an opportunity to be deposited on the baffle in zone Z1. The lobe 23, and more particularly the zone Z2, would be in a region where the top of the tank is closed.

Claims

A liquid-gas separation device comprising a tank (8) having a two-phase mixing inlet (10) (22), a lower liquid outlet (18) and an upper gas outlet (17), characterized in that a baffle (19) placed between the inlet (10) of the mixture in the upper part of the tank and the gas outlet (17) defines for the flow a lobe (23) bypassing a detour edge (24) of the baffle (19), away from the gas outlet (17)

2. Device according to claim 1, characterized in that the gas outlet (17) is placed on a front wall (14) of the tank (8).

3. Device according to claim 1, characterized in that the liquid outlet (18) is placed in the bottom (13) of the tank (8) in a manner offset to a side (14) where the outlet is located. of gas (17).

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the baffle has a downward slope (Al) to the detour edge (24).

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the detour edge (24) has a spoiler (26) directed upwards.

6. Device according to claim 5, characterized in that the spoiler (26) is interrupted to provide at least one runoff passage (27) near an inner face of the vessel (8).

7. Device according to one of claims 1 to 5, characterized by at least one runoff passage (27) for the separated liquid, adjacent to the baffle (19) and an inner face of the vessel.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the baffle (19) has a lateral inclination (A2).

9. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the baffle (19) has two lateral inclinations (A2), each of an apex (28) of the baffle (19) to a side wall (12). ) of the tank (8).

10. Device according to claim 9, characterized in that the gas outlet (17) is under the top (28) of the baffle (19)

11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the inlet of the mixture (10) is constituted by the open top of the tank.

12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that there is provided a runoff gutter (31) formed at the junction between at least one side edge (29) of the baffle (19) and a wall (12) corresponding to the tank (8).

13. Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the vessel (8) has in the horizontal plane a length (LL) and a width (LA) both between 500 mm and 4000 mm.

14. Heat exchanger comprising a box (3) in which are arranged separate paths for two exchange fluids, characterized in that this box (3) is closed at the bottom by the tank (8) of a separating device liquid gas (9) according to one of claims 1 to 13.