Brevet FR2003648A1 — publié le 19691114

„ 1 2003643 59 ObiBl Les échangeurs thermiques connus sont généralement du type comprenant un ensemble d'éléments plats en forme de plaques, disposés parallèlement et à une certaine distance les uns des autres Deux plaques adjacentes sont séparées le long de deux bords oppo-5 sés par des éléments d'espacement afin de définir un certain nombre de passages entre-croisés. Chaque passage est limité par deux plaques rectangulaires avec deux organes d'espacement disposés le long de bords opposés. Un passage sur deux communique avec un premier collecteur, et les autres passages communiquent 10 avec un second collecteur. Le fluide réfrigérant est amené dans le premier collecteur et le fluide à refroidir est amené dans le second collecteur. Les deux fluides se trouvent donc évidemment de part et d'autre des éléments en forme de plaque, et s'il se produit une avarie ou une fuite dans 1'échangeur, les deux flui-15 des se mélangent. Ce mélange est indésirable et dangereux, notamment si l'un des fluides est de l'air chaud prélevé sur un moteur ou jur un compresseur et qui doit être refroidi par un combustible liquide, comme cela peut se produire dans les systèmes de ventilation a'avions supersoniques. En outre, si un échangeur 20 thermique de ce type connu vient à de briser, le combustible pénétrant dans les passages parcourus par l'air ohaud risque de s'enflammer et de transformer en un enfer la cabine des passagers lin conséquence, un objet de l'invention est de prévoir une chambre à fluide entre le fluide réfrigérant de 1*échangeur ther-25 mioue et le fluide à refroidir, cette chambre étant de préférence soumise à une pression supérieure à celle du reste de l'appareil. Un autre objet est de prévoir un fluide-tampon pour réduire l'importance des gradients de température et des efforts thermi-30 ques, ce qui à son "Cour empêche les fuites. Un autre objet est d'empêcher un chauffage instantané du combustible, qui sert également de réfrigérant, dans le cas où le courant de combustible est arrêté momentanément. Un autre objet est d'empêcher les fuites et le mélange du 35 réfrigérant et du fluide à refroidir. Un autre objet, enfin, est d'empêcher une partie quelconque de la surface externe de 1'échangeur thermique, y compris le conduit d'admission d'air chaud, d'atteindre une température à laquelle le combustible risque de s'enflammer. 40 D'une façon générale, l'invention prévoit des éléments en 06687 2 200364a forme de plaques parallèles, par exemple rectangulaires. Dans un sur deux des espaces compris entre les plaques sont disposés des organes tubulaires ou canaux-entretoijes, de préférence le long dus grands côtés des rectangles, pour former des passages pour le 5 fluide chaud. Ln outre, dans les autres espaces des canaux-entretoises sont disposés le long des petits côtés, de sorte que toutes les plaques sont reliées les unes aux autres pour former un empilement. Par suite, entre les passages pour fluide chaud sont ménagés des passages supplémentaires qui communiquent avec des 10 collecteurs disposés aux extrémités opposées de l'appareil et qui forment un récipient clos pour un fiuiue-tampon. Un compartiment plat est disposé dans chaque passage qui communique avec les collecteurs. Ces compartiments plats sont espacés des plaques et des canaux-entretoises, de jorte que le fluide-tampon les entoure 15 complètement. Chaque compartiment plat possède une entrée et une sortie, de .^orte que le réfrigérant le traverse. Pour réduire à un minimum les efforts thermiques, des trous convenables sont percés dans les canaux-entretoises, de sorte que les fluides-tampons s'écoulent librement dans et hors de ces canaux-entretoises. 20 Sur les dessins annexés, on a représenté schénatiquement et à titre d'exemple un mode de réalisation de l'invention. La fiGure 1 est une perspective de 1'échangeur, avec arrachement partiel. La figure 2 est une vue latérale à petite échelle de l'éehar> 25 geur de la figure 1. Les figures 3 et 4 sont respectivement des coupes d'une partie de 1'échangeur suivant 3-3 et 4-4 de la figure 2. La figure 5 est une élévation partielle montrant l'entrée d'air de 1*échangeur, avec certaines parties arrachées pour mon-30 trer la structure interne. La figure 6 est une vue latérale de 1'échangeur, avec la plaque latérale enlevée et certaines parties arrachées pour montrer la structure interne. Si l'on se reporte en particulier à la figure 1, on voit 35 que 1'échangeur thermique suivant l'invention possède une bride rectangulaire d'admission 11 pour le fluide à refroidir, par exemple de l'air chaud prélevé sur le moteur à réaction d*un avion supersonique, et une bride rectangulaire de sortie 12 qui forme la sortir de l'air refroidi. Des canalisations appropriées9 40 non représentées, peuvent être boulonnées aux brides 11 et 12 , 2003648 69 06D87 pour amener l'air chaud et évacuer l'air refroidi. On peut également disposer un compartiment comportant une cloison coupe-feu (non représentée) entre le conduit d'admission et la bride 11, pour des raisons qu'on expliquera par la suite. L'air quittant 5 1'échangeur a été refroidi, par exemple, par du combustible relativement froid qui pénètre dans 1'échangeur par une admission 13 et le quitte par un échappement 14® L'entrée et la sortie du combustible se font à travers une plaque latérale 16 qui relie les brides 11 et 12 et leur est brasée. Une plaque latérale sem-10 blable 17 (figure 5) est disposée de l'autre côté de 1'échangeur parallèlement à la plaque 16. Une plaque semi-cylindrique 18 (figure 1) est disposée au sommet de 1'échangeur et convenablement soudée aux plaques 16 et 17 et à des brides 32d de pièces 32 disposées à l'entrée et à la sortie, pour former un collecteur 15 de fluide-tampon au sommet de 1'échangeur. Une autre plaque semi-cylindrique 19 (figure 6) est disposée à la base de 1'échangeur et soudée aux plaques 16 et 17 ainsi qu'à des brides 33d (figure 6) de pièces 33 également disposées à l'entrée et à la sortie, pour former un collecteur de fluide-tampon à la base de l'échan-20 geur. .antre les plaques 16 et 17 sont disposées des plaques de transfert de chaleur 21, parallèles et à une distance régulière les unes des autres. Les plaques 21 sont de préférence rectangulaires, et dans un sur deux des espaces qu'elles ménagent, et des canaux-entretoises 22 sont disposés le long des deux bords 25 verticaux pour former des passages verticaux (figure 1). Des canaux-entretoises horizontaux 23 et 24 (figure 5) sont disposés dans les autres espaces séparant deux plaques adjacentes, respectivement le long des bords supérieur et inférieur des plaques 21, pour former des passages qui s'étendent de droite à gau-30 che sur la figure 1. Des passages horizontaux et verticaux sont ainsi formés entre les plaques 21. Pour des raisons qui seront expliquées plus loin, les canaux-entretoises verticaux 22a sont disposés entre la plaque 16 et la plaque 21 voisine et entre la 17 et la plaque 21 voisine, pour former des passages verticaux. 35 Les canaux-entretoises 22, 22a, 23 et 24 sont des tubes à section rectangulaire dans lesquels peut s'écouler un fluide-tampon. Les canaux-entretoises 23 et 24 ont leurs extrémités fermées de façon étanche par des bouchons appropriés 25 (figures 1 et 5), et pour permettre au fluide-tampon de s'y écouler, des trous 27 sont 40 percés seulement dans la surface supérieure des canaux-entretoi 4 2003648 9 06687 ses 23 et seulement dans la surface inférieure des canaux-entretoises 24 (figure 3). L'air chaud pénètre dans 1'échangeur à travers la bride 11, et les canaux-entretoises verticaux 22, 22a limitent le passage 5 de l'air à un sur deux des passages horizontaux ménagés entre les plaques 21. Pour augmenter les échanges thermiques, des ondulations 31 convenablement décalées (figure 1) sont placées entre les plaques 21 dans les passages pour l'air. Les organes 32 et 33 sont de préférence obtenus par extrusion et possèdent trois bri- 10 des, respectivement 32b, 32c et 32d, et 33^» 33c et 33cl. Comme indiqué précédemment, les brides 32d à l'entrée et à la sortie sont soudées bord à bord à la plaque 18, comme le montre la figure 6 ; les brides 32c s'étendent vers le bas par dessus l'extrémité bouchée des canaux-entretoises 23 et leur jont brasées ; les 15 brides 32b sont soudées aux brides 11 et 12 de 1'échangeur. L'angle vif entre les brides 32b et 32c est remplacé par un congé approprié. Les brides respectives des organes 33 sont soudées bord à bord à la plaque 19, brasées à l'extrémité inférieure bouchée des canaux-entretoises 24» et soudées aux brides 11 et 12. Chaque 20 organe 32 et 33 possède des oreilles espacées alignées 37 (visibles plus clairement sur la figure 6) parallèles aux brides 32c et 33c. Les oreilles 37 sont disposées au-delà des canaux-entretoises verticaux 22, de sorte que ces canaux sont maintenus solidement entre les oreilles 37 et les brides 32c et 33c respective-25 ment et leur sont brasés. Les barres verticales formant la bride 11 sont soudées aux plaques respectives 16 et 17 (figure 5). Pour des raisons qui seront expliquées ci-aprus, des plaques horizontales courbes 38 (figure 6) sont youdées au bord extérieur des barres horizontales de la bride 11 et aux plaques 18 et 19, tan-30 dis que des plaques courbes verticales 39 (dont une seule est visible figure 1) sont soudées aux bords extérieurs des barres verticales de la bride 11 et aux plaques 16 et 17. Etant donné que l'air chaud passe seulement par les passages horizontaux ménagés entre des paires adjacentes alternées de pla-35 ques 21 s'étendant sensiblement de la bride 11 à la bride 12, une caractéristique de l'invention est de prévoir un fluide-tampon du cpté des plaques 21 opposé à celui qui est en contact avec l'air chaud. Le fluide-tampon est disposé dans les passages verticaux qui communiquent avec un collecteur supérieur formé par la plaque 40 18 et avec un collecteur inférieur formé par la plaque 19. •39 06687 5 2003648 Une soupape de sûreté 41 (figure 2) est convenablement reliée au collecteur 18 pour empêcher la formation ci'unu pression excessive si, par exemple, le combustible servant de réfrigérant est coupé, auquel cas l'air chaud chaufferait une partie du fluide-tampon et 5 augmenterait ainsi la pression de celui-ci. De préférence, le fluide-tampon est un liquide de sorte que 1'échangeur thermique se trouve présenter une inertie thermique qui empêche des gradients de température exceosifs. la chaleur est extraite de l'air chaud par le combustible froid pénétrant par l'admission 13 et 10 sortant par l'échappement 14. La construction qui permet au combustible d'extraire la chaleur du fluide-tampon et donc de l'air chaud va maintenant être expliquée. L'admission 13 est pratiquement identique à la sortie 14, et toutes deux comprennent des tuyaux respectifs 44a et 44b (figure 1) auxquels sont fixées des 15 brides 46a et 46b. Les tuyaux 44a et 44b traversent la plaque 16 et pénètrent dans le collecteur inférieur de fluide-tampon, comme on le voit plus clairement sur la figure 5* Les tuyaux traversent alors un certain nombre de plaques 47a et 47b convenablement brasées aux tuyaux 44a et 44b. Les plaquas 47a et 47b sont des 20 plaques profilées ayant la même forme et elles sont placées face a. face, comme le montre la figure 4, de sorte que les bords verticaux 48a et 48b et les bords supérieur 48c et inférieur 48d (figure 6) des deux plaques se font face et sont brasés l'un à l'autre. Ohaque plaque possède une nervure centrale 49 qui part 25 du bord inférieur 48d et rejoint la nervure centrale sur sa plaque de raccordement, de sorte que quand les deux nervures sont brasées l'une à l'autre, il se forme une chambre en U aplati entre les deux plaques 47a et 47b, comme on le voit plus clairement sur la figure 6. Dans la partie des tuyaux 44a et 44b placée dans 30 la chambre formée par les plaques 47a et 47b, des ouvertures appropriées 51 sont ménagées, comme on le voit sur la figure 3 pour le tuyau 44a. Les ouvertures 51 permettent au fluide réfrigérant de quitter le tuyau 44a, de traverser les chambres en U, de pénétrer dans le tuyau 44b et de quitter 1'échangeur. A l'intérieur 35 des chambres en U sont disposées des ondulations 52 convenablement décalées de façon que la chaleur soit transmise effectivement des plaques 47a et 47b au fluide réfrigérant. En plus des ondulations 52 disposées entre deux plaques adjacentes 47a et 47b, des ondulations analogues 53 (figure 1) sont 40 disposées pour transférer la chaleur entre les plaques 21 et les 6 2003643 9 06687 plaques voisines respectives 47a et 47b. les ondulations 53 sont orientées pour permettre au fluide-tampon de se déplacer librement dans le sens vertical. En plus d'augmenter le transfert de chaleur, les ondulations 53 forment un support mécanique pour les 5 plaques 47a et 47b. Des tubes 55 sont disposés verticalenent le long des deux bords verticaux 48a et 48b des plaques 47a et 47b, comme le montre la figure 4, pour empêcher ces bords de se déformer sous l'action de la pression due au manque de support au-delà des ondulations 53- Les tubes 55 sont ouverts à leur sommet 10 et à leur base, de sorte que le fluide-tampon s'y écoule librement. Comme indiqué précédemment, des ondulations décalées 31 sont disposées entre deux plaques 21 adjacentes. Les ondulations 31 sont disposées de façon à permettre à l'air de se déplacer librement à travers le passage horizontal et de transférer effica- 15 cernent sa chaleur au combustible dans l'ordre suivant : de l'air chaud aux ondulations 31» des ondulations 31 aux plaques 21, des plaques 21 aux ondulations 53> des plaques 53 aux plaques 47} des plaques 47 aux ondulations 52, et des ondulations 52 au combustible froid. 20 Avec les échangeurs utilisant des combustibles très inflam mables comme milieu absorbeur de chaleur, il est nécessaire de prévoir des mesures de sécurité. En fonctionnement normals la bride 11 est dans ce cas boulonnée contre une cloison coupe-feu non représentée, de sorte que les fluides inflammables se trou- 25 vent du côté "échangeur" et les éléments à haute température de l'autre côté de la cloison. Si une fuite se produit dans une partie quelconque du système de combustible à l'extérieur de l'é-changeur, le combustible reste contenu d'un côté de la cloison coupe-feu et ne peut venir en contact avec une quelconque des sur 30 faces chaudes des conduits qui transportent l'air chaud. Etant contenu d'un côté de la paroi coupe-feu, le combustible vient, en cas de fuite, en contact avec les surfaces extérieures de l'échan geur qui sont maintenues à une température relativement faible par le fluide-tampon. En outre, étant' donné que les trous 34a et 35 34b permettent au fluide-tampon de s'écouler à l'intérieur des plaques courbes 38 et 39, ces plaques sont également maintenues par le fluide-tampon à une température relativement basse. Par suite, pratiquement à n'importe quel endroit de la surface libre de 1'échangeur thermique, sauf à l'extrémité de sortie qui est toujours froide, le fluide-tampon est disposé du côté opposé. 69 Oc687 7 2003648 La bride 11 étant relativement large, toute chaleur s'écoulant vers l'extérieur à travers la bride est extraite par le fluide-tanpon contenu à l'intérieur des plaques 38 et 39. En outre, puisque l'air qui traverse 1'échangeur doit être 5 envoyé à la cabine d'un avion, le combustible et l'air ne peuvent pas être mélangés pour des raisons de santé et de sécurité. Une fuite éventuelle dans 1'échangeur se produit le plus vraisemblablement soit entre le combustible et le fluide-tampon, soit entre l'air et. le fluide-tampon. Le fluide-tampon sépare donc l'air 10 et le combustible. Hêae si, par un hasard peu probable, il se produit simultanément deux fuites, l'une entre lu fluide-taupon et le combustible et l'autre entre le fluide-tampon et l'air, le combustible et l'air ne peuvent pas se mélanger, puisque le compartiment contenant le fluide-tampon est soumis, par exemple par 15 la soupape 41> à une pression supérieure à celles du combustible et de l'air. Il en résulte que le fluide-tampon s'écoule vers l'extérieur et empêche le combustible et l'air de pénétrer dans le compartiment tampon. Par suite, en utilisant un accumulateur de fluide-tampon, on peut vérifier à chaque instant la pression 20 et le volume, et une perte de fluide-tampon indique un mauvais fonctionnement. En outre, s'il se produit une courte période pendant laquelle aucun combustible ne circule pour évacuer la chaleur, le dispositif utilise automatiquement la chaleur de vaporisation du fluide-tampon pour refroidir l'air avant qu'il pénètre 25 dans la cabine des passagers. Cette caractéristique donne un temps suffisant pour couper le système associé de conditionnement d'air avant que la température de la cabine atteigne un niveau dangereux. Le fluide-tampon est, de préférence, de l'eau, pour obtenir les meilleurs échanges thermiques, et il peut être né-30. cessaire d'ajouter un anti-gel tel qu'un glycol pour permettre un fonctionnement à une température ambiante basse. Un gaz inerte tel que de l'azote peut également être considéré comme un fluide-tampon dans le cas où il ne doit pas être utilisé comme absôrbeur de chaleur secondaire. 35 II doit être bien entendu que le mode de réalisation décrit et représenté ne l'a été qu'à titre d'exemple et peut subir de nombreuses modifications sans sortir de l'esprit de l'invention. 9 06687 8 2003548 REVENDICATIONS 1 - Echangeur thermique comprenant des premiers et seconds passades indépendants qui servent à l'écoulement respectivement d'un premier et d'un second fluides, et caractérisé par une enceinte pour un troisième fluide disposée entre les premiers et 5 les seconds passades et capable de procéder a des échanges thermiques avec ces passages. 2 - Echangeur suivant la revendication 1, comprenant une série de plaques espacées (27), et caractérisé en ce qu'un espace sur deux entre les plaques détermine respectivement les pre- 1° miers passades (31) et des parties de l'enceinte (22, 22a, 53» 55), les seconds passages (47a, 47b) étant disposés a l'intérieur des espaces précités délimitant les parties de l'enceinte pour le troisième fluide. 3 - Echangeur suivant la revendication 2, caractérisé en ce 15 que les espaces entre les plaques qui délimitent les parties de l'enceinte du troisième fluide communiquent avec un premier et un second collecteur (18 et 19) aux extrémités opposées des plaques . 4 - Echangeur suivant la revendication 2 ou 3> caractérisé 20 par des premiers organes d'espacement (31) situés entre les plaques qui délimitent les premiers passages et des seconds organes d'espacement (22, 22a, 53» 55) situés entre les plaques qui délimitent des parties de l'enceinte pour le troisième fluide. 5 - Echangeur suivant la revendication 4i caractérisé en ce 25 que les premiers et les seconds organes d'espacement définissent chacune des cloisons tubulaires à l'intérieur de l'espace respectif entre les plaques. 6 - Echangeur suivant la revendication 5» caractérisé en ce que les premiers organes d'espacement (31) sont de forme ondulée. 30 7 - Echangeur suivant la revendication 5» caractérisé en ce que des éléments ondulés (52) sont disposés dans les seconds passages et des éléments ondulés (53) sont également disposés entre les seconds passages et les plaques qui ont entre-elles les espaces délimitant les parties de l'enceinte pour le troisième 35 fluide. 8 - Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 2 à 7» caractérisé en ce que les seconds passages sont formés ■ qhacun par au moins deux parois planes (47a, 47b) disposés dans 9 2003648 les espaces pré-cités délinitant les parties de l'enceinte pour le troisième fluide. 9 - Echangeur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les parois planes (47a, 47b) précitées ont chacune la raeiae configuration et s on o • d io y ou é es face à face avec leur a parties en contact reliées l'une a l'autre. 10 - iLCiian^eur juivant la revendLcation 9, caractérisé en ce qu'il con.pi end des conduits (13*14) pour a lener un fluide aux seconds passades et l'en évacuer. 11 - Ecuun^eur suivant la revendication 10, caractérisé en ce que ce conduit conpiend au noins un tuyau (44a, 44b) s'étendant a travers un des collecteurs (19) et a travers les parois planes précitées (47a, 47b), ce tuyau étant percé d'ouvertures qui cor.inuniquent avec les seconds passa-es for.aés par les parois planes. 12 - Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 6 a 10, caractérisé- en ce que les deux parois planes fornent un second passade à section en U. 13 - Echangeur suivant les revendications 11 et 12, caractérisé en ce que l'extrénité liore «e chacun ues branches de l'U communique avec un tuyau, tandis que le second fluide peut s'écouler d'un tuyau a l'autre par les deux branches de l'U. 14 - Echangeur .-suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par des noyeris pour naintenir la pression du troisième fluide à une valeur supérieure aux pressions de l'un quelconque des prenier et second fluides. BAO ORIGINAL