Brevet FR2031590A1 — publié le 19701120

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur, et elle concerne plus particulièrement les échangeurs de chaleur à plaques poreuses ainsi que les collecteurs qui y sont associés. Le Brevet américain nO 3 477 504 décrit un échangeur de chaleur à plaques poreuses convenant particulièrement pour les installations de réfrigération cryogénique fonctionnant suivant le cycle de Brayton inversé et le cycle de Claude. Ce brevet décrit un échangeur de chaleur comportant plusieurs plaques poreuses possédant une conductivité importante, qui sont espacées les unes des autres par plusieurs séparateurs de faible conductivité qui forment, avec lesdites plaques, deux ou plusieurs conduits destinés à être traversés par des écoulements de fluide à contre-courant.Dans les installations de réfrigération cryogénique fonctionnant suivant le cycle de Brayton inversé ou le cycle de Claude, en particulier lorsque ces installations fonctionnent avec des écarts de température très importants, il est nécessaire d'utiliser plusieurs échangeurs de chaleur ou plusieurs étages d'échange de chaleur pour obtenir une chute de température importante dans l'installation avec un agencement réalisable et utilisable en pratique. Dans une telle installation, le gaz est évacué en un point situé entre deux étages du côté du courant chaud, traverse un dispositif de détente qui refroidit le gaz et le renvoie vers un point situé entre deux étages du côté du courant froid.Dans de telles installations, qui comportent plusieurs étages échangeurs de chaleur, il est nécessaire d'utiliser plusieurs échangeurs de chaleur distincts comportant deux collecteurs entre les différents étages. Même en tenant compte de la simplicité et de la compacité relatives des échangeurs de chaleur à plaques poreuses du type décrit dans le brevet américain précédemment mentionné, la présence de deux collecteurs entre les différents étages augmente le volume, le poids, le coût et la complexité mécanique du dispositif échangeur de chaleur. La présente invention se propose de perfectionner les collecteurs dans les dispositifs échangeurs de chaleur. La présente invention se propose aussi de fournir un dispositif échangeur de chaleur comportant des collecteurs de complexité, de volume, de poids et de coût réduits. La présente invention se propose encore de fournir des collecteurs de construction simple pour des échangeurs de chaleur du type à plaques poreuses. La présente invention se propose enfin de fournir un collecteur intermédiàire perfectionné pour un échangeur de chaleur à plaques poreuses. L'échangeur de chaleur du type à plaques poreuses à contre-courant, suivant la présente invention, comporte plusieurs plaques, possédant une conductivité importante, associées à plusieurs séparateurs, possédant une faible conductivité, pour former deux conduits à contre-courant. Chaque séparateur est disposé entre deux plaques adjacentes et est en contact avec celles-ci. Chacun de ces séparateurs comporte un cadre extérieur et un élément de séparation disposé entre les côtés du cadre et réalisé d'une seule pièce avec celui-ci. Les séparateurs sont alignés de façon à former deux ou plusieurs conduits dont une partie est imbriquée avec les parties adjacentes des autres conduits.Des moyens sont prévus pour faire circuler des écoulements de fluide à contre-courant dans chacun des conduits. Un collecteur est disposé entre les extrémités de l'échangeur de chaleur parmi les séparateurs et les plaques poreuses. Ce collecteur comporte un cadre extérieur sensiblement plus épais que les plaques ou les séparateurs de l'échangeur de chaleur, ainsi qu'un élément de séparation délimitant deux conduits dont les différentes parties coïncident avec les parties de conduits formées par l'ensemble des plaques et des séparateurs. Au moins un des conduits ménagés dans le collecteur comporte un passage latéral qui fait communiquer les différentes parties imbriquées du conduit. Une ouverture d'entrée du fluide aboutit dans ledit passage latéral. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de realisation particulière donnée à titre d'exemple et représentée au dessin annexé dans lequel La figure I est un schéma d'un échangeur de chaleur possédant trois étages, un dispositif de détente étant branché entre les conduits chaud et froid dans un des étages. La figure 2 est un schéma d'un échangeur de chaleur composite identique à celui représenté dans la figure 1 mais se présentant d'une seule pièce. La figure 3 est une vue en perspective explosée, très simplifiée, de l'échangeur de chaleur composite représenté dans la figure 2, et illustre en particulier le collecteur intermédiaire suivant la présente invention. La figure 4 est une vue en perspective dlun collecteur suivant la présente invention qui est utilisé comme collecteur extrême pour un échangeur de chaleur du type à plaques poreuses tel celui qui est représenté dans la figure 3. La figure 1 représente un dispositif échangeur de chaleur cryogénique 10 comportant- trois étages ou trois échangeurs de chaleur 11, 12. et 13 branchés en série. La ligne 14 portant des flèches représente le passage de l'écoulement chaud dans les échangeurs de chaleur et la ligne 15 portant des flèches représente le passage de l'écoulement froid à travers les échangeurs de chaleur. Chacun des échangeurs de chaleur 11, 12 et 13 comporte deux collecteurs extrêmes. Les collecteurs extrêmes adjacents entre deux étages consécutifs sont reliés. Un dispositif de détente 16, tel une turbine, est branché entre le conduit chaud, au point de jonction du premier et du second étage 11 et 12, et le conduit froid, au point de jonction entre -le troisième et le second étage 13 et 12.L'utilisation de plusieurs échangeurs de chaleur branchés en série et associés à un dispositif de détente permet de refroidir le fluide de réfrigération jusqu'à une basse température souhaitée en faisant intervenir une capacité d'échange de chaleur plus faible que dans le cas où on utilise un seul échangeur de chaleur entre les températures de fonctionnement extrêmes du cycle d'échange de chaleur. Même dans le cas d'une installation utilisant plusieurs étages distincts ainsi qu'un dispositif de détente, bien que les dimensions, le poids et le volume de cette installation soient réduits par rapport au cas où l'on n1 utilise qu'un échangeur de chaleur, 1' exis- tence d'un collecteur entre les étages implique encore une complexité, un poids et un volume considérables pour l'ensemble du dispositif échangeur de chaleur. La figure 2 représente un échangeur de chaleur composite 20 possédant plusieurs étages, représentés ici par les étages 21, 22 et 23, cet échangeur dechaleur-étant réalisé d'un seul bloc et comportant deux collecteurs intermédiaires 24 et 25 qui permettent de réaliser une prise sur les conduits chaud et froid, représentés respectivement par les lignes 26 et 27, afin de pouvoir insérer des dispositifs semblables au dispositif de détente décrit en se référant à la figure 1. Les collecteurs 24 et 25 sont réalisés de façon qu'un seul conduit doit être muni d'une prise si on désire permettre à l'autre conduit de traverser le dispositif sans être affecté par la prise réalisée sur l'autre conduit.La flèche 28 sur le collecteur 24 indique que le conduit chaud 26 est muni d'une prise et la flèche 29 sur le collecteur 25 indique que le conduit froid 27 est muni d'une prise. La figure 3 représente une vue explosée d'un échangeur de chaleur composite 30 et illustre l'agencement physique de l'échangeur de chaleur composite, représenté dans la figure 2, suivant la présente invention. L'échangeur de chaleur 30 comporte deux collecteurs extrêmes 31 et 32 et deux collecteurs intermédiaires 33 et 34 correspondant respectivement aux collecteurs intermédiaires 24 et 25 dans la figure 2. Le premier etage échangeur de chaleur 30 comporte plusieurs plaques poreuses, identiques à celle désignée par la référence 35, et plusieurs séparateurs ou organes d'écartement possédant une faible conductivité, identiques au séparateur désigné par la référence 36. On n'a représenté qu'une seule plaque et qu'un seul séparateur entre les collecteurs 31 et 33.Cependant, on remarquera que le dispositif comporte en fait plusieurs éléments de ce type, un séparateur étant interposé entre les plaques et en contact avec celles-ci. De même, le second étage comporte plusieurs plaques poreuses, possédant une conductivité importante, et plusieurs séparateurs, possédant une faible conductivité, chaque séparateur étant disposé entre des plaques adjacentes et faisant contact avec celles-ci. Le troisième étage comporte aussi plusieurs plaques poreuses, possédant une conductivité importante, et plusieurs séparateurs possédant une faible conductivité, chacun des séparateurs étant interposé entre des plaques adjacentes et faisant contact avec celles-ci. Les plaques 35 de ltéchangeur de chaleur composite peuvent être identiques. Les séparateurs 36 de chacun des trois étages sont identiques.Chacun des séparateurs 36 comporte un cadre extérieur 40 et un élément de séparation 41 disposé entre les côtés du cadre et réalisé d'une seule pièce avec celui-ci. Comme représenté dans la forme de réalisation de la figure 3, l'élément de séparation 41 est un cloisonnement continu partant du petit côté 42 du séparateur rectangulaire et replié plusieurs fois sur lui-même afin de former une ouverture centrale allongée 43 d"un côté de laquelle sont disposées deux ouvertures allongées -jg-.lus étroites 44 et 45 et de autre côté de laquelle sont aussi disposées deux ouvertures allongées plus étroites 46 et 47 Los ouvertures 45 et 47 sont reliées à l'ouverture centrale 43 par l'intermédiaire d'un passage 48.Les ouvertures 44 et 46 sont reliées par l'intermé- diaire d'un passage latéral 49 ménagé de l'autre côté du séparateur 36. Ces liaisons entre ouvertures sont destinées à imposer une distribution d'écoulement uniforme dans les conduits. Lorsque le dispositif est assemblé les séparateurs 36 sont alignés de façon à constituer deux conduits dans l'échangeur de chaleur, un des conduits étant constitué par des ouvertures allongées imbriquées avec les ouvertures allongées constituant les autres conduits, et les différentes ouvertures imbriquées étant reliées par des passages latéraux. Les ouvertures allongées 43, 45 et 47 ménagées dans les différents séparateurs sont alignées pour former un conduit et, de même, les ouvertures allongées 44 et 46 me- nagées dans chacun des séparateurs sont alignées pour former le second conduit.On remarquera qu'une plaque poreuse 35 est disposée entre les différents séparateurs. Chacune des plaques poreuses peut comporter plusieurs petits orifices ou perforations. Les orifices peuvent etre groupés en cinq unes allongées 51, 52, 53, 54, 55, chacune de ces zones correspondant à une des cinq ouvertures allongées 43, 44, 45, 46, 47 ménagées dans le séparateur 36 par l'intermediaire de l'élément de séparation 41. De préférence, les régions correspondant aux endroits où les séparateurs 36 s'appuient sur les plaques perforées 35 ne sont pas poreuses afin d'obtenir une bonne conductivité thermique.De préférence, les orifices ménagés dans les plaques poreuses ou perforées 35 dans chacun des étages ne sont pas alignés avec les orifices ménagés dans les plaques adjacentes afin de former un trajet tortueux pour le fluide circulant dans un conduit, ce qui permet d'obtenir un bon transfert de chaleur.Bien que dans l'exemple cité et représenté les séparateurs 36 et les plaques perforées 35 délimitent un conduit formé par trois fentes ou ouvertures allongées et un autre conduit formé par deux fentes ou ouvertures qui sont imbriquées avec les premières,on remarquera qu'un conduit peut être délimité par une seule ouverture allongée et que l'autre conduit peut être délimité par deux de ces ouvertures, ou que le séparateur peut comporter un nombre plus important ou plus faible d'ouvertures allongées si on le désire. Les collecteurs extrêmes 31 et 32, les collecteurs intermédiaires 33 et 34 et les plaques perforées 35 sont de pré férence métalliques. L'aluminium convient très bien pour réaliser ces éléments. Les organes d'écartement ou séparateurs 36 sont en matériau isolant, et l'on peut utiliser une matière plastique pour les réaliser. Les plaques d'aluminium et les séparateurs en matière plastique sont liés les uns aux autres ainsi qu'aux collecteurs intermédiaires et extrêmes. I1 est préférable de disposer un séparateur en matière plastique entre les plaques métalliques pour obtenir une bonne liaison des matériaux ainsi qu'une bonne assise des plaques métalliques les unes sur les autres. Le collecteur intermédiaire 33 a une constitution identique 9 celle d'un séparateur 36 et comporte un cadre extérieur 60, une partie centrale 61 partant d'un petit côté du cadre et coopérant avec des éléments de séparation supérieurs et inférieurs 62 et 63 partant de l'autre des petits cotés du cadre pour former quatre ouvertures allongées 64, 65, 66 et 67. Une large ouverture allongée 68 est ménagée dans l'élément de séparation central 61. Un passage latéral 69 relie les puvertures allongées 65 et 66. Suivant la direction axiale le collecteur intermédiaire 33 est sensiblement plus épais qu'un séparateur 36 ou qu'une plaque 35. L'ouverture centrale 68 coïncide avec l'ouverture centrale 43 ménagée dans les séparateurs.Les ouvertures extrêmes 64 et 67 coïncident avec les ouvertures extrêmes 45 et 47 ménagées dans les séparateurs 36, et les ouvertures allongées intermédiaires 65 et 66 coïncident avec les ouvertures allongées intermédiaires 44 et 46 ménagées dans les séparateurs 36. Une ouverture 70 d'entrée du fluide communique avec le passage latéral 69 pour permettre d'accéder au conduit dont fait partie ce passage. Le collecteur intermédiaire 34 est identique au collecteur intermédiaire 33 mis à part que le passage latéral 71, faisant partie du conduit délimité par les ouvertures allongées 64, 68 et 67, communique avec une ouverture 72 ménagée dans le petit c6té adjacent. Les différents éléments du collecteur 34 , qui correspondent aux éléments du collecteur 33, sont désignés par les mêmes références. Dans certaines applications, si on le désire les collecteurs intermédiaires 33 et 34 peuvent être munis de canalisations communiquant avec les différents conduits ménagés dans ces collecteurs. Non seulement des canalisations 73 et 74 peuvent être prévues de chaque côté du collecteur, en communication avec chacun des conduits, mais une des faces 75 du collecteur peut être fermée, comme représenté dans la figure 4, pour obtenir un collecteur extrême permettant d'établir un écoulement de fluide à partir des côtés de l'échangeur de chaleur. Chacun des collecteurs extrêmes 31 et 32 représentes dans la figure 3 est constitué par un bloc de matériau métallique dans lequel sont ménagées plusieurs ouvertures allongées 80, 81, 82, 83 et 84,Partant de l'une des faces pour aboutir- à l'autre, chacune de ces ouvertures correspondant respectivement aux ouvertures allongées 45, 44, 43, 46 et 47 ménagées dans les séparateurs. Un cloisonnement 85 est prévu sur la face arrière du collecteur, ce cloisonnement étant disposé entre les deux côtés longitudinaux 86 et 87 du collecteur. Un boîtier 88, muni d'une ouverture d'accès 92, et un boîtier 89, muni d'une ouverture d'accès 93, communiquent avec chacun des conduits de l'échangeur. Le boîtier 88 occupe la surface comprise entre les deux côtés longitudinaux et entre le petit côté 90 et le cloisonnement 85. Le boîtier 89 occupe la surface comprise entre les deux côtés longitudinaux et le petit côté 91 et le cloisonnement 85. Les ouvertures allongées 81 et 83 sont fermées au niveau de la face arrière du collecteur, entre le côté 90 et le cloisonnement 85. Rar conséquent, le boîtier 88 ne communique qu'avec le conduit délimité par les ouvertures 80, 82 et 84. De même, les ouvertures allongées 80, 82 et 84 sont fermées au niveau de la face arrière du collecteur, entre le côté 91 et le cloisonnement 85. Par conséquent, le réservoir 89 ne communique qu'avec le conduit délimité par les ouvertures 81 et 83. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur destiné- à effectuer un transfert de chaleur entre des écoulements de fluide à contrecourant, caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs plaques poreuses possédant une conductivité importante, plusieurs séparateurs possédant une faible conductivité, chacun des séparateurs étant interposé entre deux plaques adjacentes et en contact avec celles-ci de façon à constituer un empilement, chacun des séparateurs comportant un cadre extérieur et un élément de séparation s'étendant entre les côtés du cadre et d'une seule pièce avec celui-ci, ces séparateurs étant alignés de façon à délimiter deux conduits, une partie d'un des conduits étant imbriquée avec les parties adjacentes de l'autre conduit, des moyens pour faire circuler un fluide dans chacun de ces conduits, un collecteur situé à l'intérieur de l'empilement de plaques et de séparateurs, ce collecteur comportant un cadre extérieur sensiblement plus épais que les plaques ou les séparateurs et un élément de séparation délimitant deux conduits dont les différentes parties con- cident avec celles des conduits formés dans ledit empilement, un des conduits formés dans le collecteur comportant un passage latéral qui fait communiquer les différentes parties de ce conduit, et une ouverture d'entrée du fluide qui communique avec ledit passage latéral. 2. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les séparateurs, les plaques poreuses et le collecteur ont une forme généralement rectangulaire, la dimension longitudinale de chaque partie de conduit étant parallèle au grand côté des séparateurs. 3. Echangeur de chaleur suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comporte un autre collecteur situé à l'intérieur de l'empilement de plaques et de séparateurs entre le premier collecteur et une extrémité de l'échangeur de chaleur, ce collecteur comportant un cadre extérieur sensiblement plus épais que les plaques ou les séparateurs et un élément de séparation délimitant deux conduits dont les différentes parties coïncident avec celles des conduits fDrmSés dans ledit empilement, un des conduits formés dans le collecteur comportant un passage latéral qui fait communiquer les différentes parties de ce conduits et une ouverture dlentrée du fluide qui communique avec ledit passage latéral. 4. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, caractérisé par le fait que les moyens destinés à faire circuler un fluide dans les conduits sont constitués par un collecteur situé à une extrémité de l'échangeur de chaleur, ce collecteur comportant un cadre extérieur sensiblement plus épais que les plaques ou les séparateurs et un élément de séparation délimitant deux conduits dont les différentes parties coïncident avec celles des conduits formés dans ledit empilement, les différentes parties de chaque conduit formé dans ce collecteur étant reliées par-l'intermédiaire d'un passage latéral, deux ouvertures d'entrée du fluide communiquant respectivement avec les passages latéraux ménagés dans le collecteur, la face du collecteur opposée à l'empilement de- plaques et de séparateurs étant fermée hermétiquement.