Brevet FR2085924A1 — publié le 19711231

La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur à plaques comportant des répartiteurs à éléments ondulés. Elle se rapporte plus particulièrement à des répartiteurs à éléments ondulés utilisés en coopération avec des orifices latéraux et 5 non d'extrémité. Le répartiteur selon l'invention comporte un secteur supplémentaire qui augmente beaucoup l'uniformité de la répartition du fluide sur la largeur des passages de 1'échangeur. Pour que le fluiae se répartisse uniformément dans un passa-10 ge d'un échangeur de chaleur, il faut que la perte de charge soit la même dans tous les canaux de ce passage. Pour obtenir cette égalité, il faut de façon générale des répartiteurs sensiblement identiques, reliés à -3es collecteurs d'entrée et de sortie qui sont disposés aux angles ou sur les côtés opposés du 15 corps de 1'échangeur. Par conséquent, même si les pertes de charge ne sont pas égales dans les divers canaux du répartiteur d'entrée, leurs variations sont compensées par le répartiteur de soruie» I»iais, pour que cette compensation soit effective, il faut que chaque répartiteur soit capable de "pressentir" le 20 fonctionnement de l'autre. 3n d'autre termes, il faut que le gradient de pression latérale qui existe juste en aval du répartiteur d'entrée soit transmis sans modification au répartiteur de sortie. Il ne doit donc pas y avoir d'écoulement latéral dans l'espace compris entre ces répartiteurs, car un tel écoule-25 ment modifierait le gradient de pression, et par conséquent la répartition du fluide. Si la longueur du passage d'un échangeur à éléments ondulés dentelés ou perforés est supérieure à environ six fois sa largeur, l'écoulement latéral est suffisant pour déterminer la répartition du fluide, et il. est important que 30 les pertes de charge soient sensiblement égales dans tous les canaux des répartiteurs. La présente invention concerne donc un répartiteur de fluide pour échangeur de chaleur à plaques et à orifices latéraux, qui est capable de produire dans tous ses canaux sensiblement la même 35 perte de charge, qui répartit le fluide de manière sensiblement uniforme sur toute la largeur des passages de l'echangeur, les répartiteurs d'entrée et de sortie pouvant fonctionner absolument 71 12345 2 2085924 indépendamment, et par conséquent, indépendamment de la lon-geur de ces passages, les dimensions et les caractéristiques des éléments ondulés de ce dernier étant déterminées de façon à satisfaire à ces conditions et le répartiteur comportant au moins 5 trois secteurs distincts. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à 10 l'invention. Sur ces dessins, la figure 1 est une perspective d'un échangeur de chaleur à plaques selon l'invention ; la figure 2 est une coupe de l'un des passages de cet échan- 15 geur et montre la constitution du répartiteur, et la figure 3 représente à plus petite échelle l'une des plaques de cet échangeur. L'échangeur 10 comporte des plaques rectangulaires 12 dont le contour est semblable et qui sont disposées parallèlement, 20 comme on l'a représenté sur la figure 3, la longueur de chacune d'elles étant supérieure à six fois sa largeur. Des plaquettes 14, brasées sur les bords de ces plaques, obturent hermétique- ces ment les espaces qui séparent/dernières, en délimitant entre celles-ci des passages rectangulaires relativement étroits, dont 25 l'axe longitudinal est parallèle au grand axe desdites plaques. Certain§&e ces passages 16 comportent des ouvertures latérales d'entrée et de sortie 18 et 20 respectivement, destinées à laisser circuler dans le corps de 1'échangeur un premier fluide, du collecteur latéral d'entrée 30 au collecteur latéral de sor-30 tie 28. D'autres passages 26 comportent des ouvertures d'entrée et de sortie communiquant respectivement avec des collecteurs d'entrée 24 et de sortie 22. On se reportera maintenant à la figure 2. Le passage 16, de largeur CW, est divisé en un secteur 32 d'entrée dans le 35 répartiteur, dont la longueur est DL, un secteur 34 échangeur de chaleur, et un secteur 36 de sortie du répartiteur. 71 12345 3 2085924 le secteur 32 comporte une sone 33 ayant la largeur PW de l'orifice, une zone intermédiaire 46, et une zone 52 à forte perte Ce charge. La zone 38 est triangulaire at est composée d'éléments 0 ondulés tels eue ceux qui ont été représentés sur la figure 9 du brevet des Lxats-Uhis d'Amérique II0 3 282 334» Le terme "élément ondule" utilisé dans la présente description et dans les revendications inclut le genre de la matière, c'est-à-dire le genre de métal, la forme des ondulations, droites, 10 en chevrons, perforées, dentelées, etc. et leur hauteur, leur largeur et leur écartement. On peut se procurer ces éléments en grandes plaques rectangulaires dans lesquelles on peut découper les diverses zones à la forme désirée. Ce terme ne désigne pas ici la forme de ces zones. 15 Un bord 40 de la zone 38 touche et suit l'embouchure de l'ouverture 18. Un autr^fcord 41 de la zone loge la face intérieure de la plaquette 14 qui ferme en haut le passage 16. Un troisième bord 42 de cette sone suit une droite 43 qui coupe en diagonale l'axe longitudinal de ce passage 16, d'un point 44, 20 à l'angle intérieur de l'ouverture 18, à l'angle opposé 45 dudit passage. Les sommets st creux des cannelures de cette sone 38 sont perpendiculaires à cet axe longitudinal, au bord 40 et au bord de l'orifee 18, et sont parallèles au bord 41. La zone intermédiaire 46 se compose d!un élément ondulé 25 triangulaire tel que celui qui a été représente sur la figure S du brevet précité. Un de ses bords 47 3uit la droite 43, tandis qu'un autre 48 longe la plaquette 14 située du côté du passage 16 qui fait face à l'ouverture 18. Un troisième bord 49 suit une droite 50 qui va du point 44 à un point 51 du 30 côté opposé du passage. On remarquera notamment que ce point 51 se trouve plus près que le point 44 du secteur échangeur de chaleur 34. La sone 52 à, forte perte de charge a une forme triangulaire et est constituée d'un élément à ondulâtions/serrées tel que celui 35 qui a été représenté sur la figure 11 du brevet précité. Un de ses bords 53 touche le bord 49 de la zone 46. Un autre bord 54 coïncide avec une droite 55 qui part du point 51 et traverse 71 12345 4 2085924 le passage 16 perpendiculairement à l'axe longitudinal de ce dernier. TJn troisième bord 56 de cette zone 52 est en contact avec la plaquette 14 située du côte du passage qui est adjacent à l'ouverture 18. 5 Le secteur de sortie 36 peut être composé de zones sensi blement identiques à celles du secteur 32. C'est ainsi que la zone 57, adjacente à l'ouverture de sortie, de ce secteur est sensiblement identique à la zone 38 du secteur 32, que la zone intermédiaire 58 est sensiblement identique à la zone 46 et 1G que la zone 59 à forte perte de charge de ce secteur 36 est sensiblement identique à la zone 52 du secteur 32. De plus, le point 61 correspond au point 51, le point 62 de l'extrémité intérieure de l'ouverture 20 correspond au point 44 de l'ouverture 18, l'angle 63 correspond à l'angle 45, la droite 64 correspond à "15 la droite 43, la droite 65 à la droite 50 et la droite 66 à la droite 55. Le secteur 34 échangeur de chaleur comporte une zone rectangulaire 67 constituée d'un élément ondulé du genre représenté sur la figure 11 du brevet précité. Les bords supérieur et 20 inférieur de cette zone coïncident respectivement avec les droites 55 et 66. Les cannelures des zones 46} 52, 67, 59 et 58 sont parallèles à l'axe longitudinal du passage 16, au bord 40 et a l'ouverture 18, et sont perpendiculaires au bord 41. 25 3i l'élément de la zone 67 crée une forte perte de charge et est identique à celui dès zones 52 ou 59, l'un ou l'autre des éléments de ces dernières zones, ou les deux, peut faire corps avec lui. néanmoins, celles des parties de. l'élément unique, oui se trouvent entre la droite 55 et le haut de 1'échangeur et entre 0 . 30 la droite 66 et le bas de cet échangeur, constitueront des zones triangulaires à forte perte de charge dont les canaux les plus longs sont adjacents à l'ouverture respective, comme ce serait le cas pour les éléments des zones 52 et 59 s '"ils étaient ihaépendants ae celui de cette zone 67. 35 Les sommets des cannelures de chacune des zones 38, 4£, 52, 67, 59, 58 et 57 sont brasés aux plaques 12 qui limitent le passage 16, si bien que les parties de ces cannelures qui se 71 12345 5 2085924 trouvent entre ces sommets et les cre.ux de ces dernières constituent des coiiduites ou canaux destinés a répartir le fluide échangeur. Ces canaux ont un diamètre hydraulique D que l'on peut définir comme étant le quotient de quatre fois leur sec-5 tion par le périmètre mouillé, Cr peut donc calculer ce diamètre pour tout genre d'élément ondulé. De plus, pour un élément donné, on peut déterminer un coefficient Ac de section de passage. 2 Ce coefficient est exprimé ici en dm de section par centimètre d'élément, mesuré parallèlement aux plaques 12 et perpendi-10 culairement aux cannelures, le diamètre hydraulique et le coefficient de section de passage sont donc des grandeurs que l'on peut déterminer directement sur l'élément par des mesures. Un troisième paramètre utilisé dans la présente description, f, est le coefficient de frottement, que l'on doit déterminer 15 expérimentalement pour chaque genre d'élément. On peut exprimer ce coefficient de frottement par la formule : D AP 4 1 (VE) où D est le diamètre hydraulique, (1E) l'énergie cinétique du fluide, 1 la longueur du canal et AP la perte de charge déterminée expérimentalement. 20 le diamètre hydraulique, le coefficient de section de pas sage et le coefficient de frottement sont des expressions que les spécialistes de la mécanique des fluides connaissent. On peut aisément déterminer les valeurs de ces paramètres pour tout élément ondulé. 25 Pour obtenir un répartiteur dans tous les canaux duquel la perte de charge est sensiblement la même, il faut établir le rapport entre les dimensions des première, seconde et troisième zones 138, 46 et 52, et les dimensions et caractéristiques de frottement de leurs éléments. Ce rapport est le suivant : Çï 2,8 PW [1 + K ?W ] 71 12345 , 2085924 6 ■ ■■ (!)1,2 (%) - , Dg, IL sont: respectivement des diamètres hydrauliques des éléments de ces trois zones, Ac., , Ac„, Ac„ sont les coefficients de section de passage ■ c- o respectifs de ces zones, 5 f^_f f2» ^ étant les coefficients de frottement respectifs des éléments de ces trois zones pour un même coefficient de Reynolds en régime turbulent. Quand l'échangeur 10 est en service, un fluide venant du collecteur 30 passe par l'ouverture 18 du passage 16. Le sec-10- teur 32 le fait passer au secteur 34 d'échange de chaleur, d'où ce fluide parvient au secteur 36, puis passe dans le collecteur 28 par l'ouverture 20, Pendant qu'il passe dans le secteur 34, il subit un échange de chaleur indirect avec une autre fluide qui circule dans les passages 26. Les éléments 15 ondulés de ce secteur constituent de manière classique une surface d'échange de grande section. Pour que l'échange de chaleur soit maximum, il faut que le débit du fluide soit sensiblement le même dans toutes les parties dudit secteur. C'est le rôle des secteurs d'entrée 32 et de sortie 36 que de faire passer le fluide de l'ouverture 18 à ce secteur 34 et de ce 20 dernier à l'ouverture 20, de façon que le débit de ce fluide soit sensiblement le même dans ce secteur sur toute la longueur de 1'échangeur, bien que les ouvertures 18 et 20 se trouvent sur le^îôtés de ce dernier. En raison de l'emplacement de l'ouverture d'entrée 18, le fluide qui pénètre par le haut de cette 25 ouverture doit parcourir une distance plus grande que celui qui pénètre par le bas de ladite ouverture pour arriver au sec- ■ teur d'échange de chaleur, puisque ce fluide suit les cannelures des éléments ondulés. Si les éléments des zones 38, 46 et 52 étaient identiques, la perte de charge dans les canaux longs 71 12345 n / 2085924 situés en haut de la zone 38 et à gauche de la sone 46 serait plus grande que dans les canaux courts du bas de la zone 38 et de la droite des zones 46 et 52. Dans ce cas, le débit serait sensiblement plus faible à gauche qu'à droite du secteur d'échange de 5 chaleur 34. Conformé nient à l'invention, afin de compenser ces diffé- ' rences de valeur de la perte de- charge, la zone 52 dont, grâce à sa forme et à son emplacement, les canaux les plus longs sont disposés entre les canaux les plus courts et relient le plus di-10 rectement l'ouverture 18 au secteur 34, est constituée d'un élément dans lequel la perte de charge par unité de longueur, parallèlement aux cannelures, est supérieure à celle des éléments utilisés dans les zones 46 ou 38. Ainsi, le fluide passant par l'ouverture 18 peut se répartir très uniformément sur la largeur de 15 l'échangeur lorsqu'il entre dans le secteur 34. De même, l'utilisation d'une zone 59 à forte perte de charge permet aij£luide de passer plus uniformément du secteur 34 à l'ouverture 20. la. conséquence directe de l'utilisation des zones 52 et 59 à forte perte ae charge est de faire fonctionner le secteur 34 de manière plus 20 efficace, ce qui permet de réaliser un échangeur plus petit et moins coûteux. Si on le désire, on peut constituer la zone 3§fie deux parties triangulaires ou plus composées d'éléments ondulés de genres différents, et ayant toutes un sommet à l'extrémité intérieure 44 25 de l'ouverture 18. On peut aussi constituer de manière analogue la zone 46, tous les triangles ayant un sommet en ce point 44. De même, le secteur 52 peut être composé de deux parties triangulaires ou plus, composées d'éléments ondulés de genres différents et ayant toutes un sommet au point 51. Dans ce cas, il suffit de 30 déterminer les valeurs réelles du diamètre hydraulique, du coefficient de section de passage et du coefficient de frottement de la combinaison des parties. Cette détermination est inutile si toutes les parties d'une zone sont composées du même genre d'élément ondulé. L'une quelconque de ces parties peut aussi être constituée 35 de plusieurs découpes triangulaires ayant les mimes caractéristiques d'écoulement. Un répartiteur du genre décrit pour ouverture latérale d'é-changeur à plaques répartit le fluide venant de cette ou Il 12345 8 2085924 verture de manière sensiblement uniforme sur toute la 'largeur du passage de cet échangeur. Il recueille également de façon uniforme le fluide venant de toute la largeur du passage et le fait passer uniformément à l'ouverture de sortie. On peut 5 donc utiliser pour constituer le secteur de sortie 36 les mômes caractéristiques de réalisation que pour le secteur d'entrée 32. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite ci-dessus qujà titre explicatif, mais nullement limitatif, et que l'on pourra y apporter diverses variantes sans sortir de son cadre. 71 12345 2085924 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à'plaques, caractérisé par le fait qu'il comprend d'une part des plaques allongées dont les contours sont semblables et qui sont disposées parallèlement, l'écart 5 entre plaques adjacentes étant sensiblement inférieur à la largeur de ces dernières, ce qui délimite entre elles des espaces relativement étroits, qui sont hermétiquement clos par des premiers éléments disposés le long du bord des plaques adjacentes et reliant celles-ci, et d'autre part des seconds éléments, dont ces premiers 10 font partie, et qui délimitent dans ces espaces clos des passages dont la profondeur est inférieure à leur largeur, elle-même inférieure à leur longueur, l'un de ces passages, au moins, comprenant un premier et un second bord longitudinal , une ouverture qui communique avec ce passage étant limitée par un premier et un second 15 point du premier bord longitudinal, ce second point se trouvant sur une première droite qui va à un troisième point du second bord longitudinal, point qui se trouve sur une seconde droite allant à un quatrième point du premier bord, situé à une certaine distance de l'ouverture, l'une au moins de ces droites étant oblique par 20 rapport à l'axe longitudinal du passage, un premier élément ondulé formant dans ce passage des premiers canaux parallèles de longueurs inégales, qui sont situés entre l'ouverture et la première droite, un second élément ondulé formant des seconds canaux parallèles de longueurs inégales, allant de cette première 25 droite à la seconde, et un troisième élément ondulé formant des troisièmes canaux parallèles, disposés du côté de la seconde droite opposé à la première, la résistance à l'écoulement dans le sens des canaux de ce second élément étant supérieure à celle de celui des premier et troisième éléments qui est adjacent à la première 30 droite. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les canaux formés par les second et troisième éléments ondulés sont orientés suivant la longueur du passage. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, carac-35 térisé par le fait que les canaux formés par le premier élément ondule sont perpendiculaires, puis parallèles à l'axe longitudinal du passage. 71 "12345 2085924 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le second élément est composé d'une plaque métallique ondulée. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé 5 par le fait que la seconde droite est perpendiculaire à l'axe longitudinal du passage. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5» caractérisé par le fait que la résistance à l'écoulement par unité de longueur des deuxième et troisième éléments ondulés est sensible- 10 ment la même. 7. Echangeur de chaleur à plaques, caractérisé par le fait qu'il comprend d'une part des plaques allongées dont les contours sont semblables et qui sont disposées parallèlement, l'écart entre plaques adjacentes étant sensiblement inférieur à la largeur de ces 15 dernières, ce qui délimite entre elles des espaces relativement étroits, qui sont clos hermétiquement par des premiers éléments disposés le long du bord des plaques adjacentes et reliant celles-ci, et d'autre part des seconds éléments, dont les premiers font partie, et qui délimitent dans ces espaces clos des passages dont 20 la profondeur est inférieure à la largeur, elle-même inférieure à leur longueur, l'-un de ces passages au moins comprenant un premier et un second bord longitudinal et communiquant avec une ouverture qui débouche sur ce premier bord, ce passage comprenant à une certaine distance de cette ouverture un secteur d'échange 25 de chaleur et, près d'elle, un secteur répartiteur qui est destiné à conduire un fluide entre cette ouverture et ce secteur d'échange, et comporte d'autres éléments délimitant, entre l'ouverture et ce dernier secteur, des canaux dont ceux qui desservent la partie dudit secteur d'échange, adjacente au premier bord, sont sensiblement 30 plus courts que ceux qui desservent la partie adjacente au deuxième bord,, la résistance au passage du fluide par unité de longueur, dans le sens de circulation du fluide, d'une certaine zone de ce secteur répartiteur étant plus grande que celle du reste dudit secteur et la longueur des canaux de cette certaine partie étant 35 plus grande dans la région voisine du premier bord que dans celle qui' est adjacente au second. 71 12345 n 2085924 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7» caractérisé par le fait que les autres éléments qui délimitent les canaux, dans la certaine zone précitée , sont constitués par un seul élément ondulé. 5 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 7» carac térisé par le fait que la résistance à l'écoulement par unité de longueur est sensiblement uniforme dans toute la certaine zone du secteur répartiteur. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 7» caracté- 10 risé par le fait que la largeur de la certaine zone diminue graduellement à partir du premier bord longitudinal. 11. Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les autres éléments délimitant les canaux de la certaine zone sont des éléments ondulés ayant la foime d'un coin. 15 12. Corps d'échangeur de chaleur à plaques, caractérisé par le fait qu'il comprend d'une part des plaquas à contour rectangulaire semblable, qui sont disposées parallèlement, l'écart entre plaques adjacentes étant sensiblement inférieur à la largeur de ces dernières, ce qui délimite entre elles des espaces relati-20 vement étroits, qui sont clos hermétiquement par des premiers éléments disposés le long du bord de ces plaques adjacentes et reliant celles-ci, ce qui enferme ces espaces en délimitant des passages dont pour chacun l'épaisseur est inférieure à la largeur» cette dernière étant inférieure à leur longueur, d'autre part 25 une ouverture parallèle à l'axe longitudinal du corps et perpendiculaire aux plaques située près d'une extrémité d'un premier côté du corps et communiquant avec l'un des passages, et par ailleurs un répartiteur de fluide qui est constitué d'éléments ondulés, est disposé dans ce passage à l'intérieur par rapport à "C l'ouverture, va jusqu'à un plan normal à l'axe longitudinal et comporte une première et une seconde zona triangulaire et une troisième zone, le premier côté de la première zone étant en contact avec l'ouverture, son second côté touchant un segment de celui des premiers éléments qui ferme le passage du premier côté 35 du corps, et son troisième côté touchant le premier côté de la seconde zone, le second côté de cette seconde zone touchant un 71 12345 12 2085924 segment de celui des premiers éléments qui ferme le passage du côté du corps opposé à l'ouverture, et le troisième côté de cette seconde zone touchant un "premier côté de la troisième zone, les rapports entre la longueur DL en cm du second bord de la seconde 5 zone, la largeur ?¥ en cm de l'ouverture, parallèlement à l'axe longitudinal du corps et la largeur CW en cm du passage, étant, au moins sensiblement,les suivants : (Ç2,8 M" w M +\ - ^ 3 * - - (a D^, D^, D^ sont les diamètres hydrauliques respectifs des éléments ondulés des première, seconde et troisième zones j 10 Ac.,, Ae,,, Ac„ sont les coefficients de section de passage > C- ^ de ces zones respectivement. 0 = il f2 « = 4* f^, f2, f^ étant les coefficients de frottement respectifs des éléments ondulés des première, seconde et troisième zones pour un même nombre de Reynolds en régime turbulent, 15 13. Corps d'échangeur de chaleur selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la longueur du passage est supérieure à six fois sa largeur. 14. Corps d'échangeur de chaleur, caractérisé par le fait qu'il comprend d'une part des plaques à contour rectangulaire 20 semblable , qui sont disposées parallèlement, l'écart entre plaques 71 i2345 13 208592k adjacentes étant sensiblement inférieur à la largeur de ces dernières, ce qui délimite entre elles des espaces relativement étroits, qui sont hermétiquement clos par des premiers éléments disposés le long du bord des plaques adjacentes et reliant celles-ci 5 de façon que ces espaces délimitent des passages dont chacun a une profondeur inférieure à sa largeur, elle-même inférieure à la longueur, d'autre part une ouverture qui est parallèle à l'axe longitudinal du corps et perpendiculaire aux plaques et qui se trouve près d'une extrémité d'un, premier côté de ce corps et commu-10 nique avec l'un des passages, et par ailleurs un répartiteur de fluide composé d'éléments ondulés, qui est disposé dans le passage en arrière de cette ouverture, longitudinalement par rapport au corps, va jusqu'à un plan perpendiculaire à cet axe longitudinal et comporte une première, une seconde et une troisième 15 zone triangulaire , le premier côté de la première zone débouchant dans l'ouverture, son second côté touchant un segment de celui des premiers éléments qui ferme le passage sur le premier côté du corps, le troisième côté de cette première zone touchant le premier côté de la seconde zone, le second côté de cette seconde 20 zone touchant un segment de celui des premiers éléments qui ferme le passage du côté du corps opposé à l'ouverture, le troisième côté de cette seconde zone touchant le premier côté de la troisième zone, le second côté de cette dernière touchant un segment de celui des premiers éléments qui ferme le passage sur le premier côté 25 du corps, et le troisième côté de cette troisième zone coïncidant avec le plan précité. 15. Corps d'échangeur de chaleur selon l'une des revendications 12 et 14, caractérisé par le fait que l'élément ondulé de la première zone comporte des cannelures parallèles au second 30 bord de cette zone, l'élément ondulé de la seconde zone comportant des cannelures parallèles à son second côté et l'élément ondulé de la troisième zone comportant des cannelures qui sont parallèles à ce second côté de la seconde zone. 16. Corps d'échangeur de chaleur selon la revendication 15, 35 caractérisé par le fait que chacune des zones est composée d'une seule découpe d'élément cannelé.