Brevet FR2066982A1 — publié le 19710813

La présente invention concerne une construction d'échan-geur de chaleur,et plus particulièrement,une construction pour augmenter la durée de vie de fatigue thermique des échangeurs de chaleur. 5 Les échangeurs de chaleur à ailettes connus comportent des éléments d'ailettes et de plaques superposés et empilés. Les éléments de plaque formant des parcours de circulation alternants pour un fluide froid, et un fluide chaud et les ailettes sont disposées dans les chemins de parcours de façon à former une 10 circulation croisée. En outre, il est courant de placer des barres carrées de fermeture dans les chemins de parcours aux extrémités opposées des éléments d'ailettes pour rendre étanche les parcours de circulation chaude, avec les parcours de circulation froide. L'assemblage entier est soudé ensemble pour former une 15 unité. Un problème existe avec cette construction d'ëchangeur de chaleur du fait, que des fissures dans les barres de fermeture, et/ou dans les plaques,se présentent et se propagent longitudina-lemant le long de celles-ci. Ces fissures sont évidemment indésirables parce qu'elles provoquent des fuites entre les passages 20 de fluide chaud, et de fluide froid ou l'un ou l'autre des passages de fluide avec 1'extérieur. On a remarqué que ces fissures étaient le résultat de contraintes thermiques dans les barres et plaques provoquées par des gradients thermiques, dans l'êchangeur de chaleur, et par 25 les différents coefficients de dilatation thermique des différents éléments, constituant le noyau. Un objet de la présente invention est une construction d'échangeur de chaleur qui élimine les fissures de fatigue thermique, dans divers éléments du noyau de l'êchangeur de chaleur. 30 Selon la présente invention, la nouvelle construction d'ë changeur de chaleur à ailettes-plaques comporte des éléments de plaques et d'ailettes empilés et superposés, les éléments de plaques formant des parcours de circulation alternants pour un fluide froid et un fluide chaud et les éléments d'ailettes sont 35 disposés pour former un arrangement de circulation croisée, des barres de fermeture en forme de C, séparant les plaques dans le parcours du fluide froid, de l'êchangeur de chaleur pour étendre la transition entre les barres de fermeture et les plaques et les ailettes, dans le parcours du fluide chaud de l'êchangeur de 40 chaleur étant retournées en arrière de la face d'entrée du noyau 70 41620 2 2066982 de l'êchangeur de chaleur réduisant ainsi l'entrée de chaleur aux barres de fermeture. Puisque les barres de fermeture sont en forme de C, les ailettes dans les parcours du fluide froid, peuvent s'étendre dans 5 les barres de fermeture,de façon que la température de la barre de fermeture est réduite, la chaleur par contre est transportée et enlevée par le fluide froid. Cette réduction de la température est aidée par le fait que la transition, entre les barres de fermeture et les feuilles de séparation, normalement plus minces 10 efetprolongée. Tel que susmentionné, une caractéristique de l'invention est le fait que les ailettes pour le fluide chaud sont retournées en arrière de la face d'entrée du noyau de l'êchangeur de chalauy, ceci réduit l'entrée de chaleur aux barres de fermeture à cause 15 du transfert de chaleur moins efficace à la surface du noyau de l'êchangeur de chaleur, le long de la longueur ou l'ailette à fluide chaud a êtê retournée en arrière. Les barres de fermeture sont de préférence faites avec un matériau, ayant un coefficient de dilatation thermique inférieure à celui des feuilles d'extrêmi-20 té, de façon que les barres de fermeture plus chaudes ont tendance à se dilater au même taux que les feuilles d'extrémité plus froides, élimtent ainsi les contraintes accumulées entre deux pièces se dilatant à des taux différents. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les 25 ailettes de refroidissement sont seulement disposées au moins à l'intérieur des barres de fermeture en forme de C, dans les parcours de fluide froid, les plus à l'extérieur aux côtés opposés du noyau, puisqu'on a trouvé que les effets des contraintes produites par les différents coefficients de dilatation des éléments 30 de l'êchangeur de chaleur, s'amoindrissent vers le centre du noyau. En outre, ces barres de fermeture en forme de C, ne sont nécessairement utilisées que sur la face d'entrée du fluide froid. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description détaillée qui va suivre de plusieurs 35 exemples de réalisation, et en se référant aux dessins annéxës sur lesquels : La Figure 1, est une vue en perspective partiellement arrachée d'un noyau d'échangeur de chaleur, bien connu par l'état de la technique. 40 La Figure 2, est une vue en perspective partiellement arra 70 41620 3 2066982 chée d'un noyau a'échangeur de chaleur, selon la présente invention. La ligure 3» est une vue de coté de la Figure 2, avec me partie arrachée. 5 " 'échangeur de chaleur de l'é*:-t ôe la technique, mon tré sur la Figure 1, comporte une feuille d'extrémité 2, et une autre feuille d'extrémité (non représentée) aux cStés opposés du noyau, les plaques 4, (parfois désignées par feuilles de séparation), les ailettes 6 de purge d'air, les ailettes 8, de 10 fluide refroidisseur et les barres de fermeture 10.11 est évident aux hommes du métier qu'un nombre quelconque de couches peuvent être disposées l'une sur l'autre, pour former la dimension voulue de l'êchangeur de chaleur. Te lès que mentionnées, les fissures peuvent se produire dans cette construction ccmue 15 aussi bien dans les barres de fermeture que dans les plaques. Sur la Figure 1, on voit des fissures typiques 12, 14, 16 et 18, dans les barres de fermeture les plus proches de la feuille extrême 2, et dans les feuilles de séparation, les fissures se produisent à cause des différents coefficients de dilatation 20 thermique des éléments de l'êchangeur de chaleur. Tel que , ontré sur la Figure 1, le fluide chaud passe par dessus les ailettes 6, tandis que le fluide froid passe par dessus les ailettes 8, le fluide froid retirant la chaleur du fluide chaud. Lorsque le fluide chaud pénètre l'êchangeur te chaleur, il co:.-&encc i*maé-25> diateirent à chauffer les barres de fermeture aux extrémités des feuilles de séparation. Ceci a pour résultat la dilatation des barres de fermeture et des feuilles de séparation» Cependant, la feuille d'extrémité, étant plus épaisse et plus exposée au fluide froid, résiste à la dilatation des barres de fermeture. 30 Ee résultat donne les fissures typiques susmentionnées. La nouvelle construction décrite ci-après surmonte ces inconvénients et résultats dans un échangeur de chaleur qui a une plus longue durée ae vie, et une réduction des fissures causées par la fatigue th ermi que. 35 Se référant aux Figures 2 et 3 (les mêmes références nu mériques désignent les mêmes éléments), on y voit un noyau d'é-changeur de chaleur, selon la présente in ention. Le noyau comporte une pluralité de plaques et d'ailettes empilées et superposées, dans tin arrangement de circulation croisée. Tel que montré, 40 les terres de fermeture de fluide froid 22, 24, 26, 28, 30, 32 bad original 70 41620 4 2066982 10 34, 36, 38, 40, 42 et 44 sont en forme de C, et les premières barres, jusqu'à la- quatrième les plus proches des feuilles d'extrémités 20 et 22, sont pourvues d'ailettes 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 et 64. Les "barres de fermeture 30 et 44, ne sont pas nécessairement pourvues d'ailettes parce qu'elles sont à une distance suffisante des feuilles 20 et 22, de façon que la différence de dilatation thermique entre ces feuilles et les barres de fermeture, et les feuilles de séparation n'a pas d'influence sur celles-ci» En outre, les barres de fermeture en forme de Q, diminuent de largeur à partir des feuilles 20 et 22, vers le centre du noyau de l'êchangeur de chaleur pour cette même raison. Des ailettes de refroidissement sont pourvues entre les barres de fermeture en forme de C. Les passages de fluide chaud sont aussi pourvus d'ailettes 65, qui sont retournées en arrière de la surface ue l'êchangeur de chaleur, tel que montré ùe façon que l'échange de chaleur ne commence pas au bord de l'êchangeur de chaleur. Les passages de fluide chaud sont séparés des passages de fluide froid, par les feuilles de séparation 66, et les passages de fluide chaud * 20 sont fermés par les barres de fermeture 68o Les barres de fermeture en forme de sent construites u'un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui aes autres matériaux du noyau, de façon que les barres .e fermeture plus chaudes ont une tendance à se dilater 2^ à la même vitesse que les feuilles d'extrémité plus froides. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou nrocédés qui viennent a'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention* 15 BAD ORIGINAL 70 41620 5 2066982 REVENDICATIONS 1. Construction de noyau d ' éch.angèur de chaleur à ailettes et plaques comprenant des éléments d'ailettes et de plaques empilées et superposées, dans laquelle les éléments de plaques ^ forment des parcours de circulation alternante pour des éléments d'ailettes pour fluide chaud et fluide froid, disposés dans ceux-ci, de façon à former un arrangement de circulation croisée la construction étant caractérisée par le fait que des "barres de fermeture en forme de C, séparent les plaques dans les par- 10 cours du fluide froid de 1'échangeur de chaleur pour étendre la transition entre les barres de fermeture et les plaques, et que les ailettes dans les parcours du fluide chaud de cet échangeur de chaleur sont retournées en arrière ce la face d1entrée du noyau de l'êchangeur de chaleur pour réduire ainsi l'entrée de 15 chaleur aux barres de fermeture; 2o Construction selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les barres de fermeture en forme de C, sont fabriquées d'un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui des autres matériaux du noyau. 20 ^ 5. Construction selon la revendication 1 ou 2, caractéri sée par le fait que les barres de fermeture en forme de C, sont disposées entre les plaques, selon une séquence graduée, les barres étant plus larges à proximité des plaques extérieures et diminuant graduellement de largeur vers le centre du noyau. 25 ^ 4. Construction, selon l'une quelcon ue des revendications précédentes, caractérisée par le fait eue les ailettes de refroidissement sont disposéec au moins à l'intérieur des barres de fermeture en forme de C, dans les parcours du fluide froid, les plue à 1'extérieur aux extrémités opposées du noyau»