Brevet FR2091852A1 — publié le 19710121

On connait divers types d'ensembles destinés à des échangeurs de chaleur dans lesquels des plaques ayant diverses formes sont empilées de manière à délimiter entre elles une voie de circulation pour un fluide. Dans ces ensembles de plaques connus, il n'en est aucun qui permette d'obtenir une efficacité de transfert de chaleur suffisamment élevée. La raison en est que dans les ensembles de plaques connus, il n'était pas possible de diminuer efficacement et suffisamment l'épaisseur de la couche limite formée entre la surface d'une plaque et le fluide circulant au-dessus de celle-ci. Plus précisément, pour augmenter la quantité d'énergie calorifique transférée par unité de temps, il faut augmenter le coefficient de transfert de chaleur d . Ce coefficient h peut être représenté par l'inverse de la résistance de ladite couche limite à la conduction de chaleur, le coefficient t pouvait aussi être' représenté par le rapport de la conductivité thermique X de la couche limite sur l'épaisseur t de cette couche, c'est-à-dire par i /t , de sorte que la quantité d'énergie calorifique transférée par unité de temps peut être augmentée en diminuant cette résistance de la couchelimite à la conduction de la chaleur ou en diminuant son épaisseur .L'épaisseur t de la couche limite dépend de la force externe appliquée au liquide, ainsi que de la viscosité de celui-ci. C'est ainsi, par exemple, que dans le cas d'un fluide circulant entre deux plaques planes parallèles qui sont jointes hermétiquement à leurs extrémités opposées, au moyen d'entretoises, si l'on fait varier la vitesse du fluide, le degré de turbulence de l'écoulement varie aussi, ce dont résulte une variation de l'épaisseur de la couche limite formée entre la surface de la plaque et le fluide. Jusqu a présent aucun moyen nla été imaginé qui permette de diminuer efficacement l'épaisseur de cette coche limite. De plus, lors de la détermination du contour des plaques ou de la forme de chaque voie de circulation de fluide dans l'ensemble de plaques, il est nécessaire de réduire à un minimum le travail qu'imposte la fabrication de la plaque, ainsi que de rendre le degré d'augmentation de l'aire de la surface de la voie de circulation de fluide dans l'ensemble de plaques aussi grand que possible, tout en maintenant la résistance qui s' oppose à la circulation du fluide aussi petite que possible.Certaines plaques connues, qui ont une forme simple, ne permettent pas d'obtenir de grands coefficients d'échange de chaleur, tandis que d'autres ont l'inconvénient de présenter une forme si compliquée que leur fabrication demande beaucoup de travail et qu'elles risquent, en outre, d'opposer une résistance indésirable à la circulation du fluide, lorsqu'elles ont été empilées pour former un ensemble. Le but de l'invention est de fournir un nouvel ensemble de plaques pour échangeurs de chaleur permettant d'obtenir des coefficients de transfert de chaleur élevés. Un autre but de l'invention est d'apporter des plaques pour échangeurs de chaleur qui sont faciles à fabriquer et qui n'opposent pas une résistance exagérée à la circulation des fluides quand elles sont empilées, tout en maintenant une grande efficacité de transfert de chaleur. Selon l'invention, un certain nombre de plaques sont empilées pour former une voie de circulation d'un fluide entre elles, chaque plaque étant incurvée d'une manière spéciale pour favoriser positivement un écoulement turbulent du fluide, ce qui a pour effet de réduire l'épaisseur de ladite couche limite. C'est ainsi que l'ensemble de plaques présente des voies de circulation de fluide tortueuses ou ondulées, l'aire de la section de chaque voie de circulation augmentant et diminuant de façon répétée à des intervalles prédéterminés, c est-à-dire, suivant un certain "pas". De plus, selon l'invention, pour maximiser le coefficient de transfert de chaleur, le rapport de l'aire de la grande section de la voie de circulation de fluide sur celle de la petite section de cette voie de circulation est choisi dans le rapport d'environ 5 à 2, tandis que le pas auquel l'aire de la section de la voie de circulation de fluide augmente et décrit de façon répétée est fixée entre 9 et 14 mm. La distance entre les plaques voisines est, de préférence, de l'ordre de 4 à 6 mm à la grande section et, de l'ordre de 1,6 à 2,4 mm à la petite section de la voie de circulation de fluide.Pour que les plaques puissent, quand elles sont empilées l'une sur l'autre, produire un ensemble ayant les dimensions spécifiées ci-dessus, les ondulations formées sur chaque plaque ont une hauteur de crête à crête comprise entre 6 et 9 mm, la distance entre deux creux successifs d'une ondulation étant de l'ordre de 16 à 18 mm, tandis que la pente d'une tangente au centre de la partie inclinée de l'ondulation, par rapport à l'horizontale e s t comprise entre 58 et 68 . Dans un échangeur de chaleur équipé dlun ensemble de plaques construit conformément à l'invention, le coefficient de transfert de chaleur est augmenté d'environ 20 à 30%, comparativement à la technique antérieure, le degré d'augmentation de l'aire de transfert de chaleur des plaques de l'ensemble étant d'environ 50%, tandis que la capacité de l'ensemble de plaques à transférer de l'énergie calorifique par unité de surface est d'environ 1,5 fois celle des ensembles de plaques de la technique antérieure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 est une vue latérale schématique d'un échangeur de chaleur pouvant utiliser un ensemble de plaques conforme à l'invention - la figure 2 est unevue éclatée montrant la manière dont les plaques de l'ensemble de la figure 1 sont disposées - la figure 3 est une vue en plan d'une plaque conforme à l'invention - la figure 4 est une coupe suivant la ligne A-A' de la figure 3 - la figure 5 est une coupe à plus grande échelle suivant la ligne B-B' de la figure 3 - la figure 6 est une vue en perspective montrant un ensemble de plaques qui a servi à faire des expériences pour déterminer le contour permettant d'obtenir un coefficient de transfert de chaleur élevé, une partie de la plaque ayant été arrachée pour plus de clarté - la figure 7 est un diagramme illustrant les résultats des expériences faites avec l'ensemble de la figure 6 - la figure 8 est une vue à grande échelle de la voie de circulation de fluide d'une partie d'un ensemble de plaques conforme à l'invention ; et, - la figure 9 est un diagramme permettant de comparer les performances des ensembles de plaques selon l'invention et des ensembles de la technique antérieure. Sur la figure 1, on voit un échangeur de chaleur classique dans lequel les plaques sont disposées de manière que le fluide devant être traité traverse chaque seconde voie de circulation formée entre les plaques adjacentes, tandis qu'un agent d'échange de chaleur, tel que de l'eau de refroidissement, circule à travers les voies de circulation restantes, comme le montre la figure 4, sur laquelle seulement quatre plaques ont été représentées en une vue éclatée pour plus de clarté. La disposition des plaques dans l'échangeur de chaleur de la figure 1 est universellement connue et, pour cette raison, ne sera décrite que dans la mesure nécessaire à la compréhension de l'invention. Entre les châssis de machine 1,2 sont fixées des barres horizontales 3 et 4 sur lesquelles est monté à glissement un organe de maintien 5. Comme le montre la figure 1, les plaques 6 et les plaques intermédiaires 7 sont interposées entre le châssis 2 et l'organe de maintien mobile 5, la position de ce dernier par rapport au châssis 2 pouvant être modifiée en agissant sur deux vis de réglage 8. Chaque plaque 6 est pourvue d'un joint 9 de matière élastique, par exemple de "Néoprène', le long de ses bords périphériques, comme le montre la figure 2, de sorte que quand les vis 8 de la figure 1 ont été correctement réglées, de manière que les plaques 6 s'appliquent les unes contre les autres, une voie de circulation de fluide est formée entre les différentes plaques adjacentes. Comme on le voit sur la figure 2, le joint 9 est disposé de manière à permettre à un certain fluide de circuler à travers les voies de circulation alternées, c'est-à-dire, à travers une voie de circulation sur deux en considérant le sens de la circulation. C'est ainsi, par exemple, qu'un premier fluide, qui peut être un fluide devant être refroidi, est introduit par un tuyau d'arrivée 11 et est évacué par un tuyau de sortie 11', tandis qu'un second fluide, qui représente un agent de chauffage os de réfrigéracion, est introduit par un tuyau 12 et est évacué par un tuyau 12'.En réalité, les tuyaux 11, 11', 12 et 12' pourraient occuper des positions différentes de celles représentées sur la figure 1, dans ltéchangeur de chaleur, et des tuyaux autres que eeux représentes f > our- raient être prévus, mais on-ne s'étendra pas sur ces détails qui ne sont pas nécessaires à la compréhension de l'invention. La figure 3 montre une plaque 10 conforme à l'invention, les plans de coupe A-A' et B-B' de la figure 3 correspondant respectivement aux figures 4 et 5. La plaque 10 est en acier inoxydable,en titane, etc .. Elle est percée de trous 13 aux quatre coins et comporte aussi un joint 9 en matière élastique, telle que le Néoprène, le long de ses bords périphériques. La plaque 10 présente, en outre, des échancrures ou des encoches 15 dans lesquelles les barres 3 et 4 de la figure 1 viennent se placer quand la plaque est assemblée dans l'échangeur de chaleur, ainsi que des éléments saillants 14 pour éviter qu'elle fléchisse quand les plaques ont été empilées.Les éléments saillants 14 sont, de préférence, disposés de manière à corrig-. l'écoulement du fluide des ouvertures 13, afin que celui-ci s'écoule uniformément au-dessus de toute la surface de la plaque. Bien que cela ne soit pas représenté sur la figure 3, les éléments saillants pourraient être prévus sur la partie ondulée de la plaque, en tant qu'éléments d'espacement, pour maintenir l'intervalle entre les plaques voisines constant. Les présents inventeurs ont trouvé que le pas auquel l'aire de la section de la voie de circulation de fluide formée entre deux plaques adjacentes augmente et diminue de façon répétée, a-ii::i leur la distance séparant les deux plaques, ont une grande influence sur le coefficient d'échange de l'échangeur de chaleur et que lors de la fabrication d'une plaque ondulée, la forme de cette plaque ne peut pas être choisie arbitrairement.Les inventeurs ont donc fait des expériences avec l'ensemble de plaques représenté sur la figure 6 afin d'expliquer les caractéristiques de transfert de chaleur de l'ensemble par rapport audit pas et à la distance entre les plaques et un exemple des résultats ainsi obtenus est donné sur la figure 6 où Z représente la distance entre deux plaques plates parallèles F et F', représentées sur la figure 6, d étant le diamètre de chaque tige circulaire R tenue entre les plaques F et F' au moyen d'entretoises G et G' qui, de leur côté, tiennent les plaques F et F', P étant le pas entre les tiges rondes R. Dans les expériences, on a fait circuler le fluide dans la direction indiquée par la flèche A et on fait varier les valeurs de Z, d et P.Sur la figure 7, l'ordonnée représente le rapport Nu/PrO'4 qui est un facteur sans grandeur et qui est représentatif de l'efficacité de transfert de chaleur, Nu représentant un nombre de Nusselt et Pr un nombre de Prandtl, tandis que l'abscisse représente le pas P auquel l'aire de la section de la voie de circulation de fluide augmente et décroit de façon répétée. I1 est à noter sur la figure 7 que l'efficacité du transfert de chaleur Nu/Pr0s4 atteint son maximum quand le pas P est d'environ 10 mm, en supposant Z égal à 5 mm et d égal à 3 mm, c'est-à-dire, lorsque le rapport entre la distance maximale sur la distance minimale entre les plaques est de 5 à 2 (la distance minimale = Z - d) et en considérant ce résultat, les formes exactes des voies de circulation et des plaques conformes à l'invention ont été déterminées. Dans le mode de réalisation de la figure 5, la distance entre la surface inférieure 54 et la surface supérieure 55, c'est-à-dire, l'épaisseur de la plaque est d'environ 0,8 mm, la hauteur entre le point central intérieur 56 à la base de l'ondulation et le point central intérieur 53 au sommet de cette ondulation étant d'environ 8,5 mm, la pente X de la partie inclinée de la plaque étant d'environ 61 , la plaque décrivant un plan. incurvé ayant un rayon de courbure d'environ 3,2 mm respectivement à ses parties inférieures et supérieures. La figure 8 montre une partie de la voie de circulation formée dans un ensemble composé de plaques dont chacune a la même construction que celle de la figure 5, un fluide chaud devant être refroidi circulant entre les plaques 10A et lOB . Dans cette voie de circulation, la distance maximale qui apparaît aux parties 71, 71' et 72 est de 5 mm, la distance minimale, qui apparaît en 73 et 73' étant de 2 mm, tandis que le pas P est de 12 mm. La longueur du segment de droite perpendiculaire abaissé du point central intérieur 74 sur la droite horizontale reliant les points centraux internes 75 et 76, à la base de l'ondulation, est de 8,5 mm, la distance entre les points 75 et 76 étant de 17 mm. Les plaques lOA et lOB peuvent être disposées lune par rapport à l'autre comme représenté en réglant convenablement les vis 8 de la figure 1. La figure 9 montre le rapport entre le nombre de Reynolds Re ( t -] signifie que ce nombre n'a pas de dimension) et l'efficacité du transfert de chaleur Nu/Pr0,4 de l'ensemble de plaques conforme à l'invention, ainsi que celui de la technique antérieure, qui a été indiqué aux fins de comparaison. Plus précisément, l'abscisse montre Re t - 1 à une échelle logarithmique tandis qu'en ordonnée, on a porté Nu/Pr0'4 également à une échelle logarithmique. Sur la figure 9, la courbe (a) illustre le résultat obtenu avec un ensemble de plaques construit selon les dimensions indiquées sur la figure 7. On a également constaté que quand le pas auquel l'aire de la section de la voie de circulation de fluide augmente et diminue de façon répétée et quand la distance entre les plaques, etc .., sont choisiesdans les limites spécifiées par l'invention, les courbes caractéristiques représentant ces résultats tombent dans les limites comprises entre les courbes (b) et (c). Les courbes (d) et (e) représentent respectivement les caractéristiques d'ensembles de plaques conformes à'la technique antérieure. La courbe (f) représente les caractéristiques d'un échangeur de chaleur à tuyaux,aux fins de référence. On remarque sur la figure 9 que la courbe (a) est située au-dessus des courbes (d) et (e) ce qui montre l'avantage de l'efficacité du transfert de chaleur de l'ensemble de plaques conforme à l'invention, par rapport à la technique antérieure. On constate généralement qu'une augmentation de l'efficacité du transfert de chaleur et une diminution de la résistance s'opposant à la circulation du fluide sont les conditions contraires l'une à l'autre mais dans la pratique, on a constaté que dans l'ensemble de plaques selon l'invention, la résistance s'opposant à la circulation du fluide n'est pas plus grande que dans les ensembles de plaques antérieurs, malgré le fait que l'efficacité du transfert de chaleur a été considérablement améliorée. REVENDICATIONS 1. Plaque pour échangeur de chaleur ayant un profil ondulé, caractérisée en ce que la hauteur de chaque ondulation est comprise entre 6 et 9 mm crête à une autre, la longueur entre deux cuvettes successives étant incluse entre 16 et 18 mm, tandis que l'angle de pente de la tangente au point central de la partie inclinée de l'ondulation, par rapport à l'horizontale, est compris entre 58 et 680. 2. Ensemble de plaques pour échangeur de chaleur qui comprend un certain nombre de plaques ayant chacune un profil ondulé, caractérisé en ce que lesdites plaques sont empilées de manière à former une voie tortueuse entre elles, l'aire de la section de la voie de circulation de fluide augmentant et diminuant, de façon répétée, à des intervalles prédéterminés compris entre 9 et 14 mm. 3. Ensemble de plaques selon la revendication 2, caractérisé en osque la distance entre les plaques est de l'ordre de 4 à 6 mm au niveau où la section de la voie de circulation de fluide est grande et de l'ordre de 1,6 à 2,4 mm au niveau où la section de la voie de circulation est petite, le rapport entre lesdites distances et lesdites grandes et petites sections de la voie de circulation de fluide étant approximativement de 5/2.