Brevet FR2108203A1 — publié le 19720519

La présente invention concerne un dispositif pour échangeurs de chaleur universels. Les échangeurs de chaleur connus jusqu'à présent sont en général d'une part très encombrants et d'autre part de construc-^ tion compliquée, de sorte qu'ils sont aussi de fabrication relativement coûteuse. Leurs plaques sont en outre très souvent fixées les unes aux autres au moyen de boulons qui les traversent et dont il faut tenir compte pour le choix du parcours d'écoulement des fluides traversant l'échangeur de chaleur. En général, un échangeur 10 de chaleur est construit spécialement pour la fonction qui lui incombe, c'est-à-dire qu'il est fabriqué notamment pour des fluides de passage déterminés et pour des quantités de chaleur à transférer déterminées d'avance. L'expérience a montré en outre qu'il est très difficile et compliqué de démonter de tels échangeurs de 15 chaleur pour la réparation, pour le nettoyage, pour l'examen ou pour des opérations analogues. Le but de la présente invention est d'éliminer de façon satisfaisante les inconvénients indiqués ci-dessus. Plus précisément, la présente invention concerne un dispositif pour de tels 20 échangeurs de chaleur qui sont munis de plaques de métal de préférence de forme circulaire, entourées par une enveloppe. La caractéristique de l'invention consiste en ce que chacune des plaques de métal présente des ouvertures pour le passage d'un premier fluide et des ouvertures pour le passage d'un 25 second fluide, ces ouvertures étant placées respectivement radia-lement à l'extérieur et à l'intérieur d'anneaux d'étanchéité séparateurs des fluides montés dans une chambre intermédiaire ménagée entre deux plaques de métal voisines et les ouvertures radialement intérieures étant des encoches ménagées sur le bord 30 d'un trou de passage ménagé au centre des plaques de métal. Par le fait que les ouvertures radialement intérieures sont constituées par des encoches ménagées dans le bord d'un trou formé au centre des plaques de métal et traversé selon une forme d'exécution préférée de l'invention par un tube disposé axialement, le 35 transfert de chaleur de l'un des fluides à l'autre est particulièrement efficace. L'échangeur de chaleur présente ainsi une très forte capacité d'échange. Cette forme d'exécution de l'invention se caractérise par un tube disposé axialement qui est muni à l'une de ses extrémités 40 d'une bride par laquelle il est fixé à une bride disposée sur une 71 03051 2 2108203 extrémité de l'enveloppe et qui présente dans sa paroi à son extrémité opposée placée à l'intérieur de l'enveloppe, des fentes de passage en étant complètement fermé par ailleurs et se caractérise en outre par un manchon s'étendant sur cette extrémité de 5 tube et imposant au fluide introduit dans le tube et traversant les fentes de passage de s'écouler en direction des encoches du trou central des plaques de métal et à travers ces encoches. Un avantage essentiel obtenu par cette forme d'exécution est que les deux fluides peuvent être séparés de façon simple dans 10 l'échangeur de chaleur sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des éléments d'étanchéité souvent compliqués. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit, établie en référence au dessin annexé, dans lequel : la figure 1 est une coupe verticale longitudinale d'un 15 échangeur de chaleur selon l'invention ; la figure 2 représente à plus grande échelle une coupe longitudinale d'une partie des plaques de l'échangeur de chaleur ; la figure 3 représente en perspective deux plaques, traversées par un tube longitudinal, avec des anneaux d'étanchéité 20 interposés entre les plaques ; la figure 4 représente à plus grande échelle une vue de face d'une série de plaques de l'échangeur de chaleur ; la figure 5 est une coupe transversale d'une partie de la série de plaques ; 25 les figures 6, 7 et 8 montrent en coupe le profil de trois anneaux d'étanchéité différents ; la figure 9 est une coupe verticale d'un échangeur de chaleur selon une autre forme d'exécution de l'invention ; la figure 10 représente à plus grande échelle une coupe 30 verticale d'une partie d'un ensemble de plaques de cet échangeur de chaleur ; la figure 11 est une coupe longitudinale d'un échangeur de chaleur selon une forme d'exécution simplifiée ; la figure 12 représente à plus grande échelle une coupe 35 longitudinale de l'ensemble de plaques de cet échangeur de chaleur; la figure 13 est une vue de face d'une moitié de l'une des plaques de métal de cet échangeur de chaleur ; la figure 14- est line coupe longitudinale d'un échangeur de chaleur avec non seulement des canaux d'écoulement intérieurs 40 et extérieurs pour 1'un des deux fluides mais encore avec un canal 71 03051 3 2108203 de passage intermédiaire pour le deuxième fluide ; la figure 15 est une coupe verticale longitudinale d'un échangeur de chaleur analogue établi comme réchauffeur dans un conduit de gaz d'échappement d'une installation de chauffage ; 5 la figure 16 représente à plus grande échelle une coupe longitudinale de l'une des extrémités d'un ensemble de plaques pour l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 14 ; et la figure 17 est une coupe transversale de cet ensemble de plaques selon la ligne XVII-XVTI de la figure 16. 10 L'échangeur de chaleur de la présente invention se compose d'une enveloppe 1 essentiellement cylindrique avec entrées et sorties 2, 3 et 4, 5 respectivement pour les fluides de passage extérieur et intérieur. L'entrée 4 pour le fluide de passage intérieur est prévue à l'extrémité extérieure d'un tube 6 disposé 15 axialement qui s'étend par son extrémité intérieure 7 dans la direction de l'extrémité de l'enveloppe 1 munie de la sortie 3 pour le fluide de passage extérieur. La sortie 5 pour le fluide de passage intérieur est prévue à l'extrémité extérieure d'un tube 8 qui constitue avec le tube 6 un conduit 9 pour le fluide de passage 20 intérieur. Sur le tube 8 est soudée une bride 10 qui correspond à une bride analogue 11 à l'extrémité de l'enveloppe 1. Entre ces deux brides 10, 11 est disposé un disque d'étanchéité 12 qui est serré au moyen d'un certain nombre de boulons 13• Sur le tube 6 sont montées des plaques de métal 14 de forme 25 circulaire, chacune avec des ouvertures radiales extérieures 15 et des ouvertures radiales intérieures 16. Entre deux plaques de métal voisines 14 est interposé chaque fois un anneau d'étanchéité 17 en caoutchouc, en cuivre-amiante ou en une matière analogue. La matière des anneaux d'étanchéité 17 est choisie selon les 30 fluides de passage en jeu, leurs températures de travail, etc ... En plus de constituer des organes séparant l'un de l'autre les deux fluides de passage, ils servent aussi de cales d'écartement pour les plaques de métal 14. Les ouvertures radiales extérieures 15 sont de préférence obtenues par découpage de languettes radiales 35 18 qui sont incurvées par pliage angulaire à partir de l'une des faces de chaque plaque de métal 14„ Les ouvertures radiales intérieures 16 sont par contre formées par des encoches disposées sur le bord du trou 20 ménagé au centre de la plaque de métal correspondante 14 et traversé par le tube 6. 40 Les plaques de métal 14 sont orientées autour du tube 6 71 03051 4 2108203 de telle façon que les ouvertures 15 de plaques de métal voisines soient décalées les unes par rapport aux autres, comme on l'a représenté par exemple sur les figures 4- et 5, de façon que l'écoulement du fluide de passage extérieur soit contraint de 5 changer plusieurs fois de direction pendant le parcours du fluide à travers l'échangeur de chaleur» Il en est de même pour les encoches 16. Le tube 6, à son extrémité 7 placée à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, présente dans sa paroi des fentes de 10 passage 21, cette extrémité de tube 7 étant par ailleurs complètement fermée par un bouchon fileté 22 recevant un écrou 23. Sur l'extrémité de tube 7 est monté un manchon 24 qui est constitué de façon à ménager une chambre annulaire 25 en dehors des fentes de passage 21. Dans l'extrémité extérieure de ce manchon 24 sont 15 logés un anneau d'étanchéité 26 avec une rondelle d'appui 27 et plusieurs rondelles Belleville 28 placées entre cette rondelle d'appui et 1'écrou 23- Comme on le voit d'après la figure 1, le serrage de 1'écrou 23 fait déplacer tout l'ensemble de plaques de métal dans 20 la direction de l'extrémité du tube 8 placée dans l'échangeur de chaleur et le presse contre cette extrémité de tube, la pression axiale nécessaire pour l'obtention d'une bonne étanehéité entre d'une part les plaques de métal 14 et d'autre part les anneaux d'étanchéité 17 étant obtenue par l'action de la force élastique 25 des rondelles Belleville 28 indépendamment de la variation de longueur du tube 6 résultant des variations de température. Sur la figure 1, on a indiqué par des flèches la direction d'écoulement des deux fluides de passage. Comme on le voit, le fluide extérieur est admis par l'entrée 2, traverse les ouvertures 30 15 ménagées dans les plaques de métal 14 et s'échappe par la sortie 3 disposée à l'autre extrémité de l'enveloppe 1 de l'échangeur de chaleur. Le fluide de passage intérieur est admis par l'entrée 4, puis s'écoule ensuite à travers le tube 6 et passe par les fentes 21, par la chambre annulaire 25 et par les encoches 35 16, par le passage 9 en quittant finalement l'échangeur de chaleur par la sortie 5. On voit que le transfert de chaleur à travers les plaques de métal 14 est très élevé et en tout premier lieu à cause du court chemin à travers la matière des plaques de métal 14, des ouvertures 15 aux encoches 16 ou inversement. 40 Comme on l'a représenté par exemple aux cfigures 6, 7 et 8, 71 03051 5 2108203 on peut donner diverses formes aux anneaux d'étanchéité 17, 17', 17". Pour un anneau d'étanchéité 17"» °bl utilise deux anneaux toriques 29. La forme d'exécution représentée sur la figure 9 du dessin 5 est extérieurement de même construction et de même configuration que celle représentée sur la figure 1. Cependant, la forme d'exécution selon la figure 9 ne présente pas le bouchon 22, 1*écrou 23 ni le manchon 24 et ne comprend pas non plus des rondelles Belleville 28. L'extrémité extérieure 7' du tube 6', placée à 10 l'intérieur de l'échangeur de chaleur, n'est pas fermée. Les plaques de métal 14' sont fixées par soudage par points aux anneaux d'étanchéité adjacents 171» de sorte que la succession des plaques constitue un seul ensemble. A la plaque de métal 14' la plus extérieure placée immédiatement à l'extrémité intérieure du 15 tube 6* est soudé un manchon 31 formé avec un fond 30 de telle façon qu'entre l'extrémité de tube 7' d'une part et la paroi du manchon 31 d'autre part se trouve ménagé un canal annulaire 25'. Dans cette forme d'exécution, les plaques de métal 14' ont encore été, avant soudage, décalées (angulairement) de façon que 20 les ouvertures radiales extérieures 15 comme les encoches intérieures 16 soient décalées angulairement les unes par rapport aux autres afin que les fluides en écoulement soient contraints de traverser l'échangeur de chaleur en zig-zag ou en changeant constamment de direction. 25 Les plaques de métal 14 sont de préférence en matière à haute conductibilité thermique résistant à la corrosion, par exemple en acier inoxydable, en laiton d'aluminium ou en alliages de cuivre et de nickel. L'échangeur de chaleur de la présente invention peut être 30 utilisé aussi bien pour le chauffage que pour le refroidissement de fluides de passage et on peut envisager un transfert de chaleur de liquide à liquide, de liquide à de la vapeur ainsi que la condensation de gaz. La limite de la pression maximale admissible est uniquement 35 déterminée par l'enveloppe, en particulier par ses faces frontales plates, tandis que les anneaux d'étanchéité ne sont soumis qu'à la différence de pression entre les deux fluides en écoulement. La limite de la température maximale admissible eat un facteur qui est déterminé principalement par la matière des 40 anneaux d'étanchéité.. La dilatation des plaques de métal et les 71 03051 6 2108203 anneaux d'étanchéité résultant des variations de température est absorbée par les rondelles Belleville 28 selon la forme d'exécution principale de l'invention avec 1'écrou 23. Dans la forme d'exécution représentée sur les figures 11-13 du dessin, les plaques de 5 métal 14' sont fixées aux anneaux d'étanchéité 17 par soudage par points dans une machine à souder à la presse ou par résistance. La succession des plaques forme ainsi, avec deux fonds 32, 33 soudés à ces plaques,un ensemble rigide qu'on peut incorporer facilement dans l'enveloppe 1 d'un échangeur de chaleur (figure 10 11). Le fond 32 présente une ouverture centrale 34 sur le bord de laquelle est soudée l'extrémité intérieure d'un tube d'alimentation 35 pour l'un des fluides traités tandis que l'autre fond 33 présente une ouverture centrale 36 sur laquelle est soudé un tube de sortie 37 pour le second fluide. Le tube de sortie 37 traverse 15 un presse-garniture 38 disposé sur une paroi frontale 39 de l'échangeur de chaleur de façon que le tube 37 puisse glisser dans ce presse-garniture lors d'une variation de longueur de l'échangeur de chaleur sous l'effet des variations de température. L'échangeur de chaleur représenté sur la figure 14 présente 20 une grande similitude avec l'échangeur de chaleur selon la figure 11. L'échangeur de chaleur selon la figure 14 présente cependant un ensemble de plaques qui, comme on le voit d'après les figures 16 et 17» est muni non seulement de passages extérieurs 40 et intérieurs 41 pour l'un des fluides en circulation mais encore 25 d'un passage d'écoulement intermédiaire 42 pour le second fluide. Chaque plaque de métal 14" de cet échangeur de chaleur se compose d'un disque 14a de plus grand diamètre et d'un disque 14b de plus petit diamètre. Les disques 14a sont soudés aux anneaux d'étanchéité adjacents 17a au moyen d'une machine à souder à la presse 30 ou par résistance et les disques intérieurs 14b sont réunis les tins aux autres de la même façon aux anneaux d'étanchéité correspondants 17b par soudage à la presse. Le bord intérieur radial 43 des disques 14a est établi avec une forme ondulée et le bord radial extérieur 44 des disques circulaires 14b est également 35 établi avec une forme ondulée. Les deux bords 43, 44 s'étendent dans la chambre intermédiaire 42 formée entre les anneaux d'étanchéité 17a et 17b» de sorte qu'on obtient une augmentation de surface notable qui agit de façon très favorable sur le transfert de chaleur de l'un à l'autre des deux fluides en circulation. Aux 40 extrémités de 1'échangeur de chaleur sont soudés des tubes 71 03051 7 2108203 collecteurs 45, 46 de forme annulaire munis d'ouvertures de passage 47 pour l'un des fluides en circulation. Le tube collecteur 46 communique par des conduits de branchement 48 avec le tube d*alimentation 49 pour l'un des fluides en circulation et l'autre 5 tube collecteur 45 communique par des canaux de branchement 50 avec le tube de sortie 51 pour ce même fluide. Le tube de sortie 51 traverse un presse-garniture 52 disposé sur l'une des parois d'extrémité 53 de l'échangeur de chaleur (figure 14). Sur la figure 15» on a représenté l'incorporation, dans le 10 conduit des gaz d'échappement 54 d'une installation de chauffage 55» d'un ensemble de plaques d'échange de chaleur analogue à l'ensemble de plaques d'échange de chaleur selon les figures 14, 16 et 17» Le tube collecteur 45, placé à l'extrémité supérieure de l'ensemble de plaques, est raccordé par des conduits 56 à la partie 15 supérieure de la chambre d'eau 55' de l'installation de chauffage 55» tandis que le tube collecteur 46 à l'extrémité inférieure de l'ensemble de plaques est raccordé par des conduits 57 à la chambre d'eau 55* au-dessus du foyer 58 de l'installation de chauffage. Le tube collecteur inférieur 46 peut évidemment être 20 raccordé à la chambre dfeau 551 à un niveau encore plus bas. Comme on le voit par exemple en particulier sur la figure 17» les ouvertures de passage radialement intérieures 41 sont disposées dans une partie centrale 59 des disques intérieurs 14b. Cela agit très favorablement sur le transfert de chaleur entre les 25 deux fluides en circulation. Les anneaux d'étanchéité 17b soudés aux disques 14b sont aussi efficaces que le tube 6 des formes d*exécution selon les figures 1 et 9- Lfinvention permet de réaliser un échangeur de chaleur simple, peu encombrant et relativement peu coûteux ayant une haute 30 capacité d'échsaïge-theimqu^ L*invention n'est pas limitée du tout aux formes d'exécution représentées et décrites ci-dessus et on peut prévoir diverses modifications constructives dans le cadre des revendications annexées. 35 Les ouvertures ménagées dans les plaques de métal peuvent être orientées les unes par rapport aux autres de différentes façons, avec par exemple les languettes 18 des plaques adjacentes, afin d'obtenir Tin écoulement en zig-zag des fluides en circulation dans l'échangeur de chaleur. Les plaques de métal pourraient en 40 outre être munies d'ondulations concentriques, ce qui assurerait 71 03051 8 2108203 une augmentation de la surface de transmission de chaleur. Sur la figure 5» les plaques de métal n*ont été représentées que légèrement décalées. Le parcours d'écoulement des deux fluides (voir les flèches) et par suite l'effet de transmission de chaletir peuvent cependant être notablement augmentés si les plaques de métal sont décalées vers la droite de telle façon que les languettes 18 de la plaque considérée viennent s'appliquer immédiatement du côté gauche de l'ouverture 15 de la plaque de métal placée au-dessous de la plaque considérée. 71 03051 9 2108203 REVENDICATIONS. 1» Dispositif pour éckangeurs de chaleur munis d'un certain nombre de plaques de métal de préférence circulaires entourées par une enveloppe, caractérisé par le fait que chacune des plaques de 5 métal (14) présente un certain nombre d'ouvertures (15) prévues pour l'écoulement d'un premier fluide et un certain nombre d'ouvertures (16) prévues pour l'écoulement d'un second fluide, les ouvertures (151 16) étant placées respectivement à l'extérieur et à l'intérieur d'anneaux d'étanchéité (17) séparateurs des fluides 10 montés dans -une chambre intermédiaire ménagée entre deux plaques de métal voisines (14) et que les plaques (14) sont traversées axialement par xin tube (6) qui présente, à son extrémité intérieure c'est-à-dire placée à l'intérieur de.l'enveloppe (1), des ouvertures (21) ménagées pour l'écoulement de l'un des fluides et communiquant 15 avec les ouvertures intérieures (16) des plaques (14). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'à son extrémité extérieure le tube disposé axialement (6) est, par l'intermédiaire d'un autre tube (8) qui l'entoure, muni d'une bride (10) par laquelle il est fixé à une bride (11) disposée 20 à une extrémité de l'enveloppe (1), tandis qu'à son extrémité opposée placée à l'intérieur de l'enveloppe il est muni de fentes d'écoulement (21) à travers sa paroi en étant par ailleurs complètement fermé et par le fait que sur cette extrémité de tube est disposé un manchon (24) qui impose au fluide introduit dans le tube (6) 25 et passant à travers les fentes d'écoulement (21) une circulation en direction des ouvertures intérieures (16) des plaques de métal (14) et à travers ces ouvertures. 3» Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le tube disposé axialement (6) est, à son extrémité (7) 30 placée à l'intérieur de l'enveloppe (1), muni d'un bouchon axial (22) fileté et recevant un écrou (23) par lequel le manchon (24) peut être pressé à l'une de ses extrémités contre la plaque de métal (14) adjacente. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le 35 fait qu'entre le manchon (24) et 1'écrou (23) est disposé un organe formant ressort. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les ouvertures d'écoulement intérieures (16) des plaques (14) sont des encoches dans le bord 40 d'un trou central des plaques qui est traversé par le tube axial (6). 71 03051 10 2108203 60 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait $ue les ouvertures d'écoulement (15, 16) des plaques (14) sont oblongues et ont leurs axes longitudinaux disposés pratiquement en étoile autour de l'axe des 5 plaques. 7® Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les anneaux d'étanchéité (17*) situés entre des plaques de métal adjacentes (14') sont fixés aux plaques de métal par soudage par points. 10 80 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les plaques de métal (14) sont disposées autour du tube (6) de telle façon que leurs ouvertures ou encoches (16) soient disposées sur des plaques voisines avec un décalage angulaire. 15 9o Dispositif selon l'tuae quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les encoches intérieures radiales (41) sont disposées dans une partie centrale (59) clés plaques de métal (14b) s'étendant dans le tube. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le 20 fait que le tube se compose d'une série radialement intérieure d'anneaux d'étanchéité (17b) disposés coaxialement. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'un anneau d'étanchéité (17a) est disposé concentriquement à chaque anneau d'étanchéité (17b) âe la série radialement inté- 25 rieure de telle façon qu'entre ces deux anneaux d'étanchéité (17a, 17b) et les plaques de métal voisines (14a, 14b) soit formé un passage d'écoulement annulaire (42) pour l'un des deux fluides. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que le passage annulaire (42) est, aux deux extrémités de 30 l'échangeur de chaleur, raccordé par des conduits (56, 57) à une chambre (55')» contenant un liquide, par exemple de l'eau à réchauffer.