Brevet FR2132528A1 — publié le 19721124

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur à faisceaux de tubes et plaques tubulaires. L'invention s'applique plus particulièrement à ceux de ces échangeurs dont on cherche à augmenter l'efficacité et à réduire ltencombrement, en utilisant, dans toute la mesure du possible, un grand nombre de tubes de faible diamètre, très rapprochés les uns des autres. Compte tenu de l'épaisseur de la plaque tubulaire, les trous de faible diamètre destinés à recevoir les tubes ne peuvent se faire que par forage à la mèche. Le forage d'un grand nombre de trous très rapprochés constitue une opération longue et coûteuse et exige en outre beaucoup de soin, tant dans le forage que dans la fabrication des tubes, du fait des faibles tolérances requises entre le diamètre d'un tube et celui du trou corresuondant, afin d'assurer la bonne tenue de l'asserblage qui sert à fixer les tubes aux plaques. Ces inconvénients sont d'autant plus sérieux que les échangeurs de chaleur doivent souvent être fabriqués en grand nombre et rapidement, pour équiper des appareils produits en grande série, par exemple des réfrigérateurs de 4ménage, ou bien des moteurs dont ils sont destinés à refroidir l'huile de graissage. Les difficultés de fabrication de ces échangeurs de chaleur sont encore aggravées dans le cas de plaques tubulaires de forme non plane, ou à profil périmétrique irrégulier, ou encore de tubes de section non circulaire. L'invention a pour objet de faciliter la fabrication des échangeurs de chaleur du type sus-visé et propose, dans ce but, un procédé selon lequel on forme une plaque d'épaisseur voulue au moyen de plusieurs plaques élémentaires superposées en matière métallique, plastique ou autres ayant la minceur requise pour pouvoir être perforées par estampage ou à l'emporte pièce avec un diamètre de trous correspondant à celui des tubes, les opérations de fabrication consistant à perforer ces plaques élémentaires suivant un mêle gabarit, à les superposer en en alignant les trous, en ménageant entre elles une matière d'assemblage susceptible de faire prise spontanément ou par traitement thermique ou autre, et à les assembler à l'aide de cette matière. La matière d'assemblage peut être identique à celle d'une plaque éIémentairec Dans certaines applications elle peut prendre naissance dans la substance même d'une plaque élémentaire, par traitement préalable de celle-ci, tel que, par exemple, gélifica tion superficielle. Convenabletent, on insère les tubes dans les trous superopo- sés pour les maintenir alignés, et on interpose entre les plaques superposees une quantité de matière suffisante pour assurer à la fois l'assemblage des plaques entre elles et l'assemblage des tubes à la plaque composée. Ce procédé est notablement moins coûteux que les procédés connus, car, si faible que soit le diamètre de tubes que l'on désire employer, on peut choisir pour chaque plaque élémentaire une épaisseur permettant de la percer en une seule opération sur toute son étendue, sans avoir recours aux perceuses mécaniques à mèches multiples ou autres. On peut d'ailleurs se servir, dans la mise en oeuvre du procédé, des tôles métalliques ou autres perforées qui constituent un article courant dans la gamme des produiS commerciaux régulièrement mis en vente. Les trous superposés ne sont pas parfaitement alignés les uns sur les autres, et on tendance à s'écarter d'une position moyenne, matérialisée par l'axe du tube correspondant. On constate dans la pratique que ce manque de précision comporte un avantage. En effet, un trou qui s'écarte de sa position moyenne forme, avec la surface extérieure du tube correspondant, un espace comprenant un secteur angulaire de faible épaisseur, qui favorise la bonne tenue de la matière, telle que brasure ou autre, servant à fixer les tubes à la plaque. Comme les écarts des trous par rapport à leur position moyenne tendent à se produire de manière aléatoire, les meilleures zones d'assemblage de faible épaisseur se trouvent régulièrement réparties sur le pourtour du tube, et celà d'autant mieux que le nombre de plaques éîémentaires est plus élevé.La multiplicité des plaques permet donc, non seulement d'éviter de croûteuses et longues opérations d'usinage, mais aussi d'obtenir un bon assemblage des tubes à la plaque avec, tant pour les tubes que ipour les plaques, des tolérances de fabrication plus larges que celles exigées dans les procédés de Sabrication connus. Dans une a-plication du procédé selon l'invention, on rogne sur le pourtour un certain nombre de plaques élémentaires qui constituen*-une çouche-intérieure de l'ensemble, la plaque ainsi formée :présemtant., sur sa tranchez une gprge périphérique adaptée à recevoir Un cordofl d'étanchéité. Belon une autre arplication, on dimensionne une ou plusieurs plaques élémentaires, formant une couche extérieure de l'ensemble, de manière à les faire déborder sur les autres plaques élémentaixs la partie en détord constituant une bride d'asseEblage pour la plaque tubulaire terminée. Dans certains mode de réalisation, les plaques élémentaires sont en matériaux différents, adaptés, par exemple, à la position de chaque plaque dans l'ensemble. Ceci permet, en particulier, de noter cet ensemble d'une bonne résistance à la corrosion, par le choix d'un matériau anti-corrosion réservé à ltune ou l'autre des deux plaques élémentaires extérieures. belon un mode de réalisation, on donne par emboutissage une forme particulière aux bords des trous, dans une ou plusieurs plaques situées au niveau de l'embouchure des tubes, de manière à donner à ces embouchures un profil donné, par exemple évasé, afin de diminuer les pertes de charge dans le fluide appelé à circuler le long des tubes. Un tel profilage présente l'avantage de ne pas nécessiter d'usinage sur plaque épaisse. Selon les applications, les plaques élémentaires sont en me- tal, par exemple en tôle d'acier, de cuivre, d'aluminium, de zinc, d'alliage ou autre, ou bien en matière plastique. La plaque élé- mentaire peut être composée entièrement du matériau choisi, ou bien se présenter sous forme de film ou de pellicule, dans lequel ce matériau consiste en une couche disposée sur un support appelé à disparaître par traitement thermique, par exemple à la suite dt un processus de calcination ou de volatilisation. L'assemblage des plaques par traitement thermique éventuellement assisté d'une compression, fait appel à l'une ou l'autre des diverses techniques connues, qui ne seront pas décrites en détail, et peut mettre en oeuvre, en particulier, une opération de soudage, brasage, collage, auto-collage, selon que les diverses couches dont est composé le produit final sont identiques ou différentes. belon une autre tecnnique, on superpose les plaques éléTen- taires les unes aux autres, on insère des tubes dans les trous correspondant,on obture les tubes te;porairement, et on immerge l'ensemble dans un bac rempli de matière d'assemblage de manière à permettre à celle-ci de pénètrer entre les plaques ainsi que dans les espaces entre les tubes et les bords des trous. Au cas où îa plaque élémentaire inclut une couche rapportée de matière d'assemblage, eelle-ci peut entre dé osée-sur le maté riau structural proprement dit, tale, film ou feuille, avant ou après les opérations de façonnage, telles que découpage, emboutissage, poinçonnage, matriçage, etc... Elle peut être appliquée avant l'introduction des tubes dans l'ensemble de la plaque stratifiée, ou bien au fur et à mesure de l'enfilage des plaques élémentaires sur ces tubes. Selon les cas, les tubes sont réunis à la plaque stratifiée, pendant ou après l'opération d'assemblage des plaques élémentaires entre elles. L'étanchéité entre la plaque et les tubes est réalisée sans opération de dudgeonnage ou de soudure sur collerette, couramment employée à cet effet dans les procédés de fabrication existants. Ceci facilite le rapprochement des tubes les uns des autres, ainsi que le choix de tubes de petit diamètre, ce qui conduit à réduire l'encombrement, à surface d'échange constante. Les objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront par ailleurs de la description que l'on va en donner, ci-après, portant sur des modes de réalisation et diverses applications choisies à titre d'exemple et représentées aux-dessins annexés. Sur ces dessins la figure 1 représente, en coupe axiale verticale, un échangeur de chaleur tubulaire servant à refroidir l'huile de graissage d'un moteur Diesel la figure 2 représente un détail, à plus grande échelle, d' une plaque tubulaire de cet échangeur la figure 3, homologue de la figure 2, porte sur une variante la figure 4 représente, en coupe axiale verticale, un échangeur tubulaire formant évaporateur la figure 5 représente, en coupe axiale verticale, un autre échangeur servant de condenseur. L'échangeur représenté sur la figure 1 a une enveloppe cylindrique composée d'une virole 1 qui s'emboîte par ses deux extrémités dans deux manchons 2 et 3 munis respectivement d'une entrée de fluide 4 et d'une sortie de fluide 5. Cette enveloppe cylindrique est obturée à ses deux extrémités par deux couvercles 6 et 7-en forme de dôme, le couvercle inférieur 7 ayant une entrée de fluide 9 et le couvercle supérieur 6 comportant une sortie de fluide 8. L'espace renfermé par cette enveloppe cylindrique munie de ses couvercles est cloisonné par deux plaques tubulaires 1O, Il en trois parties, à savoir : une chambre inférieure 12 d'admissicn d'huile délimitée par les élé:~ents 7, 11 et desservie par l'entrée de fluide 9 ; une cnambre 13 de sortie d'huile délimitée par les éléments 6, 10 et desservie par la sortie 8 et une chambre intermédiaire 14 située entre les plaques tubulaires 10, Il et entourée par 11 enveloppe cylindrique composée des éléments 1, 2, 3. La chambre interLlédiaire 14, destinée à la mise en circulation d'un fluide réfrigérant est desservie par l'entrée de fluide supérieure 4 et la sortie de fluide inférieure 5. Dans la chambre 14 se trouve un faisceau de tubes 15 qui traverse les plaques tubulaires 10, Il et par l'intermédiaire desquels la chambre 12 communique avec la chambre 13. Des joints toriques 17 assurent l'étanchéité entre les plaques tubulaires 10, Il et les éléments de l'enveloppé extérieure, qui sont serrés les uns aux autres par tout moyen connu, par exemple des circlips 16. Suivant un mode connu, on assure le refroidissement de l' huile en la faisant circuler de la chambre 12 à la chambre 13 à l'intérieur des tubes 15, la surface extérieure de ces tubes état balayée par de l'eau de refroidissement qui, admise en 4 dans la chambre 14 s'écoule du haut en bas de cette chambre suivant un tracé sinueux indiqué par des flèches, imposé des chicanes 18 et s'évacue de cette chambre par la sortie 5. Pour prendre un exemple, l'enveloppe cylindrique a un diamètre de 110 m/m, et les tubes 15 de 3 m/m de diamètre intérieur ont une surface globale intérieure égale environ à 40 c,.,Ó de la surface transversale délimitée par l'enveloppe. il y a donc plusieurs centaines de tubes 15 à assembler aux deux plaques tubulaires 10, 11 dont l'épaisseur est de 13 m/m environ. ainsi qu'on l'a mentionné, ci-dessus, le perçage de quelques centaines de trous dans ces plaques tubulaires constitue une opération longue, coûteuse et minutieuse, car il faut respecter des tolérances très étroites entre le diamètre de ces perçages et la diamètre extérieur des tubes àfin d'obtenir un bon assemblage des tubes aux plaques. te respect de ces tolérance implique par ailleurs de très étroites tolérances de fabrication pour les tubes proprement dits. belon l'invention, on élimine ces difficultés en composant chacune des plaques tubulaires au moyen de 12 plaques élémentaires (figure 2) d'une épaisseur de 0,8 mm environ dans lesquelles les trous de passage des tubes sont formés en une seule opération pour chaque plaque, par estampage ou à l'emporte-pièce ou par tout mode de perçage analogue. Une fois complétée l'opération de perçage, on place ces plaques les unes sur les autres en disposant entre plaques successives des couches de matière d'assemblage constituées par de la fibre de verre imprégnée de polyester du type haute température. On passe ensuite les tubes dans les trous alignés et on soumet l'en- semble à un traitement thermique qui a pour effet de fluidifier le polyester, de le répartir uniformément entre les plaques élémentaires, d'en remplir les espaces entre plaque et tube et finalement de le durcir. La matière fibreuse des couches d'assemblage constitue en fait un réservoir de polyester contenantun surplus destiné à réaliser l'assemblage des tubes. Sur la figure 2, on voit successivement, de haut en bas, deux plaques élémentaires 19, trois plaques 20 dont le diamètre est inférieur à celui des plaques 19, puis deux autres plaques 19 suivies de trois autres plaques 20 et finalement une plaque 19' et une plaque extérieure 19", égales l'une et l'autre en diamètre aux plaques 19. Cette disposition permet de ménager sur chacune des plaques tubulaires terminées deux gorges périphériques adaptées à redevoir les joints toriques 17. les trous formés sur la plaque 19' sont arrondis en bordure et les trous de la plaque extérieure 19t' sont garnis par estampage de courtes tubulures 21 qui sont raccordées aux tubes 15 et qui forment pour ceux-ci des embouchures à profil évasé. Convenablement, une des deux plaques él-émentaires extérieures de l'ensemble ou bien toutes les deux sont choisies en un matériau leur permettant de mieux résister à la corrosion par contact avec le liquide correspondant. ainsi qu'il apparaît sur la figure 2, les trous des plaques successives ne sont pas parfaitement alignés les uns sur les autres et forment dans un même plan diamétral des espaces 22 d' épaisseur différente avec la face extérieure du tube correspondant 15. Certains de ces espaces sont mieux adaptés que d'autres à réaliser par remplissage de la matière appropriée un bon assemblage entre tubes et plaques. En raison de la répartion aleatoire des défauts d'alignement des trous successiSs, on peut donc réaliser un assemblage correct des tubes à la plaque tubulaire terminée et celà, sans s'imposer de tolérance difficile à respecter portant sur le diamètre exterieur des tubes et sur le diamètre intérieur des trous. dur la variante de la figure 3, 7 des 12 plaques élémentaires dont est constituée la plaque tubulaire finale débordent sur les cirq autres plaques élémentaires pour former une bride d'assemblage 23. Avantageusement, les chicanes 18 sont percées par emboutissage ou à l'emporte-pièce, le gabarit de perçage étant le même que celui des plaques élémentaires. Les avantages offerts par l'invention dans la fabrication d' échangeurs à tubes et plaques tubulaires sont de nature à étendre le champs d'application des appareils de ce type. Deux de ces applications sont représentées sur les figures 4 et 5 dont les éléments identiques ou équivalents à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes numéros d!indice. L'appareil de la figure 4 est un évaporateur vertical du genre servant à assurer le refroidissement d'eau par évaporation d' un liquide frigorigène. Dans l'axe vertical de l'appareil, une cheminée 24 reliée aux deux plaques tubulaires 10 et Il met en communication les deux espaces 12 et 13. A l'intérieur de cette cheminée, se trouve un tuyau 25 qui débouche dans 1' espace 13 par sa partie supérieure 26 et qui traverse le d3me inférieur 7 pour se terminer par un coude 27. Le liquide frigorigène est admis dans l'espace 12 par une tubulure d'admission 28 qui traverse la paroi du dôme inférieur 7. Ge liquide remonte le long des tubes 15 en se vaporisant par échange de chaleur avec de l-'eau à refroidir qui, admise dans la chambre 14 par la tubulure 4 supérieure, circule de haut en bas dans cette chambre et s'en évacue par la sortie 5 après avoir cédé une partie de sa chaleur au frigorigène. Le fluide liquide-vapeur qui débouche par les tubes 15 dans la chambre supérieure 13 entre en contact avec un séparateur 29. Le liquide séparé retombe dans la chambre inférieure 12 le long de l'espace annulaire ménagé entre le tuyau 25 et la cheminée 24 pour être recyclé le long des tubes vaporisateurs 15. Quant au frigorigène vaporisé, il penètre dans le tuyau 25 par l'embouchure supérieure 26 et s'évacue par le coude de sortie 27. L'appareil de la figure 5 est un condensateur à axe vertical du genre servant à assurer la condensation d'un gaz frigorigène comprimé, le réfrigérant employé étant de l'eau. Dans cet appareil les deux chambres 12 et 13 co!muniquent l'une avec l'autre par 1' intermédiaire d'une cheminée 30 qui traverse les deux plaques tubulaires 10 et 11 et se termine au ras des faces extérieures respectives de ces plaques. A la partie inférieure de la cheminée 30 se trouve une tubulure conique 31 convergent vers le bas et relie à joint étanche par sa grande base supérieure 32 à la face intérieure de la cheminée 30. Une tubulure 33 d'admission de vapeur frigorigène traverse le dôme 7 suivant l'axe de l'appareil et se termine par un ajutage convergent 34 qui débouche à l'extrémité inférieure de la tubulure 32. La vapeur de frigorigène remonte le long de la cheminée 30, remplit l'espace 13, circule de haut en bas le long des tubes 15 et se liquéfie progressivement en se refroidissant par échange thermique avec de l'eau qui, entrant dans la chambre 14 par la tubulure d'admission inférieure 4, circule de bas en haut le long de cette chambre et s'en évacuepar la tubulure de sortie 5. Le frigorigène liquéfié s'accumule dans lachambre inférieure 12 et en sort par la tubulure 35. Le convergent 34 forme avec la tubulure 31 un venturi à col ouvert qui a pour effet d'aspirer du frigorigène liquéfié dans la chambre 12 et de le mélanger à la vapeur débitée par la tubulure 33 afin d'en accélérer la liquéfaction. Le procédé de fabrication de plaques tubulaires selon l'invention offre de grandes possibilités quant au choix des matériaux constitutifs, en particulier, il permet de produire des plaques tubulaires entièrement métalliques, par exemple au moyen de plaques élémentaires en acier reliées les unes ux autres par brasage, la brasure étant formée d'une poudre métallique, éventuellement mélangée à un liant et disposée en couche entre les plaques élémentaires. Dans d'autres applications convenant particulièrement à 1' industrie du froid, on peut avoir des plaques élémentaires en matière plastique, polyester, résine époxy ou autre reliées les unes aux autres par une matière plastique, par exemple une colle du genre ARAIDITE. Dans d'autres applications, on peut avoir recours à des pla aus,élémentilires métalliques reliées les unes aux autres par une R rDICsTIoB 1. Procédé de fabrication d'une plaque tubulaire pour échangeur de chaleur, selon lequel on forme ladite plaque à l'épaisseur voulue au moyen de plusieurs plaques élémentaires superposées ayant la minceur requise pour pouvoir être perforées par estampage ou usinage analogue à l'emporte-sièce, à un diamètre correspondant à celui des tubes, les opérations de fabrication consistant à perforer ces plaques élémentaires suivant un même gabarit, à les superposer en en alignaS les trous en ménageant entre elles une matière d'assemblage susceptible de faire prise, soit spontanément soit par traitement physique ou chimique, et à les assembler à l'aide de cette matière. 2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel la matière d'assemblage se forme dans la substance meme d'une plaque élémentaire. 3. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel la matière d'assemblage est rapportée. 4. Procédé suivant une quelconque des revendications précédentes selon lequel on maintient les trqus alignés en y insérant les tubes de l'échangeur. 5. Procédé suivant une quelconque des revendications précédentes selon lequel on assemble les tubes à la plaque après fabrication de celle-ci. 6. Procédé suivant la revendication 4, selon lequel on effectue simultanément l'assemblage des plaques élémentaires les unes aux autres ainsi que leur assemblage aux tubes. 7. Procédé suivant une quelconque des revendications précédentes selon lequel on interpose entre les plaques élémentaires un support fibreux imprégné de matière d'assemblage. 8. Procédé suivant une quelconque des revendications précédentes selon lequel on donne à une ou plusieurs plaques élémentaires un profil périphérique situé en retrait par rapport à celui des plaques élémentaires voisines uour former une gorge périphérique sur la tranche de la "laque tubulaire terminée. 9. Procédé suivant une quelconque des revendications précédentes, selon lequel on fait déborder une ou plusieurs plaques élémentaires sur les plaques élémentaires voisines, la partie en débord formant bride d'assemblage de la plaque tubulaire terminée. 10. Procédé suivant une quelconque des revendications précédentes, selon lequel les plaques élémentaires sont formées de plusieurs matériaux différents. 11. Procédé suivant une quelconque des revendications précédentes selon lequel on bonne le bord des trous dans une ou plusieurs des plaques élémentaires extérieures pour donner aux tubes correspondant une embouchure à profil évasé. 12. Flaque tubulaire pour échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'elle est composée de plusieurs plaques élémentaires superposées comportant des trous alignés formés par estampage ou usinage à l'emporte-pièce, lesdites plaques élémentaires étant adhérentes les unes aux autres sur l'ensemble de leur surface de contact respectif. 13. Plaque tubulaire suivant la revendication 12, dont les plaques élémentaires en métal sont rendues adhérantes les unes aux autres par soudage, brasage ou procédé analogue. 14. Flaque tubulaire suivant la revendication 12, dont les plaques élémentaires en métal sont assemblées les unes aux autres par des couches intermédiaires en matière plastique. 15. Plaque tubulaire suivant la revendication 12, dont les plaques élémentaires en matière plastique sont assemblées les unes aux autres par des couches intermédiaires en matière plastique. 16. Echangeur de chaleur comportant une plaque tubulaire fabriquée suivant une quelconque des revendications précédentes. 17. Echangeur de chaleur suivant la revendication 16 formant évaporateur vertical de fluide frigorigène et comportant une enveloppe cylindrique à axe vertical fermée à ses deux extrémités par deux couvercles respectifs bombés, deux plaques tubulaires formant cloison transversale à l'intérieur de l'enveloppe et réunies l'une à l'autre par un faisceau de tubes, une cheminée centrale traversant les deux plaques tubulaires, un conduit central disposé dans la cheminée et formant un espace annulaire avec elles ci, ledit conduit central débouchant par sa partie supérieure dans l'espace formé entre le couvercle supérieur et la plaque tubulaire la plus voisine et traversant le couvercle inférieur pour déboucher vers l'extérieur, une entrée de liquide frigorigène débouchant dans l'espace formé entre le couvercle inférieur et la plaque tubulaire la plus voisine, ainsi qu'une entrée et une sortie de fluide desservant l'espace délimité par les deux plaques tubulaires à l'intérieur de l'enveloppe, ledit échangeur étant adapté à assurer l'évaporation de liquide frigorigène circulant de bas en haut dans les tubes, I'évaduation de fluide frigorigène évaporé par le conduit central et la retombée de fluide frigorigène non vaporisé dans 1' espace annulaire, en vue de son recyclage de bas en haut du faisceau tubulaire. 18. échangeur de chaleur suivant la revendication 16 formant condensateur vertical de fluide frigorigène et comportant une enveloppe cylindrique à axe vertical fermée à ses deux extrémitAs par deux couvercles respectifs bombés, deux. plaques tubulaires formant cloison transversale à l'intérieur de l'enveloppe et réunies l'une à l'autre par un faisceau de tubes une cheminée centrale traversant les deux plaques tubulaires, une tubulure tronconique convergent vers le bas située à la partie inférieure de la cheminée et reliée à la face intérieure de celle-ci le long de sa grande base, une tubulure d'admission de vapeur de frigorigène traversant le couvercle inférieur et se terminant par un ajutage convergent débouchant à l'extré1ité inférieure de la tubulure conique, un jeu annulaire étant réserve entre le bord de ladite extrémité inférieure et celui de l'ajutage convergent, une sortie de liquide frigorigène traversant le couvercle inférieure ainsi qu'une entrée et une sortie de fluide desservant l'espace délimité par les deux plaques tubulaires à l'intérieur de l'enveloppe, ledit échangeur étant adapté à assurer la condensation de vapeur frigorigène mise en circulation du bas en haut de la cheminée centrale par l'intermédiaire de l'ajutage convergent et de la tubulur re conique, sa condensation par circulation du haut en bas des tubes du faisceau, l'évacuation du liquide accumulé dans l'espace entre le convercle inférieur et la plaque tubulaire la plus voisine, l'ajutage convergent formant avec la tubulure conique un Venturi à col ouvert ayant pour effet d'aspirer du liquide frigorigène accumulé dans ledit espace et à le mélanger à la vapeur débitée par l'ajutage convergent.