Brevet FR2284849A1 — publié le 19760409

L'invention concerne les éléments constitutifs des échangeurs thermiques, éléments destinés à entre traversés intérieurement par un fluide (gazeux ou liquide) que l'on désire refroidir ou réchauffer par circulation d'un autre fluide de température différente le long de la surface extérieure desdits éléments. Elle vise également les échangeurs thermiques constitués à l'aide de tels éléments ainsi que les procédés de fabrication de ces éléments Elle concerne plus particulièrement, parmi les éléments du genre en question, ceux constitutifs des échangeurs industriels de très grande capacité et plus particulièrement encore (parce que c'est dans leur cas que l'application de l'invention semble devoir offrir le plus dtintérêt), mais non exclusivement, parmi lesdits éléments, ceux destinés à refroidir à la température ambiante, avec de l'air atmosphérique, l'eau sortant réchauffée d'un réacteur nucléaire de grande puissance. On -#rappelle que, pour l'application indiquée, le nombre d'éléments constitutifs de l'échangeur est énorme, ce nombre pouvant atteindre plusieurs millions d'unités : les éléments en question doivent donc être justiciables d'un procédé de fabrication à très grande cadence. Les éléments conforme s à l'invention sont du type de ceux formés, d'une façon connue en elle-m & e dans le domaine des radiateurs de chauffage central, par juxtaposition et assemblage l'une contre l'autre de deux feuilles rectangulaires nervurées, les nervures de ces feuilles formant, dans l'élément obtenu, d'une part deux couloirs parallèles à deux côtés opposés du rectangle et longeant ces deux côtés et d'autre part une série de canaux identiques parallèles aux deux autres côtés du rectan gle, canaux dont les deux extrémités débouchent respectivement dans les deux couloirs. Selon l'invention, les éléments rectangulaires plats considérés sont caractérisés par la combinaison des mesures suivantes - chaque feuille, constituée en un alliage léger, est très mince, son épaisseur étant inférieure à 0s5 min, de préférence de l'ordre de 0,3 mm, - l'épaisseur totale de l'élément est inférieure à 5mm, de préférence de l'ordre de 3 mm, - la surface globale de chaque face rectangulaire de l'élé- ment est de l'ordre du mètre carré, sa longueur étant supérieure G I a, de préférence de l'ordre de 3 m et sa largeur tant notamment de l'ordre de 50 cm. Vu leur minceur extrême et leur grande longueur, ces éléments se présentent sous la forme de morceaux rectangulaires de bandes souples tout à fait originaux rappelant par certains côtés des pans de carton ondulé. Sans doute no pr9sentent-ils pas une tenue mécanique suffisante pour êire autoporteurs. Mais la demanderesse a constaté que ce manque dautoportance n'était absolument pas un inconvénient pour les applications envisagées et qu'il était au contraire compensé par au moins deux avantages essentiels, savoir une forte densité de surface d'échange thermique et la possibilité d'une fabrication à grand débit. Le manque d'autoportance des éléments rectangulaires extra-plats ci-dessus n'est en effet pas ici un inconvénient du fait qu'ils ne sont pas destinés à être utilisés isolément : ils sont destinés à être montés côté à côte - avec interposition bien entendu d'intervalles suffisants pour permettre le passage du fluide extérieur - dans des ossatures rigides comprenant en particulier les tuyauteries de desserte (alimentation t évacuation) en fluide interne de leurs couloirs collecteurs. Dans les batteries d'éléments plats ainsi formés, les intervalles entre éléments peuvent être eux-mêmes très étroits l'épaisseur de ces intervalles, laquelle est limitée inférieurement par la perte de charge tolérable pour la circulation du fluide externe entre les éléments, est généralement inférieure à 1 cm et par exemple de l'ordre de 5 mm, ce qui permet d'atteindre des densités de surface d'échange thermique très élevées, ces densités pouvant atteindre ou même dépasser 100 à 150 m2 par m3. C'est là un premier avantage essentiel de l'invention. Un deuxième avantage essentiel qui résulte de la conception indiquée ci-dessus pour les éléments d'échangeurs thermiques réside en ce aue ces derniers se prêtent aux techniques de fabrication continue à très grande vitesse telles que celles utilisées en matière de gaufrage du papier et d'emballage de certains produits de grande diffusion tels que des biscuits. C'est ainsi que, pour fabriquer les éléments extr~-plats en question, on procède avantageusement par la suite des opérations suivantes : déroulage à grande vitesse de deux feuilles métalliques très minces à partir de deux bobines ; gaufrage de ces feuilles par passage entre aux rouleaux dont l'un au moins présente une surface gravée en fonction du dessin à imprimer dans chaque feuille ; juxtaposition doue deux feuilles gaufrées de manière à former les canaux et couloirs désirés ; assemblage des feuilles ainsi juxtaposées ; et découpage de la bande composite obtenue aux longueurs désirées. L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Dans ce qui suit l'on va décrire un mode de réalisation préféré de l'invention en se référant aux dessins ci-annexés d'une manière bien entendu non limitative. La figure 1 de ces dessins, montre en perspective schématique une batterie d'échange thermique établie conformément à l'invention. Les figures 2 à 4 montrent respectivement à plus grande échelle, en élévation et en coupes selonIII-III et IV-IV, figure 2, l'un des éléments constitutifs de cette batterie, élément lui-m & e établi conformément à l'invention. Et les figures 5 et 6 montrent, semblablement aux figures 2 et 32 une variante de réalisation. D'une façon connue en soi dans le domaine des radiateurs de chauffage central, chaque élément E d'échange thermique présente la forme générale d'une galette rectangulaire striée composée de deux feuilles métalliques rectangulaires 1 nervurées en 2 juxtaposées et soudées l'une contre l'autre. Le nervurage et la juxtaposition des deux feuilles sont prévus de façon à constituer dans chaque élément rectangulaire d'une part deux couloirs 3 longeant respectivement deux des c8tés opposés du rectangle et d'autre part une suite de canaux parallèles identiques 4, les deux extrémités de chaque canal débouchant respectivement dans les deux couloirs, lesquels jouent ainsi respectivement les rôles de distributeur d'alimentation et de collecteur d'évacuation pour les canaux. Chaque canal est isolé de chacun de ses deux voisins par le contact mutuel des sommets de deux nervures qui le délimitent latéralement et qui font partie respectivement des deux feuilles juxtaposées. Les éléments connus de ce genre, utilisés isolément, sont autoporteurs, les feuilles qui les constituent présentent une forte épaisseur, généralement supérieure au mm, leurs nervures sont réalisées par moulage ou par emboutissage pièce par pièce procédé long# i coflteux - et l'épaisseur globale de ces éléments est relativement élevée, étant supérieure à 3 cm, généralement de l'ordre de 4 à 5 cm. Les éléments d'échange conformes à l'invention diffèrent de ces éléments connus par un certain nombre de caractéristiques et en particulier par leur extrême minceur puisque leur epaisseur globale est inférieure à S mm, étant avantageusement de l'ordre de 3 mm. Ils sont constitués par des feuilles elles-mêmes très minces, d'épaisseur inférieure à 0,5 mm, et de préférence de l'ordre de 0,2 à 0,3 mm, feuilles formées en un alliage léger propre à résister à la corrosion par chacun des deux fluides concernés (en général air et eau), cet alliage étant notamment à base d'aluminium et/ou de magnésium. Malgré les très faibles épaisseurs signalées, les dimensions des faces rectangulaires des éléments extra-plats en question sont relativement grandes, leur longueur a étant généralement supérieure au mètre, notamment de l'ordre de 3 mètres et leur largeur b étant généralement comprise entre 20 cm et 1 mètre, étant notamment de l'ordre de 50 à 60 cm. De ce fait lesdits éléments extra-plats ne sont pas autoporteurs : ils présentent au contraire une certaine souplesse du mre de allyle d'unebande assez flasque de tole mince ou de carton ondulé. Cette faible tenue mécanique exige le support desdits éléments par des ossatures rigides indépendantes, ossatures constituées avantageusement au moins en partie par les tuyaux de desserte 5 (alimentation et évacuation) en fluide interne des couloirs 3 desdits éléments, l'une au moins des extrémités de chaque couloir étant raccordée de façon étanche à la paroi latérale de l'un desdits tuyaux, évidée à cet effet. Les faces des couloirs 3 peuvent être réunies l'une à l'autre par des points de soudure tels que b (figures 2 et 3) ou encore être raidies par des nervures telles que 7 (figures 5 et 6). La largeur d1de chaque sommet plat de nervure 2 (figure 4) en contact mutuel avec un sommet en regard est généralement compris entre 2 et 5 mm, étant par exemple de l'ordre de 3 min, tandis que la largeur d2 de chaque voile compris entre deux sommets de nervures consécutifs, voile délimitant un canal 4, est généralement comprise entre 5 et 15 mm, étant par exemple de l'ordre de 10 mm. Ledit voile présente avantageusement une forme incurvée (figure 4), la section droite de chaque canal 4 ayant alors la forme générale d'un oeil, forme limitée par deux arcs de cercle identiques, mais elle pourrait également être polygonale. Les éléments rectangulaires extra-plats E qui viennent d'être décrits peuvent être orientés verticalement et montés les uns à côté des autres de façon à constituer une batterie, les écartements compris entre deux éléments consécutifs de la batterie étant déterminés en fonction de la perte de charge dont on dispose pour la circulation du fluide externe entre les éléments suivant la flèche F (figure 1). Pour une épaisseur e de chaque élément de l'ordre de 3mm, cet écartement est avantageusement compris entre 5 et 10 mm. On peut ainsi obtenir une densité de surface d'échange exceptionnellement élevée, cette densité pouvant facilement atteindre ou même dépasser 150 m2 par mètre cube. Les éléments décrits ci-dessus se prêtent parfaitement à une fabrication à très grande vitesse, et donc en très grande série, en bandes continues selon les techniques adoptées dans le domaine du gaufrage de papier ou de l'emballage des petits articles de grande diffusion telle que les biscuits. Cette fabrication met de préférence en oeuvre les différentes opérations suivantes : déroulage à grande vitesse des deux feuilles métalliques minces à partir de deux bobines ;passage de ces deux feuilles entre des cylindres gravés de gaufrage ; jux- taposition des deux feuilles gaufrées de manière à faire apparature les canaux et couloirs désirés dans l'ensemble de feuilles juxtaposées ; serrage des ffeux feuilles ainsi juxtaposées l'une contre l'autre et assemblage mutuel de celles-ci, notamment par soudage à la molette ou collage de leurs plages de contact mutuel et/ou par sertissage de bords retournés ; et enfin découpage aux longueurs désirées de la bande composite ainsi réalisée. En suite de quoi et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose finalement d'éléments d'échange thermique extra-plats particulièrement efficaces et économiques permettant la constitution d'échangeurs de très grande capacité dans des conditions satisfaisantes de rentabilité. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déju de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses,iodes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes, notamment celles où les éléments d'échangeur considérés seraient fabriqués par d'autres procédés que ceux décrits comme préférés ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Elément plat rectangulaire d'échangeur thermique formé par juxtaposition et assemblage l'une contre l'autre de deux feuilles rectangulaires nervurées, les nervures de ces feuilles formant, dans l'élément obtenu, d'une part deux couloirs parallèles à deux côtés opposés du rectangle et longeant ces deux côtés et d'autre part une série de canaux identiques parallèles aux deux autres côtés du rectangle, canaux dont les deux extrémités débouchent respectivement dans les deux couloirs, caractérisé par la combinaison des mesures suivantes - chaque feuille, constituée en un alliage léger, est très mince, son épaisseur étant inférieure à 05 min, - l'épaisseur totale de l'élément est inférieure à 5 min, - la surface globale de chaque face rectangulaire de 1' élé- ment est de l'ordre du mètre carré, sa longueur étant supérieure à I m. 2. Elément selon la revendication 1 caractérisé en ce que son épaisseur est de l'ordre de 3 min. 3. Elément selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'épaisseur des feuilles qui la constituent est de l'ordre de 0,3 min. 4. Elément selon l'une des revendications 19 2 et 32 carat6~ risé en ce que la longueur de l'élément est de l'ordre de 3 m. 5. Elément selon l'une des précédentes revendications, caraco térisé en ce que la section droite de chaque canal est délimitée par deux arcs de cercle. 60Echlageur thermique, caractérisé en ce qu'il est constitué par une batterie d'éléments selon l'une des précédentes revendications juxtaposés côte à côte avec interposition des intervalles nécessaires à la circulation du fluide d'échange extérieur. 7. Echangeur thermique selon la revendication 6, caractérisé en ce que sa densité de surface d'échange est supérieure à îoe m2 par m3. 8. Procédé de fabrication d'un élément selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par la suite des opérations suivantes déroulage à grande vitesse de deux feuilles métalliques très minces à partir de deux bobines ; gaufrage de ces feuilles par passage entre deux rouleaux dont l'un au moins présente une surface gravée en fonction du dessin à imprimer dans chaque feuille ; juxtaposition des deux feuilles gaufrées de manière à former les canaux et cou loirs désirés ; assemblage des feuilles ainsi juxtaposées et découpage de la bande composite obtenue aux longueurs désirées. 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce que 11 assemblage des feuilles juxtaposées est effectué par soudage à la molette.