Brevet FR2309817A1 — publié le 19761126

L'invention concerne des échangeurs de chaleur du type dans lequel les passages pour écoulement du fluide sont obtenus entre des plaques parallèles opposées disposées l'une entre l'autre et les fluides entre lesquels de la chaleur doit stéchan- ger sont amenés à s'écouler dans des directions opposées l'une à 11 autre dans des passages d'écoulement alternés entre les plaques. Selon la présente invention et dans le but général de développer un échange de chaleur de haute efficacité entre les fluides, un échangeur de chaleur du type précité est caractérisé en ce que les plaques sont ondulées dans des plans perpendiculaires aux sens des écoulements de fluides, les ondulations étant alignées de telle façon que les passages d'écoulement définis entre elles sont de largeur constante mesurée entre les sections droites des plaques voisines. De préférence les ondulations sont sensiblement en forme de V multiple. Du fait que dans les échangeurs de chaleur du type précité il y a inévitablement une différence de pression entre les deux fluides il est nécessaire de prévoir entre les plaques une certaine forme de dispositif de renforcement ou d'espacement pour éviter 11 effondrement ou la fermeture partielle des passages qui contiennent le fluide à la pression la plus basse. Un mode de renforcement qui a été essayé est une barre dtespacement ondulée contenue dans le passage entre les plaques adjacentes et ayant ses ondulations au contact avec les surfaces des plaques se faisant face à l'intérieur. Un autre mode de renforcement implique l'emploi de simples bandes de métal légèrement coudées ajustées à l'intérieur du passage d'écoulement de façon à autre au contact et à former pont à l'intérieur des ondulations le long du chemin d'écoulement du fluide entre les plaques. Le désavantage du simple emploi de barres transversales ordinaires d'espacement entre les sections terminales droites des plaques voisines est la différence dans la largeur du passage obtenu dans les parties droites et dans les coudes, tandis que le désavantage de l'emploi d'une structure en barre ondulée est le caractère non uniforme des conduits triangulaires qu'elle forme nécessairement et qui se traduit par une valeur nusselt extrtmement basse. Par contre l'emploi de simples bandes légèrement cou dées crée des conduits sinusordaux qui se traduisent par une valeur nusselt encore moins satisfaisante. Au lieu par conséquent de ces expédients, il est proposé plus loin selon la présente invention de réaliser un échangeur de chaleur du type précité et comme défini dans le paragraphe 2 de cette description avec des pièces d'espacement intérieures s'étendant transversalement à travers les passages entre les plaques à certains au moins des coudes d'ondulation, les dimensions de la profondeur et des arêtes latérales, et la configuration des pièces d'espacement étant telles qu'elles rendent constante la largeur du passage entre les plaques voisines à ces coudes tout en maintenant également constante la largeur du reste des passages malgré les différences de pression des fluides qui s'écoulent dans les passages adjacents. De préférence les pièces intermédiaires d'espacement sont situées aux coudes alternés d'ondulation le long de tout passage particulier et la disposition de ces pièces d'espacement dans un passage alterne avec la disposition des mimes pièces dans les passages adjacents, cette disposition étant la plus favorable du peint de vue échangeur de chaleur. Toutefois en pratique il peut être nécessaire, à cause de la forte pression différentielle, d'avoir les pièces d'espacement directement opposées l'une à l'au- tre mais le mieux est d'éviter cette pratique si possible. Pour obtenir les meilleurs caractéristiques dtdcoulemerlt (haute valeur nusselt) le mieux est d'obtenir le rapport le plus grand possible entre la profondeur et la longueur de chaque passage. Une forme particulière et maintenant préférée d'échangeur de chaleur selon la présente invention convient pour transférer à l'air la chaleur dtun fluide à haute température, tel qu'un gaz d'échappement. Un tel échangeur de chaleur va maintenant êtrè décrit en se référant aux dessins annexés, dans lesquels La Fig. 1 est une vue en plan avec coupe partielle, d'une première forme de plaque utilisée dans l'échangeur de chaleur; La Fig. 2 est une vue en plan avec coupe partielle, d'une sonde forme de plaque utilisée conjointement avec la forme de plaque montrée à la Fig. 1; La Fig. 3 est une vue en coupe agrandie selon la ligne C-C de la Fig. 1; La Fig. 4 est une vue en coupe agrandie selon la ligne D-D de la Fig. 1; La Fig. 5 est une vue en coupe agrandie selon la ligne E-E de la Fig. 2;; La Fig. 6 est une vue en coupe agrandie selon la ligne F-F de la Fig. 2; La Fig. 7 est une vue en coupe transversale agrandie d'une forme préférée d'ailette guide; et La Fig. 8 est une vue en coupe agrandie montrant le mode d'empilage des première et seconde formes de plaques pour constituer un échangeur de chaleur. En se référant maintenant aux dessins l'échangeur de chaleur -connu autrement comme "récupérateur à surface primairen- est principalement constitué d'un certain nombre de plaques "A" spécialement formées comme montré à la Fig. 1 et de plaques "B" comme monts à la Fig. 2, qui sont alternativement disposées les unes entre les autres pour former un empilage et soudées ensemble de façon permanente. Lorsque lespiaques sont montées ainsi, on a formé une pluralité de canaux d'écoulement de forme ondulée et de profondeur uniforme.En service, un fluide comme l'air passe à travers les canaux alternés d'écoulement dans une direction perpendiculaire au plan d'ondulation tandis qu'un autre fluide, tel que un gaz à une température différente, passe à travers les autres canaux alternés d'écoulement dans une direction perpendiculaire au plan d'ondulation. De préférence les écoulement respectifs des fluides vont à contre-courant l'un de l'autre de bout -en-bout du montage de plaques. En se référant maintenant aux Fig. 1, 3 et 4, chaque plaque A possède une section principale rectangulaire comprenant une tôle de base 1 mince et uniformément ondulée d'un métal ayant une haute conductibilité thermique et aux arases latérales de laquelle sont soudées des barres 2 d'espacement à section rectangulaire. Fixée également par soudage aux centres des parties concaves de la plaque de base se trouve une pluralité de barres intermédiaires d'espacement 3 qui, comme expliqué ci-dessous plus en détail en se référant à la Fig. 8, ont pour but d'éviter l'ef- fondrement des plaques et de maintenir uniforme la - profondeur des passages d'écoulement s'il y a une différence de pression entre les fluides qui circulent à contre-courant dans les passages adjacents. La plaque A possède à ses deux extrémités respectivement une paire de sections d'extrémité dirigées en sens opposé 4, 5, de forme triangulaire, chaque section comprenant une tole plate de base 6 avec une barre d'espacement 7 fixée par soudage le long d'une arête latérale. A chaque ttle de base 6 est égale mert soudée une série d'ailettes parallèles 8 de guidage et d'espacement. Les flèches G indiquent les directions de l'écoule- ment du gaz passant sur la face supérieure de la plaque A. En se référant maintenant aux Fig. 2, 5 et 6, claque plaque B possède une section principale rectangulaire comprenant une ttle de base 9 fine uniformément ondulée qui ressemble à la ttle de base I de la plaque A excepté qu'elle n'est pas munie des barres d'espacement 3. Elle est par contre munie des barres d'espacement 10 soudées aux arStes latérales opposées de la méme manière que les barres 2 sont soudées à la tble de base de la plaque A. La plaque B possède également une paire de sections de sortie dirigée en sens opposé 11, 12, de forme triangulaire, avec la barre d'espacement 13 et les ailettes de guidage et d'espacement 14, toutes étant semblables aux sections d'extrémité 4, 5 respectivement de la plaque A mais en orientation inverse par rapport à elles. Les flèches de la Fig. 2 montrent le sens d'écoulement d'air passant sur la face supérieure de la plaque, ce sens étant à contre-courant du sens de l'écoulement G passant sur une plaque adjacente A après montage de l'échangeur de chaleur. Les ailettes 8, 14, de guidage et d'espacement ont de préférence la section indiquée à plus grande échelle Fig. 7. Pour constituer une unité complète d'échangeur de chaleur, une pluralité de plaques A et B sont empilés alternativement l'une sur l'autre et montées en sandwich entre les plaques supérieures et inférieures qui peuvent avoir la mtme configuration que les plaques A et B mais qui sont d'épaisseur plus grande. Les éléments d'échangeur de chaleur mentionnés ci-dessus sont empilés pour montage dans un gabarit sépcial. Ce gabarit comprend une pièce de base ayant huit douilles verticales pour positionner la plaque de base, les plaques principales de l'échafr geur de chaleur et la plaque supérieure dans leurs positions alignées, avec les barres d'espacement périphériques transversales et inclinées et les plaques supports triangulaires situées entre elles.Il faut comprendre que les douilles sont situées à l'exté- rieur de la périphérie des composants de l'échangeur de chaleur et que le montage est complété en bloquant les plaques du haut et du bas l'une vers l'autre, après quoi la matrice de l'échan- geur de chaleur est soudée à l'arc à ltargon de haut en bas sur toute la hauteur à des points appropriés autour de sa périphérie et ensuite' est sortie du gabarit. Le montage entier est alors enduit d'un mélange à braser et passé par un cycle de brasage dans un four de façon à devenir une seule unité intégrale. Finalement les pièces telles qu'un conduit approprié ou des brides sont soudées sur le montage pour s'adapter à ltinstal- lation avec laquelle on a prévu de ltutiliser. En se référant maintenant à la Fig. 8 qui est une coupe à échelle très agrandie à travers quatre plaques alternativement de type À et de type B et une plaque d'extrémité soudées ensemble, il faut noter que les barres d'espacement intermédiaire 3 sont situées à des coudes alternés dans les passages P d'écoulement et que les barres 3 d'espacement des passages d'écoulement adjacents sont en quinconce relativement l'une à l'autre. Non seulement les barres d'espacement 3 servent à maintenir constants les intervalles entre les parties parallèles droites des plaques voisines A et B mais elles servent également, du fait de leur forme latérale évasée à renforcer les coudes et à maintenir constante la largeur des passages d'écoulement aux coudes où les barres dtespacement sont situées. Dans l'exemple représenté les barres d'espacement 2 ou 10 ont une épaisseur de 1,02 n, la distance entre les ondulations est de 5,10 sm, l'épaisseur de la tOle est de 0,10 n et la largeur du passage constant d'écoulement (intervalle) entre les parties droites des plaques voisines est de 0,89 mi. La largeur des barres intermédiaires dtespacement 3 est de 0,38 n. Bien entendu ces dimensions varieraient pour s'adapter à des exigences opératoires différentes. Bien entendu également les barres intermédiaires dtespacement pourraient titre placées à tous les coudes des passages d'écoulement si on le désire mais en pratique on nta pas trouvé cela nécessaire, puisque tout avantage découlant de cette manière de faire pourrait titre annulé par la résistance supplémentaire qui serait offerte à l'écoulement du fluide. Revendications 1. Echangeur de chaleur dans lequel les passages dZé- coulement du fluide sont formés entre des plaques espacées parallèlement et les fluides entre lesquels la chaleur doit s'échanger sont amenés à s'écouler dans des directions opposées ltune à l9au- tre dans des passages alternés entre les plaques, caractérisé en ce que les plaques sont ondulées, les ondulations s'étendant le long des passages d'écoulement du fluide et les ondulations des plaques adjacentes étant alignées de façon que les passages d'écoulement définis entre les plaques soient de largeur constante en section transversale des passages dtécoulement. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 comprenant des pièces d'espacement qui s'étendent longitudinalemezt le long des passages d'écoulement entre les plaques à certains au moins des coudes d'ondulation de celles-ci, la configuration des pièces d'espacement étant telles qu'elles rendent constante la largeur du passage entre les passages voisins à ces coudes tandis qu'elles maintiennent également constante la largeur des parties droites desdits passages. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2 dans lequel chaque dite pièce d'espacement est évasée à une extrémité où elle est fixée à la surface extérieure d'un coude de la plaque.