Brevet FR2314460A1 — publié le 19770107

La présente invention a trait à un échangeur de chaleur constitué par un empilage de plaques superposées et présentant un écartement entre elles, de préférence en silicates techniques, par exemple, des plaques de verre, ou en matière plastique, les zones marginales de empilage de plaques étant alternativement rendues étanches pour le formation de canaux de passage dans les quels s'effectue l'échange thermique, ainsi qu'un procédé de sa réalisation. Un tel échangeur de chaleur est connu, par exemple par le BT-PS 920 425 selon lequel des plaques planes sont empilées les unes qur les autres avec des bandes intercalées entre elles formant les canaux jusqu'à ce que la hauteur d'empilage nécessaire à un échange de chaleur avec de faibles pertes soit atteinte. Comme matériau constitutif des plaques et aussi des bandes qui forment les canaux de passage, on utilise généralement un silicate technique, par exemple, du verre ou des matières plastiques ; selon le brevet allemand cité, les paques et les bandes sont empilées simplement et l'étanchéité du système est obtenue par un serrage de ltensemole, il est cependant également connu de disposer les bandes de façon adéquate sur les plaques correspondantes et de les coller par exemple. Les plaques et les bandes d'écartement, qui servent simultanément de joints sur les bords, sont découpées d'habitude aux dimensions voulues dans le matériau en plaques rectangulaires ou carrées du commerce ce qui a pour inconvénient qu'un tel matériau à plaques n'a normalement pas la même épaisseur sur toute sa surface. On sait par expérience que des plaques de départ d'assez grandes dimensions présentent des écarts de tordre de grandeur de plusieurs dixièmes de millimètre sur une même plaque, de sorte que si l'on monte un échangeur de chaleur à partir d'un nombre assez élevé de plaques, par exemple 50, 100 ou plus, qu'on colle par une couche mince, les différences faibles s'ajoutent et peuvent amener des irrégularités notables, de l'ordre du centimètre.Dans le cas le plus défavorable il se produit de ce fait des gauchissements des plaques qui produisent des efforts de flexion additionnels et incontrôlables importants dans les plaques échangeuses. Il est vrai qu'il est possible d'agencer les échangeurs de chaleur de façon telle que l'incidence dQe aux différences de température et de pression entre air entrant et air sortant-soit calculée et le matériau échangeur dimensionné en conséquence. Les efforts de flexion additionnels dûs à des phénomènes de gauchissement qui ont leur origine dans le fait que les empilages ont une position de biais, respectivement ne présentent plus de forme géométrique univoque, ne peuvent être obtenus de façon précise par le calcul, ce qui, dans des cas limites, peut amener à la rupture.Ceci se produit en particulier lorsqu'il y a triple addition des défauts et que les différences d'épaisseur entre les plaques, les bandes d'écartement et la couche de collage ont des répercussions particulièrement défavorables. Par ailleurs, on rencontre des difficultés lorsque partant des plaques utilisées jusqu'alors, on monte des échangeurs de chaleur de dimensions aussi considérables qu'exigent certaines utilisations techniques. Si on part, par exemple, de l'utilisation de plaques de silicates techniques, donc de plaques de verre, il est facile à comprendre que des dimensions considérables, tant dans le plan de la longueur que celui de la largeur, augmentent notablement le risque de rupture, an particulier si on décide de ne pas augmenter en conséquence l'epaisseur des plaques de verre utilisées. Une échappatoire en ce sens amènerait d'autres inconvénients consi dérables, par exemple, un rendement moindre dans l'échange de chaleur du fait de la plus grande épaisseur du matériau des plaques, mais aussi des coûts de réalisation nettement plus élevés, abstraction faite de ce qu'en raison du matériau des plaques plus épais, il y aura d'une part moins de plaques et par conséquent moins de canaux de passage pour l'échange thermique, d'autre part, il faudra admettre un poids notablement augmenté. Finalement, sur une très grande plaque de verre, les forces qui s'exercent sur elle et qui peuvent entraener sa rupture augmentent avec la grandeur de la plaque, ce qui n'a pas à être expliqué de façon plus détaillée. La présente invention permet de remédier à ces inconvénients et de prévoir un échangeur de chaleur qui est en mesure d'absorber élastiquement les contraintes dOse à différentes forces, même pour des dimensions de plaques très grandes en longueur et en largeur, tout en utilisant un matériau de plaque relativement mince. Pour résoudre ce problÈme, ltinvention prend comme point de départ ltéchangeur de chaleur, supposé connu, mentionné au début, et elle consiste à disposer, en vue de la réalisation d'empilages de plaques de plus grandes dimensions en longueur et en largeur, des plaques unitaires de dimensions plus faibles, disposées dans un plan déterminé de l'empilage en laissant subsister un faible écartement entre les plaques placées côte à côte, et la zone de passage et de liaison aux suivantes, placées dans un plan dont l'écartement du précédent est donné par l'importance des canaux de passage à réaliser et qui est constituée également par des plaques similaires, est remplie d'un matériau de collage et de joint de consistance tenace, de préférence par une colle synthétique. Dans l'échangeur de chaleur selon l'invention les différentes plaques échangeuses eéparant les canaux de passage selon des directions souhaitées, par exemple, pour l'air d'amenée et ltair évacué, ne sont donc plus constituées par une plaque unique de grandes dimensions mais ces plaques qui forment la séparation entre les canaux de passage peuvent être assemblées selon les exigences et selon les données à partir de plusieurs plaques unitaires, la liaison avec les plaques placées au-dessus et celles qui se trouvent dans le même plan s'effectuant avec un matériau de joint élastique et tenace dont les collages sont absolument sOrs, ce qui présente l'avantage supplémentaire d'une liaison élastique-assimilable à une articulation entre les différents niveaux de plaques échangeuses, absorbant sans difficultés tous les genres de contraintes qui s'exercent sur elles, que ces contraintes proviennent de différences dans les épaisseurs des plaques échangeuses elles-mêmes ou de tensions doues aux variations de température, sans que des élévations de pression inadmissibles et dangereuses ne soient à craindre dans le matériau échangeur. Conformément à un développement ultérieur de l'in- vention, on pourra encore constituer des colonnes-support entre les différentes plaques dans le sens de la hauteur d'empilage qui con fièrent à la totalité de l'échafaudage une solidité supplémentaire et qui sont réalisées par des entretoises d'écartement, définissant la hauteur des canaux, placés dans les canaux de passage ; ces entretoises ont soit une hauteur invariable ou sont constituées de préférence du meme matériau de collage, élastique et de consistance tenace, de sorte qu'un appui des zones intermédiaires de l'échangeur de chaleur est également possible. Finalement, il est également avantageux i les joints des bords, donc les éléments d'étanchéité, qui constituent la structure des canaux proprement dits, sont constitués par 1 mgme matériau adhésif, de sorte qu'un tel échangeur de chaleur peut réagir comme un seul bloc aux tensions qui se produisent. Il est cependant éEJi- dent que la mise en place d'éléments d'écartement et d'éléments assurant les joints sur les zones marginales n'est pas absolument indispensable. D'autres développements de l'invention font l'objet des sous-revendications et sont consignés dans celles-ci. Dans la suite sont explicités plus an détail le montage et le mode d'action d'un exemple d'exécution de l'invention ainsi qu'un procédé de sa réalisation au moyen de figures. On verra sur - Fig. 1 un exemple d'exécution d'un échangeur de chaleur représenté en perspective et à échelle fortement réduite. - Fig 2 une coupe le long de la ligne 2 - 2 de la figure 1 pour montrer les éléments d'écartement, et - Fig. 3 une représentation à plus grande échelle de la zone de passage et de liaison des plaques échangeuses placées l'une à cflté de l'autre sur un niveau, au niveau supérieur situé immédiatement au-dessus. Sur la figure 1, un exemple d'exécution drun échangeur de chaleur est désigné par 1 ; l'échangeur de chaleur est constitué par des plaques échangeuses 2, 3, 4, 5 disposées parallèlement les unes par rapport aux autres et empilées dans exemple d'exécution représenté à intervalles réguliers les unes au-dessus des autres. Sur des exemples d'exécution à l'échelle industrielle, il est souvent nécessaire de prévoir des surfaces d'échange très importantes, de sorte que les dimensions en longueur et en largeur des plaques échangeuses 2, 3, 4 et 5 prévues pour l'échange thermique par conséquent, 1'extension dans la direction des flèches doubles A et B, doivent autre très grandes. On a déjà signalé le fait qu'une augmentation dans le plan A - B entrasse obligatoirement une augmentation de l'épais- seur des plaques échangeuses pour obtenir une solidité au moins égale. Ceci est cependant défavorable comme on lla déjà mentionné Selon une caractéristique de l'invention, les différentes plaques échangeuses 2, 3, 4, 5 etc sont donc assemblées à partir d'un nombre assez élevé, au moins deux plaques unitaires 2a et 2b, 3a et 3b, etc.., qui peuvent etre en matériau à plaques sensiblement plus mince et qui sont déjà disponibles, découpées aux dimensions appropriées, de sorte qu'on est dispensé des complications d'un stock de matériau à plaques échangeuses d'épaisseur et de grandeur différentes. Le montage s'opère alors de la façon représentée à échelle agrandie sur la figure 3, c'est-à-dire que les plaques élémentaires nécessaires à l'assemblage dtune plaque échangeuse 2 sont placées bout à bout mais de préférence avec un faible écartement comme le représente la figure 3 les unes à côté des autres, ensuite on recouvre la jonction par un entassement cohérent d'un produit de collage qui tout d'abord présente encore la forme comparable par exemple, à celle qui se produit lorsqu'on vide le contenu d'un tube sous pression constante et avec un déplacement simultané le long d'une surface de base.Le produit de collage sert en même temps de joint et a une consistance élastique et tenace, lors de l'application il est cependant encore relativement liquide, plutôt cohérent par plasticité, et durcit complètement au bout d'un certain temps en donnant une messe tout à fait élastique et tenace. Comme il ressort de la figure 3, il est possible après application du boudin de produit collant sur les joints, respectivement le raccord entre deux plaques élémentaires 2a et 2b, de superposer immédiatement la plaque échangeuse suivante 3, opération au cours de laquelle, par des moyens à décrire de façon plus détaillée par la suite, un écartement précis entre plaque échangeuse 3 et plaque échangeuse 2 est déterminé d'avance. La superposition des éléments partiels 3a et 3b provoque la réunion par écrasement des boudins de produit collant appliqués de façon régulière sur les plaques élémentaires 2a et 2b et à un pressage du produit collant contre toutes les surfaces avec lesquelles il est en contact.En même temps, éventuellement déjà auparavant, une certaine pénétration du produit collant 6 s'effectue dans l'interstice formé entre les plaques élémentaires 2a et 2b, respectivement 3a et 3b, de sorte que de façon favorable une liaison s'établit dans plusieurs plans perpendiculaires les uns par rapport aux autres. En raison de sa consistance visqueuse le produit collant ne continue pas à s'étaler mais reste dans la position qutil a prise pour durcir finalement tout en gardant intégralement son élasticité. Le produit de collage et de joint utilisé est un matériau qui colle avec une tenacité extrime aux surfaces avec lesquelles il entre en contact, même s'il s'agit de surfaces de verre au cas ou du verre est utilisé comme matériau des plaques échangeuses.C'est précisément avec le verre qu'on obtient une liaison solide et qui ne peut plus etre défaite, de sorte que la zone de passage et de liaison de la figure 3 entre les plaques échangeuses 2 et 3, respectivement entre les plaques élémentaires 2a, 2b, et 3a, 3b représente une structure qui ne peut plus autre défaite mais très élastique. Simultanément ce produit de collage résiste aux températures élevées et aux agents abrasifs de sorte qu'on obtient une liaison définitive.En tant que produit de collage on utilise de préférence une résine synthétique adéquate, un caoutchouc de silicone exempt d'acide et de solvant, se présentant sous forme de pâte et qui peut être appliqué au pistolet, et qui est stable aux températures allant environ de -60 C à + 2500). Un tel caoutchouc de silicone résiste éga'ement à la plupart des milieux agressifs de façon parfaite ; il est bien entendu qu'on pourra utiliser également toute autre combinaison appropriée de produits collants qui, en plus d'une bonne résistance aux températures élevées et une résistance aux agents abrasifs, adhère fortement aux parois et présente une élasticité convenable. On poursuit la mise en place des plaques de la façon indiquez jusqu'à ce que la hauteur d'empilage nécessaire à un échangeur de chaleur donné soit atteinte. Il est recommandé de faire en même temps qu'on superpose les plaques échangeuses de la façon dÉcrite, les joints des bords des plaques échangeuses en alternant les cotes de sorte qu'on réalise des échangeurs de chaleur fonctionnant de la façon usuelle à contre-courant, n courant croisé ou elon le principe de contre-courant et de courant croisé combinés. Quoiqu'il soit possible de monter les zones marginales avec d'autres couches intermédiaires qui, par exemple, peuvent entre constituées par le meme matériau que celui des plaques échangeuses, il est à nouveau recommandé de rendre les éléments des joints marginaux élastiques afin d'obtenir une élasticité de l'ensemble de l'échangeur de chaleur et d'utiliser également à cette fin le même produit de collage 6 qui a servi à faire les joints entre les extrémités des plaques élémentaires ainsi que pour fixer et relier ces plaques élémentaires aux plaques échangeuses du niveau qui suit immédiatement.On applique sur les parties marginales prévues sur les plaques échangeuses 2, 3, 4, 5 les boudins de produit collant et on les relie par pressage sur les plaques échangeuses du niveau suivant comme le représente le jointage marginal portant la référence a de la figure 1. Aux endroits où les joints marginaux 8 rencontrent dans la zone de passage et de liaison les matériaux de collage et d'étanchéité 6, comme il est visible sur les figures 1 et 3, on obtient alors un passage uniforme de matériau si le meme produit collant a été utilisé. Il peut être indiqué par ailleurs de monter à des endroits déterminés des plaques échangeuses des entretoises d'écar- tement 9 dans les canaux de circulation qu'elles forment pour le passage des milieux qui échangent de la chaleur ainsi qu'il ressort de la coupe de la figure 2. De telles entretoises servent à améliorer la rigidité de l'empilage de plaques et sont constituées de préférence par le matériau de collage et de joint déjà cités; de façon rationnelle elles sont mises en place dès le montage de l'em- pilage de plaques en des positions déterminées des plaques élémentaires inférieures sous forme de petits tas de matériau collant et se collent, lorsqu'on appuie les plaques élémentaires du niveau suivant sur celles du niveau inférieur aux plaques des deux niveaux. Etant donné qu'on place les éléments d'écartement 9 sur un alignement à travers tout empilage de plaques et qutils n'occupent spatialement qu'un espace réduit, ils contituent avec les zones de matériau des plaques qu'ils recouvrent, des colonnes-support qui, cependant, constituées par une colle élastique, peuvent réagir également de façon élastique. Il est évident qu'au montage d'un tel empilage destiné aux échanges thermiques on devra tout d'abord intercaler des entretoises d'écartement d'épaisseur absolument constante, pour maintenir à un écartement parfait les différentes plaques des différents niveaux, autrement le produit collant qui n'a pas encore fait sa prise ou qui n'a pas encore durci se comprimerait de plus en plus. Dès que le produit collant a fait sa prise ou a durci, les entretoises d'écartement, non représentées sur les figures, sont retirées de l'empilage et la consistance tenace du produit de collage prévu sur tous les points assure la forme tout à fait irréprochable de l'empilage de plaques ainsi qué son maintien , un tel échangeur de chaleur pouvant néanmoins réagir contre des tensions qui s'exercent sur lui et les éviter, pratiquement dans toutes les directions, quoique échangeur de chaleur soit essentiellement monté à partir d'un matériau parfaitement rigide, dans l'exemple d'exécution même en plaques échangeuses en verre. il y a donc au total une série considérable d'avan- tages sans parler de l'insensibilité au transport d'un tel échangeur de chaleur et de sa résistance aux effets des très hautes températures. Le produit collant utilisé pour l'objet du dépôt constitué par un adhésif à base de silicone, est susceptible de supporter les effets de températures allant au maximum jusqu'à 240 C et au-delà même, de sorte qu'un tel échangeur de chaleur peut entre utilisé dans une large gamme d'utilisation à l'échelle industrielle. De plus, le matériau utilisé pour les plaques échangeuses, de préférence le verre, est absolument inerte à l'action des produits agressifs et possède une résistibilité extremement élevée.L'avantage principal réside finalement dans le fait qu'il est possible pour la première fois, de monter des échangeurs de chaleur à très grandes surfaces échangeuses, les plaques échangeuses utilisées pouvant être en verre très mince, de sorte que, mis à part le prix avantageux à l'achat et la tenue des stocks peu onéreuse des verres nécessaires ainsi que des matériaux, le rendement très élevé d'un tel échangeur de chaleur dévient sensible pour des c8tes externes données ou par rapport au poids. Comme il ressort de la figure 1, un tel échangeur de chaleur est monté dans une enceinte non représentée qui l'entoure et le maintient,le montage s'effectuant tout d'abord par dépit d'une couche assez épaisse 10 de produit de collage couvrant toute la longueur et toute la largeur de l'échangeur de chaleur, ensuite une couche d'un matériau à plaques relativement épaisse 11 d'un seul tenant est posée, donc de préférence une couche de verre dont l'épaisseur est un multiple de celle des plaques échangeuses proprement dites ; sur cette couche de verre on empile, comme expliqué plus haut, successivement les plaques échangeuses composées de plaques élémentaires, des dispositifs à pistolets pouvant être prévus pour le dépôt du produit adhésif aux endroits voulus, pistolets qui déposent le produit de collage par des buses de pulvérisation en épaisseurs et à consistance égales et uniformes, alors que par exemple, la plaque échangeuse en train d'être garnie de colle subit un déplacement transversal par rapport aux buses de pulvérisation. Mais il est également possible de maintenir les plaques échangeuses immobiles et de déplacer les buses de pulvérisation, respectivement les dispositifs d'application du produit adhésif, au-dessus de la plaque de içon à obtenir un dépôt absolument régulier du produit adhésif. Un tel échangeur de chaleur peut alors être monté de façon entièrement automatique avec quelques opérations supplémentaires. Le montage de l'empilage de plaques dans l'enceinte non représentée s'effectue alors de la façon habituelle. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur composé d'um empilage de plaques superposées et présentant @ ex antre elles un écartement, de préférence en silicates techniques, par exemple des plaques de verre, ou en matière plastique, dans lequel, pour former des canaux de circulation séparés qui serviront à l'échange de chaleur, les zones marginales de l'empilage e plaques sont rendues étanches alternativement, caractérisé en ce que pour constl-tuer des empilages de plaques de longueur et de largeur considérables, des plaques élémentaires de dimensions plus faibles sont disposées bout å bout avec un faible écartement les unes à côté des autres dans un plan donné et en ce que la zone de passage et e liaison aux plaques élémentaires suivantes, disposées de la mame manière dans un plan déterminé à l'avance par la grandeur des canaux de circulation et rempli de plaques élémentaires, est remplie et recouverte par un matériau de collage et de joint de consistance tenare, de préférence par un adhésif synthétique. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour assurer l'élasticité de l'empilage de plaques, on utilise comme matériau de collage un adhésif à fiass de silicone qui, après durcissement ou prise, conserve sen élasticité et ses propriétés adhésives, et qui a une stabilite élevée aux hautes températures ainsi qu'une bonne résistance à l'action des produits abrasifs. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des éléments d'étanchéité marginaux sont constitués par le même matériau adhésif et élastique que celui utilisé pour les zones de passage Et de liaison à l'intérieur de l'empilage. 4. Echangeur de chaleur selon 13 reeocication 1, caractérisé en ce qu'à des emplacements prédéterminés de l'empilage de plaques des entretoises d'écartement en matériau adhésif élastique sont disposées dans chaque canal de circulation, qui forment avez les sections de plaques échangeuses situées entre elles des colonnes support dont le nombre et l'écartement les unes des autres sont déterminés par les exigences de rigidité de l'échangeur de chaleur. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de collage et de joint est disposé de telle façon dans les zones de passage et de liaison des plaques élémentaires ainsi que par rapport aux plaques des niveaux suivants, qu'il participe à la séparation des canaux de circulation et/ou qu'il se trouve dans le sens longitudinal de passage de la circulation du milieu. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que Itempilage de plaques est constitué par une première couche épaisse de matériau de collage et de joint et d'une plaque d'assise, d'un seul tenant, dont l'épaisseur est supérieure à ltépaisseur des plaques échangeuses, posée sur la couche, plaque sur laquelle sont montées les plaques échangeuses composées de plaques élémentaires et que l'empilage de plaques est entouré d'un cadre porteur. 7. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que sur les plaques élémentaires disposées bout à bout dans un plan donné, on met en place des entretoises d'écartement d'épaisseur constante, et que sur les interstices de jonction, sur les zones marginales, et éventuellement dans la zone dégagée du milieu, on applique un matériau adhésif de consistance tenace, restant élastique après sa prise, que sur la plaque échangeuse ainsi préparée, on place les plaques élémentaires de la plaque échangeuse du niveau suivant, et qu'on exerce une pression sur eelles-ci pour obtenir la liaison avec le produit adhésif, et qu'après la prise de l'adhésif les entretoises d'écartement sont retirées.