Brevet FR2301796A1 — publié le 19760917

L'invention est relative aux échangeurs thermiques mettant en oeuvre deux fluides entre lesquels s'effectuent les échanges thermiques, notamment aux échangeurs propres a être traverses, d'une part, par un fluide ou liquide a refroidir,et,d'autre part, par un fluide refroidisseur,qui sera le plus généralement de l'air. Elle vise en particulier les échangeurs industriels de grande capacité,plus particulièremènt ceux destinés d refroidir jusqu'a la température ambiante,avec de l'air atmosphérique,l'eau circulant dans le système condenseur d'un réacteur nucléaire de grande pris sanve Dans une telle gplication, le nombre des éléments constitutifs de l'échangeur est très important, de sorte qu'il y a intéret a porter au maximum le coefficient d'échange et à simplifier le plus possible la fabrication et le montage, tout en supprimant la possibilité de fuites, buts que vise la présente invention. L'invention consiste, principalement, à établir les échangeurs du genre en question sous la forme d'une juxtaposition d'éléments en matériaux, notamment métalliques, bons conducteurs de la chaleur, constitués chacun par la combinaison, d'une part, d'au moins un tube en forme de serpentin ou analogue traversé par un premier fluide (notamment liquide à refroidir), et se développant par exemple substantiellement dans un plan, et, d'autre part, de plaques ondulées fixées de part et d'autre du serpentin, avec leurs ondulations se présentant transversalement par rapport a celles du serpentin, le tout étant traversé par un autre fluide (notamment air de refroidissement), circulant le long des plaques susvisées. De préférence, chaque élément d'échangeur comporte une plu ralité de serpentins, suivant son rapport hauteur-largeur. Ces éléments d'échangeurs peuvent etre établis à l'aide de plaques, notamment en aluminium ou autre alliage léger, d'épaisseur très faible, par exemple de l'ordre de 0,3 à 0,5 mm. Malgré cette faible épaisseur, la combinaison des tubes et des plaques ondulées donne à l'ensemble une bonne rigidité relative. En outre, aucune fuite n'est à craindre, puisque la pression de liquide n'existe que dans les tubes. Les divers éléments d'échangeurs ainsi établis sont juxtaposés sous une forme de blocs parallélépipédiques, de préférence dans une position verticale, permettant une circulation aisée, de l'air ou autre fluide permettant une circulation de refroi dissement. Cette circulation peut etre une circulation naturelle, si les ondulations des plaques sont toutes parallèles. On pourrait aussi prévoir des ondulations dans des sens alternés, notamment avec une circulation forcée. Le maintien en position des différents éléments parallèlement les un-s aux autres peut se faire de toute façon appropriée, la solution la plus simple consistant à assurer la mise en place et le maintien par le fait du raccordement des extrémités des tubes serpentins avec des collecteurs d'amenée et de sortie convenablement disposés. I1 est entendu d'ailleurs que le terme "serpentin", dans la présente description et dans les revendications qui suivent, doit etre compris dans le sens le plus large et s'appliquerait d'une façon générale à toute conception de tubes se subdivisant en un grand nombre d'éléments parallèles ou non, répartis dans la surface considérée, contre laquelle s'appuient les plaques ondulées ; c'est ainsi que l'on pourrait utiliser, au lieu de véritables serpentins, soit des tubes parallèles ou non juxtaposés à des intervalles convenables et s'étendant en parallèle entre les collecteurs d'entrée et de sortie dans une direction normale ou oblique, voire parallèle, à la direction du fluide refroidisseur, soit des tubes enroulés en spirale, soit toutes autres combinaisons. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. La figure 1, de ces dessins, montre en perspective arrachée, avant assemblage, des éléments d'un échangeur établi conformément à l'invention, avec tubes de section carrée ou rectangulaire. La figure 2 montre en coupe un détail de fabrication. Les figures 3 et 4 illustrent respectivement, en vue le long d'un tube, transversalement par rapport aux plaques ondulées, l'assemblage plaque et tube, dans le cas de tubes de section ronde. Les figures 5 et 6, enfin, illustrent schémetiquefflent deux modes de réalisation différents de l'invention. Selon l'invention, et plus spécialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de réalisation, de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant par exemple d'établir un échangeur thermique de grande capacité, par exemple pour abaisser d'une température t1 (notamment 600) à une température t2 (notamment 25 ), l'eau de refroidissement d'un condenseur à circuit fermé d'une centrale nucléaire, cela par échange avec de l'air de refroidissement, on s'y prend comme suit ou de façon analogue. On constitue un tel échangeur par empilage d'éléments agencés de la manière illustrée à titre d'exemple sur la figure 1, qui montre deux de ces éléments juxtaposés, l'un en vue partiellement éclatée, ces éléments comprenant chacun - d'une part, au moins un tube 1 destiné à etre traversé par l'eau et enroulé dans un plan suivant une forme de serpentin ou analogue, avec les branches du serpentin se présentant par exemple suivant des directions parallèles (bien que ce ne soit nullement exclusif), - et, d'autre part, au moins d'un côté ou de préférence de deux côtés du plan général du serpentin, des plaques 2, 3, de préférence métalliques, notamment en un métal ou alliage conducteur tel que l'aluminium, convenablement fixées aux éléments du serpentin, avantageusement par soudure (brasage ou collage) et destinées à être léchées par l'air de refroidissement. Un tel ensemble, même pour des épaisseurs de tôle qu'il y a intérêt à réduire le plus possible -- une épaisseur de plaque de l'ordre de 0,3 à 0,5 mm pouvant être adoptée -présente, de par l'entretoisement que constituent lesdites plaques 2, 3, une résistance mécanique convenable, de sorte que l'on peut aisément constituer des empilages d'éléments radiants de ce genre et les faire traverser par l'air de refroidissement arrivant par exemple à la base dans une direction F parallèle aux ondulations des tôles 2 et amene à circuler tant dans les canaux formés par lesdites ondulations à l'intérieur des éléments, aue dans ceux formés par lesdites ondulations entre les éléments voisins. Un entretoisement supplémentaire peut être éventuellement prévu dans le sens transversal aux ondes, à l'aide notamment de bandes telles que 4 (figure 1). I1 y a intérêt a améliorer autant au'il est possible le pont thermiaue créé entre les tubes 1 et les plaques 2, 3 à l'endroit des soudures en 5 (figure 2). A cet effet, on utilise avantageusement des tubes 1 de section carrée ou rectangulaire, tandis que les sommets des ondulations en 5 ont une forme aplatie, facile à obtenir oar emboutissage ou de toute autre manière. La soudure est obtenue aisément par tous procédés appropriés, notamment par le procède appelé dans le commerce TIC et assurant la soudure par fusion à travers la paroi à souder, l'outil de soudage 10 étant introduit à l'intérieur de l'ondulation, comme illustré figure 2. Eventuellement, pour améliorer encore le pont thermique, on pourrait prévoir au fond de chaque ondulation, en 5, une bande supolémentaire 6 pour la bonne transmission des calories à partir du tube 1, calories qui sont ensuite évacuées par convection, du fait du léchage des parois ondulées par l'air de refroidissement ; tous autres moyens analoaues pouvant être prévus pour augmenter l'échange des calories entre tubes et tôles ondulées. La section carrée des tubes n'est cependant pas indispensable. On pourrait utiliser des tubes de section ronde,comme illus tré sur les figures 3 et 4, auquel cas, pour assurer le pont thermique entre plaques 2, 3 et le tube, ce dernier comporterait des empreintes, par exemple arrondies 7 (fig.4), propres à être assem blées par soudage avec les sommets correspondants 5 des ondulations, recevant eux-mêmes une forme arrondie (figure 3) ; étant entendu que des moyens du genre ci-dessus, pour améliorer le pont thermique, pourraient également être prévus. Les dimensions et épaisseurs des éléments des échangeurs du type décrit seront convenablement calculées par le technicien en vue du but poursuivi, qui est d'assurer une évacuation des calories aussi efficace que possible pour un volume déterminé. C'est ainsi qu'à titre d'exemple, la tôle des plaques 2, 3 étant de l'ordre de 0,3 mm, on pourrait adopter - pour la profondeur a des ondulations, une valeur de 12,5mm, - et pour la largeur b des ondulation's, une valeur de 30mm. Les tubes 1, dans le cas de la section carrée, pourraient avoir une cote d'une largeur d égale à 7mm environ, l'épaisseur de la paroi de ces tubes étant calculée selon la pression hydrostatique à supporter. Quant à l'intervalle e entre deux éléments échangeurs voisins, il dépend de la façon dont on agence les ondulations respectives de ces éléments. En particulier, il y a intérêt à faire en sorte, comme visible sur les figures 1 et 2, que les arêtes extérieures 11 des ondulations d'un élément se présentent en regard des creux de soudage 5 des ondulations de l'élément voisin. En outre, les arêtes 11 des plaques en regard des deux éléments voisins peuvent se présenter suivant un même plan A - A figure 2. Dans ce dernier cas, et pour les dimensions indiquées plus haut, la distance e entre les plans des serpentins de deux éléments échangeurs voisins serait de l'ordre de 30mm. Les éléments échangeurs ainsi constitués sont alors juxtaposés de façon à constituer des blocs d'empilage de toutes dimensions appropriées, et ils peuvent être maintenus en place, dans ces blocs, par tous moyens convenables, avantageusement par le simple fait que l'on vient raccorder, à des tubes collecteurs d'entrée et de sortie 8, 9 (figures 1, 5, 6), les extrémités des serpentins correspondants 1. I1 est entendu que, comme illustré sur les figures 5 et 6, on peut prévoir dans chaque élément échangeur un serpentin 1, deux serpentins ou davantage. Ceux-ci peuvent alors être en paral lèle (figures 5 et 6) sur les tubes collecteurs 8, 9. Les blocs de forme parallélépipédique auront par exemple des dimensions suivantes - longueur L = 3m - largeur 1 = lm - hauteur h = 0,60 à lm. De tels blocs, juxtaposés et empilés suivant toutes dimensions, et convenablement reliés à des tuyauteries appropriées, pourront constituer des ensembles de grandes dimensions assurant, par une circulation naturelle ou forcée de l'air arrivant à la base et agissant par convection sur les plaques 2, 3, un coefficient d'échange maximum. On a supposé, dans ce qui précède, que les plaques des échangeurs étaient métalliques ; mais ce mode de réalisation n'est au cunement limitatif et, notamment, on pourrait envisager d'établir de tels échangeurs en matière plastique, possédant un coefficient de conductibilité thermique suffisant. En suite de quoi, quel que soit le mode de réalisation adopté, on peut établir des échangeurs dont le fonctionnement ressort suffisamment de ce qui précède pour qu'il soit inutile d'insister à son sujet, et qui présentent, par rapport à ceux du genre en question déjà existants, de nombreux avantages, notamment - meilleur coefficient d'échange, - meilleure tenue mécanique, - grande sécurité du point de vue des fuites, puisque la pression ne règne que dans les tubes serpentins, tandis que les plaques ondulées n'ont à supporter aucune pression, - et possibilité de s'adapter à des pressions relativement élevées, qu'il est toujours possible de faire supporter par des tubes serpentins ou autres de section convenable. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation, qui ont été plus spVciale- ment envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENKCaTTCaBS 1 - Echangeur thermique, notamment pour installations de grande puissance, à éléments juxtaposés, caractérisé par le fait que- chaque élément est constitué par la combinaison,d'unepart,d'éIé- ments de tubes en forme d'au moins un serpertin ou analogue traversesp l'un des fluides (notamment liquide à refroidir), et, d'autre part, de pla ques ondulées fixées de part et d'autre du serpentin, avec leurs ondulations se présentant transversalement par rapport à celles du serpentin, le tout étant traversé par l'autre fluide (notamment air de refroidissement), circulant le long des plaques susvisées. 2 - Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les plaques, notamment métalliques, sont très minces, d'une épaisseur de l'ordre de 0,2 à 0,5mn. 3 - Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la fixation des plaques ondulées sur le serpentin a lieu par soudure, brasage ou collage. 4 - Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes sont de section carrée ou rectangulaire, et que les ondulations, à l'endroit de la soudure, sont aplaties de façon à contacter la paroi correspondante du tube. 5 - Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes sont de section notamment ronde, et comportent des moyens pour augmenter la surface de contact entre la paroi du tube et les ondulations correspondantes. 6 - Echangeur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les tubes comportent, à l'endroit de la soudure sur les ondulations des tôles, des empreintes arrondies, lesdites ondula tions étant elles-mêmes arrondies à l'endroit de la soudure. 7 - Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que sont prévus, à l'endroit du pont thermique réalisé à la jonction entre les tubes et les ondulations des plaques, des moyens supplémentaires augmentant les échanges thermiques. 8 - Echangeur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ces moyens supplémentaires consistent en des bandes (6, figure 2) prévues au fond des ondulations et augmentant la section de matière, notamment de métal, intéressée dans la transmission des calories à l'endroit de la jonction avec les tubes. 9 - Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un empilage d'une multiplicité d'é léments réunis les uns aux autres par le fait de la Jonetlvn-des tubes serpentins avec des collecteurs d'entrée et de sortie. 10 - Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque élément d'échangeur comporte un ou plusieurs serpentins placés en parallèle par rapport à un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie. 11 - Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 et suivantes, caractérisé par le fait que les ondulations des plaques ont une profondeur de l'ordre de 12,5mm et une largeur à la base de l'ordre de 30mm. 12 - Echangeur selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la distance e entre les plans des serpentins de deux élé- ments échangeurs voisins est de l'ordre de 30mm. 13 - Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 et suivantes, caractérisé par le fait qu'il comporte des empilages de forme parallélépipédique, dont la longueur est par exemple de l'ordre de 3m, la largeur de l'ordre de lm et la hauteur de l'ordre de 0,60 à lm.