Brevet FR2317616A1 — publié le 19770204

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur du type constitué d'une succession de parois d'échange superposées s'étendant suivant des plans généralement parallèles, deux parois voisines ménageant entre elles un passage, les deux fluides chaud et froid entre lesquels les échanges de chaleur doivent s'effectuer circulant dans les passages successifs ainsi formés de sorte que l'on rencontre successivement un passage parcouru par -le fluide chaud, un passage parcouru par le fluide froid et ainsi de suite, le parcours effectué par le fluide dans chaque passage étant en outre délimité par une entretoise s'étendant entre les deux pa-rois correspondantes. On connait déià des échangeurs de chaleur de ce type. Un tel échangeur a été représenté en perspective schématique à la figure 1 des dessins ci-annexés. Cet échangeur comporte une succession de parois d'échange 1 dé-limitant entre elles des passages 2, les deux fluides chaud C et froid F circulant dans lesdits passages 2, de sorte que l'on rencontre successivement un passage parcouru par le fluide chaud, un passage parcouru par le fluide froid, etc... Un tel échangeur peut comporter, de façon connue en soi, des entretoises 3 formant un réseau à plis parallèles, les entretoises 3 d'un passage étant orientées perpendiculairement aux entretoises 3 du passage adjacent. Un tel échangeur présente des inconvénients, notamment en ce qui concerne son efficacité, qui est relativement faible, étant donné que la longueur du parcours du fluide dans le passage qu'il emprunte est limitée à la dimension des parois. En outre, la conformation des passages 2, qui sont linéaires, favorise les écoulements laminaires, de sorte qu'il serait nécessaire d'augmenter beaucoup la vitesse des fluides pour avoir des coefficients de transmission satisfaisants. La présente invention a pour but un échangeur de chaleur dont l'efficacité soit supérieure et ce, notamment en raison de l'augmentation de la longueur du parcours du fluide dans le passage qu'il emprunte, sans augmentation correspondante des dimenions des parois dwéchanse et en raison égalenent de l'aWmentation du coefficient deccrwCt!on. cet effet, un échangeur de chaleur conforme à l'invention est caractérisé en ce que les entretoises présentent au moins une cloison transversale continue ou discontinue s'étendant perpendiculairement ou sensiblement perpendiculairement auxdites parois et conformée de façon à imposer au fluide circulant dans le passage considéré un parcours spiroïdal. On augmente ainsi la longueur des parcours empruntés par les fluides, sans avoir à augmenter la longueur des parois d'échange, ce qui permet d'abtenir un échangeur de chaleur très efficace, sous un faible encombrement. En outre, le coefficient de convection se trouve augmenté par la rotation du fluide autour d'au moins deux axes parallèles au plan général dans lequel s'effectue l'écoulement, rotation qui se produit toujours dans les conduits coudés. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, ladite cloison transversale est continue et délimite un seul parcours spiroïdal partant de la périphérie du passage correspondant et aboutissant à son centre, des moyens de liaison étant prévus pour canaliser le fluide qui aboutit au centre d'un passage vers le centre d'un passage constitué également par un seul parcours spiroïdal coaxial au premier et situé de l'autre côté du passage adjacent, la périphérie de l'un desdits passages constituant l'entrée d'un des fluides, et la périphérie de l'autre constituant sa sortie. On peut alors obtenir, sous une forme très compacte, un élément d'échangeur de chaleur à quatre passages spiroïdaux superposés constitués par exemple, successivement, d'un passage "entrée fluide chaud", d'un passage "entrée fluide froid", d'un passage "sortie fluide chaud (refroidi), et d'un passage "sortie fluide froid" (réchauffé). Avantageusement, les parcours spiroïdaux de deux passages adjacents sont décalés de 90" autour de leur axe commun, le sens du décalage étant le même pour toutes les paires de passages adjacents (horaire ou anti-horaire). Lorsque les parois d'échange sont constituées de plaques rectangulaires ou carrées, superposées sous la forme générale d'un parallélépipède, les entrées et les sorties des différents passages s'ouvrent ainsi successivement sur quatre côtés du parallélépipède, ce qui facilite grandement les connexions avec la conduite générale de fluide chaud et avec la conduite générale de fluide froid, comme ceci sera vu plus en détail par la suite. Dans ce cas, on peut encore avantageusement prévoir que lesdits moyens de liaison comprennent une ouverture centrale ménagée dans chaque paroi d'échange, les différentes ouvertures étant coaxiales pour constituer ainsi une conduite centrale et que cette conduite est divisée longitudinalement en deux canaux par une séparation transversale, l'un des canaux communiquant avec les parcours spiroïdaux du fluide chaud et l'autre avec les parcours spiroïdaux du fluide froid. Cette disposition a encore l'avantage d'être technologiquement très facile à réaliser. Selon un second mode de réalisation de l'invention, ladite cloison transversale est discontinue et constituée de deux tronçons coaxiaux délimitant chacun un parcours spiroidal, dont l'un part de la périphérie du passage correspondant pour aboutir à son centre en tournant autour de l'axe commun dans un sens donné, et dont l'autre part du centre du passage pour aboutir à sa périphérie, en tournant autour dudit axe commun dans le sens inverse. On obtient là encore une construction très simple, qui évite d'ailleurs d'avoir à effectuer des ouvertures centrales dans les parois d'échange. De préférence, les parcours spiroïdaux de deux passages adjacents sont décalés de 90" autour de leur axe commun, ce qui, là également, permet de faciliter les branchements entre l'échangeur et les conduites de fluide chaud et de fluide froid. Selon un autre mode de réalisation particulièrement avantageux, un échangeur de chaleur conforme à l'invention peut encore être caractérisé en ce que ladite cloison transversale est discontinue et constituée de deux éléments en forme de U à branches inégales, lesdits éléments étant imbriqués pour constituer un parcours spiroïdal en forme de S, tandis que le parcours spiroïdal immédiatement adjacent a la forme d'un S inversé (t). Cette disposition permet un montage très rapide de l'échangeur de chaleur et contribue à en diminuer le prix de revient. On peut encore prévoir que le parcours spiroïdal en S d'un passage est décalé de 90O par rapport au parcours spiroïdal en S inversé (2) du passage adjacent. Avantageusement, tous lesdits éléments en forme de U à branches inégales sont identiques. Cette disposition contribue bien entendu à la rationalisation de la fabrication. Selon une autre disposition constructive de l'invention, la ou les cloisons transversales sont obtenues en ménageant des déformations dans une paroi d'échange initialement plane, les dites déformations rejoignant des déformations correspondantes ménagées sur la paroi d'échange adjacente. Un autre but de l'invention est d'obtenir un échangeur de chaleur et d'enthalpie entre deux gaz et, à cet.effet, un échangeur de chaleur conforme à l'invention, dans l'une ou l'autre des formes de mise en oeuvre précédemment décrites, peut être caractérisé en ce que lesdites parois d'échange sont perméables à la vapeur d'eau et de préférence imprégnées d'un produit hygroscopique. L'invention pourra de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que du reste des dessins ci-annexés,-lesquels complément et dessins sont relatifs à des formes d'exécution préférées et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La figure 2 de ces dessins est une vue éclatée et schématique d'un échangeur de chaleur établi conformément à un premier mode de réalisation de l'invention la figure 3 est une vue en perspective partielle avec arrachement montrant'un détail de l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 2 la figure 4 est une vue éclatée et schématique d'un échangeur de chaleur établi conformément à un deuxième mode de réalisation de l'invention ;; les figures 5a et 5b représentent encore un autre mode de réalisation de l'invention les figures 6a et 6b représentent une variante du mode de réalisation des figures 5a et 5b la figure 7 montre un échangeur de chaleur conforme à l'invention, installé dans une gaine de circulation à deux conduits, dont l'un est parcouru par un fluide chaud et l'autre par un fluide froid; la figure 8 est une vue de dessus schématise d'urproid' é- changeur de chaleur établi conformément au mode de réalisation illustré sur la figure 2 et obtenu par une construction particulière mettant en oeuvre des déformations la figure 9 est une vue en coupe selon IX-IX de la figure lO;etla figurelO est une vueencoupe parx-X dela figure 8. Comme montré sur les figures 2 et 4, l'échangeur de chaleur comporte une succession de parois d'échange parallèles 4 délimitant entre elles des passages, les fluides chaud et froid circulant dans lesdits passages, de sorte que l'on rencontre successivement un passage parcouru par le fluide chaud et un passage parcouru par le fluide froid. Selon l'invention, chaque passage est délimité, - d'une part, par les faces en regard des deux parois considérées, - et, d'autre part, par au moins une cloison transversale continue ou discontinue d'une entretoise s'étendant perpendiculairement aux parois et imposant aux fluides circulant dans le passage considéré un parcours spiroldal. Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 2, il est prévu, pour chaque élément de l'échangeur, une seule cloison transversale 5 définissant un seul parcours spi roidal 6 partant de la périphérie du passage et aboutissant à son centre. Des moyens sont prévus pour canaliser le fluide aboutissant au centre d'un passage vers le centre d'un passage situé de l'autre côté du passage adjacent. Comme montré sur la figure 2 et plus en détail sur la figure 3, ces moyens sont constitués par une pièce 7 ayant la forme de la lettre D et par une ouverture 8, la pièce 7 en forme de D étant disposée sur cette ouverture 8 de manière à la scinder en deux parties dont l'une, 8a, est coiffée par la partie arrondie, 7a, de la pièce 7 en forme de D et dont l'autre, 8b, reste libre latéralement, la partie rectiligne 7b de la pièce7séparant ces deux parties 8a et 8b en passant par le centre de l'ouverture 8. La dimension transversale de la pièce 7 en forme de D est égale à la dimension transversale de la cloison 5. Comme on le voit clairement sur la figure 3, le fluide emprunte, pour passer d'un passage au passage situé de l'autre côté du passage adjacent, un tronçon de conduite axiale défini par la partie 8a de l'ouverture 8 et par l'intérieur de la pièce 7 en forme de D. Constructivement, il est avantageux de faire comporter à cette pièce 7 deux prolongements 7c qui permettront de la fixer sur la paroi d'échange 4. Il est également avantageux, pour obtenir un échangeur de chaleur comportant des orifices d'entrée et de sortie qui soient situés dans des plans différents, de décaler de 90" les cloisons transversales 5 situées dans les passages 4 adjacents. De ce fait, on aura un décalage de 1800 des pièces 7 en forme de D. Le montage de l'ensemble pourra être obtenu par des tirants T traversant la succession de parois 4et, notamment dans la région centrale, traversant les prolongements 7c des pièces 7. Bien que l'on puisse avoir recours à des parois 4 dont le contour soit voisin d'un contour spiroïdal pour épouser la forme de cloison transversale 5, il paraît constructivement plus simple d'avoir recours à des parois d'échange carrées. La cloison transversale 5 partira dans ces conditions d'un des angles du carré, dont trois côtés seront fermés par des cloisons périphériques 9, 10.et 11, une cloison de jonction 12 étant prévue pour raccorder la cloison périphérique 11 à la cloison transversale 5. Bien entendu, la dimension transversale de ces cloisons périphériques 9, 10 et il et de cette cloison de jonction 12 est égale à la dimension transversale de la cloison 5. Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 4, il est prévu pour chaque élément de l'échangeur deux cloisons transversales 13 et 14 définissant deux parcours spiroidaux 15 et 16, l'un, le parcours 15, partant de la périphérie du passage et aboutissant à son centre et l'autre, le parcours 16, partant du centre du passage et aboutissant à sa périphérie. Dans ce cas, on voit que les entretoises de chaque élément de l'échangeur sont discontinues, puisqu'elles sont constituées de deux tronçons spiroïdaux et coaxiaux 13 et 14. Par ailleurs, comme dans le cas de la figure 2, les parcours spiroïdaux des deux passages adjacents de l'échangeur de la figure 4 sont décalés de 90" autour de leur axe commun. On obtient ainsi un échangeur de chaleur à courants croisés. Cette disposition permet de faire en sorte que l'entrée du fluide froid s'effectue suivant une face du parallélépipède qui soit adjacente à la face par laquelle s'effectue l'entrée du. fluide chaud on évite ainsi tout risque de givrage à l'entrée du fluide froid. Sur les figures 2 et 4, et pour une meilleure compréhension du dessin, on a désigné les courants de fluides chaud et froid respectivement par les lettres C et F, les écoulements correspondants étant représentés par redouble flèche pour le fluide chaud, et par une flèche simple pour le fluide froid. En référence aux figures 5a et 5b d'une part, et 6a 6b a'autre part, on a représenté un autre mode de réalisation de l'invention, selon lequel chacun des passages superposés de l'é changeur de chaleur est déterminé par une entretoise ayant la forme d'une cloison transversale discontinue constituée de deux éléments identiques en forme de U et à branches inégales, ces éléments étant imbriqués pour constituer un parcours spiroïdal en forme de S ou de S inversé (2). Dans le cas des figures 5a et 5b, on a prévu par exemple de superposer l'élément de la figure Sa à l'élément de la figure 5b, le parc-ours du passage supérieur ayant la forme d'un S inversé C) et le parcours du passage inferieur ayant la forme d'un S. Les entretoises sont constituées par exemple partir de barreaux métalliques ou en matière plastique en forme de dont la branche la plus longue a été désignée par la référence 17 et la branche la plus courte par la référence 18. Ces entretoises sont intercalées entre les parois d'échange 4 de forme carrée, et l'assemblage des différentes entretoises superposées peut etre réalisé, comme dans le cas de la figure 3, à l'aide de tirants s'engageant dans des alésages alignés tels que 19. Dans le cas des figures 5a et 5b, l'entrée du fluide froid peut steffectuer par exemple par ltorifice de gauche de l'élément supérieur et sa sortie par l'orifice de droite. Quant au fluide chaud, il peut soit traverser l'été ment inférieur dans le même sens, c'est-à-dire de la gauche vers la droite, soit le traverser dans le sens inverse. De toute façon, on constate que, sur les faces latérales gauche et droite de l'échangeur, les orifices d'entrée ou de sortie- d?s fluides froid et chaud sont décalés, ce qui permet d'obtenir une connexion particulièrement simple avec les conduites de fluides froid et chaud sur lesquelles est branché l'échangeur. En effet, il suffit de prévoir, suivant toute la longueur de l'échangeur, des parois séparatrices 20 et 21, respectivement entre des conduites 22 et 23 du fluide froid et du fluide chaud. En outre, pour favoriser l'écoulement dans chacun des passages spiroidaux, on peut prévoir sur chacune des parois d'échange 4 des parties en relief ou gaufrages24 s'étendant sensiblement en arc de cercle, approximativement à mi-chemin entre l'extrémité de la branche la plus courte d'un U et le fond de l'autre U. On peut ainsi améliorer considérablement l'écoulement et diminuer les pertes de charge sans entretoise supplémentaire. Dans le cas des figures 6a et 6b, l'élément supérieur, parcouru par exemple par le fluide froid,est réalisé pratiquement de la même manière que l'élément supérieur représenté à la figure 5a, mais l'élément inférieur,parcouru par le fluide chaud, également réalisé sous la forme d'un S,a été décalé de 900 autour de l'axe commun des éléments, de sorte que l'on obtient un échangeur de chaleur parallélépipèdique présentant des entrées ou des sorties de fluide sur chacune de ses quatre faces latérales.Dans ce cas, les branchements sr isconduites 22 et 23, respectivement de fluide froid et de fluide chaud,peuvent s'effectuer à la manière indiquée sur la figure 7, l'échangeur étant maintenu par deux de ses arêtes opposées à l'intérieur d'une gaine 25 divisée en les deux conduites 22 et 23 par une cloison de séparation 26 raccordée aux deux autres arêtes opposées. A titre de variante, on a représente sur les figures 6a et 6b d'autres moyens destinés à favoriser les écoulements de fluide dans chacun des passages spiroïdaux : il peut s'agir par exemple de renflements 27 arrondis,qui peuvent être prévus aux extrémités des branches les plus courtes des éléments en forme de U, ou qui peuvent également être réalisés par un gaufrage approprié des parois d'échange 4. Il est à noter également que dans le cas des figures 6a et 6b, on prévient efficacement tout risque de givrage,du fait que l'entrée du fluide froid est immédiatement voisine de l'entrée du fluide chaud. Cependant, on pourrait dans certains cas négliger cette précaution et prévoir un écoulement du fluide chaud en sens inverse de celui qui est représenté à la figure 6b. L'échangeur de chaleur qui vient d'être décrit dans ses différentes formes d'exécution peut, bien entendu, être utilisé pour réaliser des échanges de chaleur entre deux liquides, mais c'est dans le cas où il est destiné à effectuer des échanges de chaleur entre deux gaz qu'il présente le plus grand nombre d'avantages. En effet, les parois d'échange 4 peuvent avoir une surface considérable, même dans le cas d'un échangeur de dimensions réduites, et les écoulements des gaz dans des passages spi roldaux permettent d'améliorer considérablement les coefficients de convection, même avec des vitesses d'écoulement relativement faibles, de l'ordre de lm par seconde.En outre et surtout, ces parois d'échange 4 peuvent être réalisées en un matériau perméable à la vapeur d'eau, de préférence imprégné roduit un/hygroscopique, ce qui permet d'obtenir un échangeur de chaleur et d'enthalpie à haute efficacité. Enfin, on a représenté aux figures 8, 9 et 10 encore un autre mode d'exécution de l'invention, dont le principe est sensiblement le même que celui de l'échangeur représenté à la figure 4, mais dans lequel les cloisons transversales sont obtenues par emboutissage, en ménageant des déformations appropriées dans des parois d'échange initialement planes. L'échangeur est constitué dans ce cas par un empilement de parois d'échange embouties, par exemple en tôle, telles que 27, 28, 29 et 30. L'emboutissage est réalisé de telle manière que chaque paroi présente successivement une nervure 31 et une cannelure 32 spiroidales, de sorte que des passages spiroïdaux d'échange soient ménagés entre les nervures superposées 31 de deux parois voisines d'une part, et entre les cannelures superposées 32 de deux parois voisines d'autre part. On peut ainsi prévoir par exemple des passages de fluide froid 33 sous les nervures 31 et sous les cannelures 32 de la paroi 27 et inversement des passages de fluide chaud 34 (représentés par une trame de points) sous les nervures 31 et sous les cannelures 32 de la paroi 28, et ainsi de suite. Par conséquent, Lors- que l'on considère une droite traversant l'échangeur parallèlement à son axe, on rencontre successivement un passage de fluide chaud 34, un passage de fluide froid 33, un passage de fluide chaud 34, et ainsi de suite. Considérant par exemple un échangeur constitué des parois 27 et 28, le fluide chaud pénètre dans l'échangeur en 35 (figure 8), parcourt le passage spiroïdal 34 jusqu'au centre de l'échangeur, et, de là, passe dans le passage 34 sous-jacent par une ouverture 36. Il parcourt alors le passage sous-jacent 34 du centre vers la périphérie de l'échangeur (figure 9), d'où il sté- chappe finalement en 37. On voit donc que le fluide chaud, entre son entrée et sa sortie, parcourt successivement un passage spi roïdal en sens horaire, et un passage spiroidal en sens anti-horaire. Quant au fluide froid, il pénètre dans l'échangeur en 38 (figure 9), parcourt le passage spiroïdal 33 jusqu'au centre de l'échangeur et, de là, passe dans le passage 33 supérieur par une ouverture 39. Il parcourt alors ce passage (figure 8) du centre vers la périphérie de l'échangeur, d'où il s'échappe finalement en 40. Le fluide froid parcourt donc également, entre son en trée et sa sortie, successivement un passage spiroïdal en sens horaire et un passage spiroïdal en sens anti-horaire. On obtient là encore un échangeur de chaleur à coefficient de convection excellent. 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 spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur du type constitué d'un succession de parois d'échange superposées s'étendant suivant des plans généralement parallèles, deux parois voisines ménageant entre elles un passage, les deux fluides chaud et froid entre lesquels les échanges de chaleur doivent s'effectuer circulant dans les passages successifs ainsi formés de sorte que l'on rencontre successivement un passage parcouru par le fluide chaud, un passage parcouru par le fluide froid et ainsi de suite, le parcours effectué par le fluide dans chaque passage étant en outre délimité par une entretoise étendant entre les deux parois correspondantes, caractérisé en ce que les entretoises présentent au moins une cloison transversale continue ou discontinue s'étendant perpendiculairement ou sensiblement perpendiculairement auxdites parois et conformée de façon à imposer au fluide circulant dans le passage considéré un parcours spiroidal. 2. Echangeur de chaleur selon la revendicatio n 1, caractérisé en ce que ladite cloison transversale est continue et délimite un seul parcours spiroïdal partant de la périphérie du passage correspondant et aboutissant à son centre, des moyens de liaison étant prévus pour canaliser le fluide qui aboutit au centre d'un passage vers le centre d'un passage constitué également spiroïdal par un seul parcours/coaxial au premier et situé de l'autre côté du passage adjacent, la périphérie de l'un desdits passages constituant l'entrée d'un des fluides, et la périphérie de l'autre constituant sa sortie. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les parcours spiroidaux de deux passages adjacents sont décalés de 90 autour de leur axe commun, le sens du décalage étant le même pour toutes les paires de passages adjacents (horaire ou anti-horaire). 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de liaison comprennent une ou verdure centrale ménagée dans chaque paroi d'échange, les différentes ouvertures étant coaxiales pour constituer ainsi une conduite centrale, et en ce que cette conduite est divisée longitudinalement en deux canaux par une séparation transversale, l'un des canaux communiquant avec les parcours spiroïdaux du fluide chaud et autre avec les parcours spiroidaux du fluide froid. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, ca ractérisé en ce que ladite cloison transversale est discontinue et constituée de deux tronçons coaxiaux délimitant chacun un parcours spiroidal, dont l'un part de la périphérie du passage correspondant pour aboutir à son centre en tournant autour de l'axe commun dans un sens donné, et dont l'autre part du centre du passage pour aboutir à sa périphérie, en tournant autour dudit axe commun dans le sens inverse. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les parcours spiroidaux de deux passages adjacents sont décalés de 90" autour de leur axe commun. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite cloison transversale est discontinue et constituée de deux éléments en forme de U à branches inégales, lesdits éléments étant imbriqués pour constituer un parcours spi roidal en- forme de S, tandis que le parcours spiroidal immédiatement adjacent a la forme d'un S inversé (2). 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le parcours spiroïdal en S d'un passage est décalé des90" par rapport au parcours spiroldal en S inversé (2? du passage adjacent. 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que tous- lesdits éléments en forme de U à branches inégales sont identiques. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce que la ou les cloisons transversales sont obtenues en ménageant des déformations dans une paroi d'échange initialement plane, lesdites déformations rejoignant des déformations correspondantes ménagées sur la paroi d'échange adjacente. 11. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites parois d'échange sont perméables à la vapeur d'eau et de préférence imprégnées d'un produit hygroscopique.