Brevet FR2357853A1 — publié le 19780203

L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur de récupération réalisé en céramique et hermétique aux gaz. Les échangeurs de ce type conviennent en particulier en constru'ction des turbines à gaz, en génie chimique et en technologie chimique, domaines qui utilisent des fluides liquides et gazeux et dans lesquels des températures élevées de travail pouvant atteindre 14000C sont exigées. La tendance à l'élévation des rendements eh technique de combustion, en particulier dans les moteurs à combustion interne, est la raison essentielle de l'utilisation des céramiques, car les échangeurs de chaleur connus en alliages métalliques autorisent une température de travail trop basse. La demande de brevet de la A DT-OS no 24 34 587 décrit certes déjà un type d'échangeur de chaleur en plaques à courants croisés qui est utilisable pour le transfert de chaleur entre des fluides gazeux et liquides à températures différentes, mais cet échangeur de métal convient mal en raison de sa faible résistance à la corrosion par les fluides corrosifs ainsi que de sa trop faible stabilité thermique. On est donc revenu aux échangeurs de chaleur en graphite, tels que décrits dans le brevet de la RFA n 2160 240 pour les domaines d'application similaires ou analogues. Il faut noter que la plupart des céramiques sont relativement sensibles à lteffet d'entaille et aux aifférences de température. Les tensions nuisibles résultant de ces différences de température apparaissent en particulier lorsque la transmissibilité thermique entre les canaux des différents groupes d'un échangeur de chaleur n'est pas constante. Les échangeurs de chaleur en céramique mis au point par Corning initialement en technologie des turbines b gaz pour véhi- cules moteurs ont d'autres inconvénients. Un échangeur de chaleur de ce type se compose d'un disque en nid d'abeilles qui tourne lentement entre le circuit froid d'air frais se dirigeant sur la chambre de combustion et le courant d'air d'évacuation chaud.Une partie du disque accumule la chaleur du gaz de combustion et la transmet par rotation au courant d'air d'admission qui l'absorbe. Il s'agit dans ce cas d'un échangeur de chaleur du type a régénération.Les inconvénients inhérents à ces disques échangeurs de chaleur réalisés par une technique à enroulement sont le lessivage continu des composés de lithium par les gaz d'échappement, les températures de travail trop basses, inférieures à 1000 C, le mouvement de rotation ainsi donc que le bruit et les problèmes d'étanchement qui en résultent. Aucun échangeur de chaleur en céramique n'a été réalisé jus qu' à présent avec un volume relativement faible en évitant les problèmes d' étanchement,utilisaljle avec des températures de travail pouvant atteindre 14000C et supportant une pression interne supérieure à 5 bars manométriques. Un échangeur de chaleur de ce type doit avant tout être hermétique et résistant à la corrosion. L'invention vise donc à.un échangeur de chaleur réalisé avec des céramiques correspondantes ou des corps composites de céramique et qui convient à des températures de travail pouvant atteindre ces niveaux élevés. L'invention concerne donc un échangeur de chaleur de céramique formé de plaques empilées se croisant et comportant des passages destinés à des fluides d'échange de chaleur à températures élevées,cet échangeur résistant à la corrosion et aux chocs thermiques, étant étanche et ayant aussi une grande stabilité thermique. Selon une particularité essentielle de l'échangeur de chaleur selon l'invention, il consiste en un corps composite, hermétiquè aux gaz, en céramiques différentes, de construction modulaire et comprenant de multiples canaux parallèles et des plaques qui se croisent. L'invention réside donc essentiellement en un échangeur de chaleur de céramique du type mentionné, dans lequel les paquets de couches superposées et à courants croisés se composant de combinaisons différentes de matières, par exemple de nitrure de silicium avec de la cordiérite, du carbure de silicium avec de la cordiérite, du nitrure de silicium avec du carbure de silicium, du nitrure de silicium ou du carbure de silicium avec des feuilles métalliques. Dans les deux derniers cas et selon un mode de réalisation avantageux conforme à l'invention, ces Feuilles métalliques peuvent recouvrir les céramiques poreuses de manière à les isoler hermétiquement. Le nitrure de silicium est une céramique à laquelle un grand intérêt; a été porté pendant ces dernières années pour l'utiliser dans la réalisation de pièces de construction devant résister à des températures élevées et à des atmosphères corrosives. A la différence de la plupart des autres céramiques à grande résistance mécanique, la résistance aux chocs thermiques du nitrure de silicium est extraordinairement grande. Une autre céramique est la cordiérite qui convient à la réalisation de substrats de céramique et de supports de catalyseurs. Cette matière à l'état calciné a aussi un coefficient de dilatation relativement bas et une relativement grande résistance aux chocs thermiques. Il a par ailleurs été observé que la nature physique des corps de céramique obtenus varie avec la composition chimique. L'expérience a ainsi montré qu'il est nécessaire, dans la réalisation de ces plaques d'échange de chaleur, de sélectionner la composition chimique du matériau et la méthode de fabrication de manière à obtenir un produit ayant la capacité exigée. Le carbure de silicium est une matière qui a une bonne résistance mécanique et une bonne résistance chimique aux températures élevées. Son faible retrait et la possibilité de réaliser des structures de SiC ainsi que de la rendre hermétique par imprégnation avec du silicium métallique permettent à cette matière d'être aussi utilisée dans les applications à température élevée. Par ailleurs, les échangeurs de chaleur modulaires conformes à l'invention peuvent aussi être réalisés avec des matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique différents. Il faut remarquer dans ce contexte que les céramiques utilisées ont des coefficients de dilatation thermique relativement faibles, comparés à ceux des feuilles métalliques utilisées. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un échangeur de chaleur modulaire de céramique conforme à l'invention ; la figure 2 est une coupe transversale schématique dtun module double à balayage vertical ; et la figure 3 est une coupe transversale schématique d'un module double à balayage oblique. L'échangeur de chaleur 1 de type modulaire représentsé sur 1 figure I se compose de plusieurs plaques 2 à canaux correspondants 3 qui sont superposées en étant croisées. Au lieu d'avoir une section rectangulaire, les canaux 3 des plaques d'échange de chaleur pourraient aussi avoir une section hexagonale , carrée ou circulaire. La plaque pourrait avoir dans son ensemble aussi des canaux différents et des différences d'épaisseur de paroi en fonction de son utilisation pratique. Les modules cubiques 1 d'échange de chaleur sont ensuite assemblés en grands éléments. Les figures 2 et 3 en représentent deux possibilités. La figure 2 représente une disposition dans laquelle deux modules 1 d'échange. de chaleur sont juxtaposés parallèlement. Le premier fluide froid 4 arrive dans une chambre 5 formée par les deux modules 1 et une cloison 6. Lorsque le premier fluide a passé dans le module 1 à la moitié supérieure de la figure, des canaux 7 de déviation le dirigent sur le module inférieur 1. il s'est produit alors un équilibre de température avec le deuxième fluide chaud-qui entre en 10 dans les deux modules 1 et en sort en il à basse température. Par-contre, le premier fluide ressort en 8 à température supérieure. Les différents modules 1 sont disposés obliquement dans le mode de réalisation de la figure 3. Le premier fluide froid 4 entre dans la chambre 5 et ressort en 8 å température supérieure. Le deuxième fluide chaud arrivant en 10 passe dans les deux modules et en ressort à basse température en 11. Les différentes chambres d'admission et d'évacuation sont formées par les modules et les cloisons 6. Le principe de l'invention consiste à combiner les natures de céramiques différentes de manière à obtenir à l'intérieur du module d'une part une grande stabilité thermique et une grande résistance à la corrosion par les fluides chauds et d'autre part une imperméabilité suffisante aux gaz. Les avantages de cet échangeur de chaleur sont qu'il ne nécessite aucun brasage ni aucune mise en forme fastidieuse comme les échangeurs de chaleur en métal ou en matière plastique. Par ailleurs, l'échangeur de chaleur de l'invention est utilisable dans des applications très diverses, il a'un bon coefficient de transfert de chaleur et il est utilisable pour des fluides corrosifs. Les échangeurs de chaleur de ce type ont surtout l'avantage de pouvoir être réalisés à relativement bas trais. Un mode de production avantageux des plaques d'échange de chaleur consiste à extruder la céramique avec des liants correspondants. Ces plaques peuvent cependant aussi être produites par d'autres procédés de fabrication. Les matériaux utilisables pour ces plaques sont en particulier les céramiques à base de silicates, d'oxydes, de carbures et de nitrures. Une structure céramique composite s'obtient en combinant différentes céramiques ou en les séparant hermétiquement par une feuille métallique, le principe de l'invention étant mis en évidence dans les exemples suivants donnés à titre exclusivement indicatif et nullement limitatif. Exemple 1 : Le nitrure de silicium et la cordiérite sont des matériaux qui ont le même coefficient de dilatation thermique et une mouillabilité suffisante, de sorte qu'il est possible de les assembler par frittage. Ce mode d'assemblage des plaques d'échange de chaleur en nitrure de silicium et en cordiérite a l'avantage que la déformation plastique de la fraction de cordiérite à la calcination permet une égalisation exacte sans interstices entre les différentes plaques d'échange de chaleur et donc assure un bon transfert de chaleur. Un échangeur de chaleur de céramique extrudé et ayant subi une nitruration est ainsi en nitrure de silicium et en cordiérite et a les cotes suivantes couche de couverture 0,2 à 5 mm épaisseur des cloisons 0,4 à 5 mm dimension des trous 0,7 à 2 mm Dans cet échangeur de chaleur à courants croisés, le gaz froid passe dans la couche hermétique de cordiérite et les gaz d'échappement corrosifs et chauds passent dans la couche de carbure de silicium. Cette dernière couche est certes poreuse, mais a une beaucoup plus grande résistance à la corrosion par les gaz d'échappement que la cordiérite. On utilise dans cette combinaison l'étanchéité aux gaz de la cordiérite en admettant en contre partie la moindre plage de température de travail que le nitrure de silicium.Le nitrure de silicium est fermé hermétiquement par la couche intermédiaire de cordiérite et forme également la charpente rigide qui résiste aux températures élevées et meme les surchauffes à l'intérieur de la cordiérite ne provoquent pas de dégâts à l'ensemble de l'échangeur de chaleur. Exemple 2 Dans ce cas, les plaques de nitrure de silicium extrudées sont superposées alternatrvement avec des feuilles métalliques de tungstène ou de silicium, puis calcinées sous faible pression à 14000C au four électrique. Ainsi, les matériaux céramiques poreux sont isolés hermétiquement les uns des autres. Exemple 3 : Environ 10 % en poids de cordiérite et un liant correspondant sont mélangés de manière homogène avec de la poudre de silicium. Ce mélange est ensuite mis en forme de corps creux en plaques, puis nitruré entre 1000 et 15003C. La cordiérite présente ne produit cependant pas encore une phase vitrifiée. On n'obtient celle-ci que par chauffage du corps en atmosphère d'oxygène à une température atteignant environ 14000C. L'apparition d'une couche superficielle de vitrification est utilisée pour l'assemblage par frittage des différentes plaques en un échangeur de chaleur modulaire. REVENDICATI0NS 1. Echangeur de chaleur réalisé en céramique et se composant de multiples corps creux en forme de plaques empilées de manière qu'elles se croisent et comportant des trous correspondants de circulation de fluides d'échange de chaleur, caractérisé en ce il consiste en un corps composite hermétique aux gaz, en matériaux céramiques différents, en construction modulaire et comprenant de multiples plaques parallèles qui se croisent. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques empilées de manière à former un corps à courants croisés sont alternativement en nitrure de silicium poreux et en cordiérite hermétique ou étanche aux gaz. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des plaques de carbure de silicium et de cordiérite sont empilées en alternance et de manière qu'elles se croisent. 4. Echangeur de chaleur-selón la revendication 1, caractérisé en ce que les différentes couches alternées sont en nitrure de silicium et en carbure de silicium. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques qui se croisent sont en carbure de silicium et isolées hermétiquement de manière étanche aux gaz par une feuille de tungstène métallique. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les différentes couches de nitrure de silicium poreux sont recouvertes de feuilles de silicium métallique. 7. Procédé de production de plaques pour échangeur de chaleur réalisé en céramique, caractérisé en ce qu il consiste essentiellement à extruder des matières céramiques extrudables à l'aide d'un outil multiple en corps creux en forme de plaques comportant de multiples canaux à parois parallèles et minces,à les sécher et évenbuel- lement les précalciner et finalement à assembler par frittage les différente3 plaques en matériaux différents empilées de manière qu'elles se croisent afin de réaliser un module solide.