Brevet FR2362355A1 — publié le 19780317

La présente invention concerne un échangeur de chaleur, et plus particulièrement un échangeur de chaleur à plaques qui est équipé d'un certain nombre de plaques de transmission de chaleur. Le brevet EUA No.3.291.206 décrit un échangeur de chaleur à plaques dans lequel des plaques ondulées de transmission de chaleur sont empilées de telle sorte que les crêtes des plaques de transmission de chaleur adjacentes sont en contact l'une avec l'autre de façon à délimiter par leurs creux en regard des passages pour des fluides ayant des températures et des pressions différentes , et pour permettre l'échange de chaleur entre ces fluides. Ce brevet EUA fait appel à des plaques de transmission de chaleur présentant des ondulations triangulaires continues de façon à former des passages à section en forme de losange. Par ailleurs, ce brevet EUA décrit d'autres formes des ondulations des plaques de transmission de chaleur, par exemple des trapézoldes pour former des passages hexayonaux, et des sinusoïdes pour former des passages sensiblement circulaires. Cependant, les échangeurs de chleur à plaques de ce brevet antérieur laissent à désirer en ce sens que d'épreuve la résistance / et la surface de transmission de chaleur voulues ne peuvent être obtenues. C'est donc un objectif de la présente invention de procurer un échangeur de chaleur à plaqués perfectionné ayant une grande . d ' épreuve résistance / et une grande surface de transmission de chaleur. Selon la présente invention, il est fourni un échangeur de chaleur ayant un certain nombre de plaques empilées de transmission de chaleur de part et d'autre de chacune desquelles des fluides différents circulent de façon qu'il se produise un échange de chaleur entre ces fluides à travers la plaque de transmission de chaleur, échangeur dans lequel chacune desdites plaques de transmission de chaleur comporte des parties terminales opposées plates et une partie intermédiaire disposée entre ces parties terminales, ladite partie intermédiaire ayant une forme telle quelle présente un certain nombre d'ondulations longitudinales continues formées en alternance, formant ainsi en alternance et sans interruption des crêtes et des creux longitudinaux, lesdites plaques de transmission de chaleur étant empilées de telle sorte que les crêtes des plaques de transmission de chaleur adjacentes sont en contact l'une avec l'autre de façon à former des passages de fluide par leurs creux en regard, et chacune des crêtes et chacun des creux desdites plaques de transmission de chaleur ayant en coupe une forme semi-circulaire de façon à augmenter la surface de transmission de chaleur et la limite élastique des plaques de transmission de chaleur respectives. On va maintenant décrire des formes de réalisations préférées ae "invention en se reportant aux planches de dessins annexées sur lesquelles la figure 1 est une vue de dessus d'un échanger de chaleur selon la présente invention la figure 2 est une coupe suivant la ligne II-TI de la figure 1 la figure 3 est une coupe suivant la ligne IIIW de la figureL,a2 figure fl est une coupe suivant la ligne iV-IV de la figure3 la figure 5 est une vue en plan dlune plaque de transmission de chaleur qui équipe l'échangeur de chaleur des figures 1 à 4 les figures 6 et 7 sont respectivement une vue de côté et une vue en bout de la plaque de la figure 5 la figure 8 représente un modèle de passage d'écoulement dans l'échangeur de chaleur selon la présente invention la figure 9 est une vue en perspective éclatée représentant une partie d'une autre forme de réalisation de la présente invention la figure 10 est une vue en coupe agrandie représentant une partie d'encore une autre forme de réalisation de la présente invention la figure 11 est une vue de dessus d'encore une autre forme de réalisation de la présente invention la figure 12 est une vue de côté de la forme de réalisation de la figure 11 ; la figure 13 est une coupe suivant la ligne XIII-XIII de la figure 11;; la figure 14 est une coupe suivant la ligne XIV-XIV de la figure 12 la figure 15 est une vue en bout d'une-plaque de transmission de chaleur qui est prévue dans la forme de réalisation des figures 11 à 14 la figure 16 est une vue de côté de la plaque de transmission de chaleur de la figure 15 la figure 17 est une vue en bout d'une autre plaque de transmission de chaleur utilisable dans la forme de réalisation des figures 11 à 14 ; et la figure 18 est une vue de côté de la plaque de transmission de chaleur de la figure 17. L'échangeur de chaleur qui est représenté sur les figures 1 à 4 comporte un logement 7 ayant des parois latérales 1 et 2, une paroi supérieure 3, une paroi inférieure 4, une paroi antérieure 5 et une paroi postérieure 6, ainsi qu'un certain nombre de plaques 8 de transmission de chaleur qui sont juxtaposées à l'intérieur du logement le long des parois antérieure et postérieure 5 et 6. Chacune des plaques 8 de transmission de chaleur présente, comme le montrent les figures 5 à 7, des parties terminales opposées sensiblement plates 9 et 10, et une partie intermédiaire 11 qui est formée d'une seule pièce entre les parties terminales 9 et 10. La partie intermédiaire 11 forme un certain nombre d'ondulations continues 12 d'une seule pièce avec les parties terminales plates 9 et 10. Comme le montre plus clairement la figure 7, les ondulations 12 de chacune des plaques 8 de transmission de chaleur comprennent des crêtes longitudinales semi-circulaires 13 qui font saillie sans interruption et en alternance de part et d'autre d'un plan médian de la plaque 8 de transmission de chaleur, des creux longitudinaux semi-circulaires 14 formés dans les faces intérieures des crêtes, les crêtes et les creux 14 étant longitudinaux et formés à même les parties terminales 9 et 10. Les plaques 8 de transmission de chaleur précitées sont empilées de telle sorte que les crêtes 13 des plaques adjacentes 8 sont en contact l'une avec l'autre de façon à délimiter un certain nombre de passages de fluide 15, par leurs creux en regard 14, de part et d'autre de la plaque 8 de transmission de chaleur correspondante. Les plaques 8 de transmission de chaleur, assemblées de la manière décrite ci-dessus, sont incorporées au logement 7 avec leurs pourtours extérieurs fixés de façon étanche aux liquides, par exemple par soudage,aux parois latérales 1 et 2, à la paroi supérieure 3 et à la paroi inférieure 4. Ainsi, des passages A et B pour deux fluides différents qui ne peuvent se mélanger sont formés de part et d'autre de la plaque 8 de transmission de chaleur correspondante. Dans la forme de réalisation représentée, les passages A doivent acheminer un fluide à haute température et haute pression et les passages B doivent acheminer un fluide à basse température et basse pression. Le fluide à haute température et haute pression arrive d'un collecteur 16, prévu près d'une extrémité inférieure de la paroi latérale 1 du logement, par une entrée 17 et des espaces 18 délimités par les parties terminales' plates 10, dans les passages A, comme l'indiquent les traits pleins, puis est évacue par des espaces 19 délimités par les parties terminales plates opposées 9, et arrive à un collecteur 21 par une sortie 20. D'autre part, le fluide à bassetempérature et basse pression arrive également d'un collecteur, prévu près d'une extrémité supérieure de la paroi latérale 2 du logement 7, par une entrée 23 et des espaces 24 délimités par les parties terminales 9, dans les passages B, comme l'indiquent les traits interrompus, puis est évacué par des espaces 25 delimités par les parties terminales plates 10, et arrive à un collecteur 27 par une sortie 26 formée dans une partie terminale inférieure de la paroi latérale 2. Ainsi, l'écoulement se fait à contre-courant dans l'échangeur de chaleur représenté. il va de soi que l'on peut utiliser cet échangeur de chaleur avec un écoulement parallèle en intervertissant l'entrée et la sortie de l'un des fluides. Comme on peut le voir sur la figure 3, la pression du fluide dans la partie de contact entre les passages verticalement adjacents A pour le fluide à haute température et haute pression, par exemple, la pression de fluide dans les passages d'écoulement disposés verticalement près d'un point-X,est plus élevée que celle qui règne dans les passages d'écoulement disposés horizontalement près du point X, si bien que les forces qui agissent dans la direction verticale sur le point X s'apposent l'une à l'autre et que leurs intensités sont égales l'une à l'autre, ce qui fait qu'il n'y a pas de déplacement vertical du point X.De même, les pressions de fluide qui règnent dans les passages d'écoulement disposés horizontalement près du point X sont elles aussi égales l'une a l'autre, si bien qu'il ne peut y avoir de déplacement horizontal du point X. La pression du fluide à haute température et haute pression, dans la partie de contact entre les passages adjacents B pour le fluide à basse température et basse pression, par exemple en un point Y, a pour effet de déformer verticalement les plaques 8 de transmission de chaleur qui sont disposées verticalement près du point X, de façon à délimiter les passages B pour le fluide à basse température et basse pression près du point Y, et l'épaisseur des plaques ondulées de transmission de chaleur est calculée pour résister parfaitement à une telle pression externe. Cependant, il n'y a pas de déplacement horizontal du point Y puisque les forces qui agissent horizontalement sur ce point sont équilibrées. Par ailleurs, le fluide à haute température et haute pression et le fluide à basse température et basse pression qui circulent dans les passages d'écoulement respectifs 15 ont la même "quantité d'etat" et la même direction d'écoulement dans une section perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'échangeur de chaleur, si bien qu'il peut y avoir un échange de chaleur uniforme et qu'il ne se crée pas de différence de pression entre passages d'écoulement adjacents pour le même fluide. Considérons maintenant le dimaètre équivalent de l'un des passages d'écoulement 15 formé entre les plaques 8 de transmission de chaleur. La figure 8 représente un modèle du passage d'écoulement formé entre des plaques ondulées 8 de transmission de chaleur empi lées une à une. La longueur L du périmètre mouillé de ce passage d'écoulement est représentée par l'équation suivante L = 27tD Ainsi, la longueur L est équivalente à la longueur périphérique extérieure de deux tubes circulaires de diamètre D.Par ailleurs, la section S du passage d'écoulement peut également être représentée par l'equavior suivante S ~ 2+(D2 2 + (D2 - tD ) x 2 4 4 = 2D2 Par conséquent, le diamètre équivalent De est De = 4 x S L =4 xD = 1, 3D On se rend donc compte que, si la longueur du périmètre mouillé et donc la surface de transmission de chaleur est équivalente aux deux cercles de diamètre D, le diamètre équivalent D,qui a une grande influence sur la résistance de frottement à l'écoulement du fluide, est supérieur d'environ 30% au diamètre D des tubes circulaires, et la résistance de frottement est moindre que celle de ces derniers.C'est là l'un des effets de la présente invention qui sont dus au fait que le passage d'écoulement est formé par un espace délimité par des parties périphériques extérieures de quatre tubes circulaires de diamètre D, lorsque les tubes sont disposés tres près l'un de l'autre. Par ailleurs, compte il nty a pas de retournement dans les passages d'écoulement, la présente invention peut s'appliquer à n'importe quel type d'échangeur de chaleur, par exemple échangeur gaz-gaz, échangeur liquide-liquide, ou échangeur fluide à deux phases-fluide à deux phases. L'échangeur de chaleur de cette forme de réalisation a un rendement extrêmement bon et des dimensions extrêmement réduites, et on va maintenant le comparer aux échangeurs de chaleur classiques. La quantité de chaleur à échanger s'exprime par l'équation suivante Q = U x A x AT dans laquelle U est le coefficient global de transmission de chaleur ( en kcal/m2.h. C), A est la surface de transmission de cha 2 leur ( en m ), et AT est la différence de température ( en C) Les échangeurs de chaleur classiques que l'on utilisera pour la comparaison sont un échangeur de chaleur à tubes droits qui est équipé de tubes circulaires, d'une part, et un échangeur de chaleur à plaques et ailettes, d'autre part. Pour la comparaison, la quantité de chaleur Q et la différence de température AT ne varient pas.Les dimensions des plaques de transmission de chaleur sont telles que, dans le cas de l'échangeur de chaleur à tubes droits, le diametre extérieur des tubes est de 12 mm et leur epaisseur de paroi est de 1,0 mm, et que, dans le cas de l'échangeur de chaleur à plaques et à ailettes, 1 t epaisseur des plaques est de 1,2 mm, leur pas est de 6,35 mm, l'épaisseur des ailettes est de 0,26 mm et le pas de l'ondulation des ailettes est de 2,8 mm. Dans cette forme de réalisation, le diamètre D des ondulations 12 des plaques 8 de transmission de chaleur est de 3,5 mm, et l'épaisseur des plaques est de 0,3 mm. Par ailleurs, on utilise la vapeur saturée de 1 t azote liquide, sous une pression de 5,5 atmosphères, comme fluide à haute température et haute pression, et on utilise de l'oxygène liquide sous une pression de 1,5 atmosphère comme fluide à basse température et basse pression.Le tableau I indique les coefficients globaux U de transmission de chaleur des échangeurs de chaleur respectifs, les longueurs Ls du périmètre mouillé par unité de section des échangeurs de chaleur, et les quantités Wv de chaleur à échanger compte tenu de l'épaisseur des tubes de l'échangeur de chaleur et de l'épaisseur des ailettes des plaques de transmission de chaleur, les quantites de chaleur étant exprimées par rapport à la quantité de chaleur dans l'échangeur de chaleur à tubes droits, prise comme unité, et les mesures ayant été faites au cours d'expériences réalisées par l'inventeur. TABLEAU I entité Unité Présente Echangeur Echangeur à invention à tubes plaques et à droits ailettes U kcal/m2hoC 1.700 1.700 500 Ls mm/mm2 0,37 1,13 0,55 Wv 2,86 1,0 1,43 Le tableau I permet de se rendre compte que l'échangeur de chaleur selon la présente invention est de petite taille par rapport aux deux autres types d'échangeurs de chaleur. La figure 9 représente une autre forme de réalisation de l'invention qui diffère de la forme de réalisation des figures 1 à 7 en ce que, lorsque les plaques ondulées de transmission de chaleur sont empilées, des plaques allongées 30 qui favorisent la turbulence sont intercalées avec un pas sensiblement égal entre les parties intermédiaires opposées 11 ayant des ondulations 12, de telle sorte que les plaques 30 sont perpendiculaires à la direction de l'écoulement des fluides. Chacune des plaques 30 présente des saillies coudées 31 ayant le pas de l'ondulation. Avec un tel agencement, ltecoulement est rendu turbulent dans les passages d'écoulement 15 entre les plaques 8 de transmission de chaleur, ce qui a pour effet d'augmenter le rendement de la transmission de chaleur. Par ailleurs, les plaques 30 servent également de renfort en empêchant, par exemple, la déformation relative et latérale des plaques 8 de transmission de chaleur opposées. Dans la forme de réalisation de la figure 10, une surface plate 32 est formée sur une partie de chacun des sommets des crêtes 13 de l'ondulation 12 de la partie intermédiaire 11, si bien que la surface de contact entre les crêtes opposées 13 est plus grande, ce qui permet un contact stable lorsque les plaques de transmission de chaleur sont empilées. Comme le montrent les figures 15 à 18, les plaques 36 et 40 de transmission de chaleur comportent respectivement des parties terminales opposées plates 33, 34 et 37, 48, et des parties intermédiaires llA, 11B formées d'une seule pièce entre les parties terminales 33, 34 et 37, 38. Les parties intermédiaires- lIA et 113 ont respectivement des parties marginales latérales 35 et 39 au ras des parties terminales 33, 34 et 37, 38, et des ondulations 12R get 12B formées sans interruption et en alternance avec des crêtes 13A et 13B et des creux 14A et 143, ayant en coupe une forme semicirculaire.Le point à noter particulièrement est que les ondulations 12A et 12B ne font saillie que d'un côté des parties terai- nales 33, 34 et 37, 38, et que la crête 41 de chaque pas est formée de façon à toucher un plan contenant les surfaces des parties terminales 33, 34 et 37, 38 du côté opposé aux ondulations 12A et 12B. La plaque de transmission de chaleur 40 diffère de la plaque de transmission de chaleur 36 en ce que la partie intermédiaire 11B de la plaque 40 est relativement longue et que ses parties terminales opposées 37 et 38 sont petites. Par ailleurs, le nombre des pas de l'ondulation 12B de la plaque de transmission de chaleur 40 est inférieur de 1 à celui des pas de l'ondulation 12A de la plaque de transmission de chaleur 36, et ainsi les parties marginales latérales 39 sont plus larges que les parties marginales latérales 35. Dans la forme de réalisation des figures Il à 14, les plaques de transmission de chaleur 36 et 40 sont empilées de telle sorte que les crêtes opposées 13A et 13B touchent les crêtes opposées 41 de façon à former les passages de fluide de part et d'autre des plaques respectives 36 èt 40 de transmission de chaleur Ces passages de fluide sont sensiblement identiques aux passages de fluide de la forme de réalisation des figures 1 à 4, et c'est pourquoi on n'en reprendra pas la description détaillez, mais les parties terminales opposées des ondulations 12B des plaques de transmission de chaleur 40 sont en contact avec les parties terminales plates 33 et 34 des plaques de transmission de chaleur 36. Lès parties marginales latérales 35 et 39 et les extrémités supérieure et inférieure des plaques empilées 36 et 40 de transmission de chaleur sont fixées, par exemple par soudage, aux parois latéralés 42 et 43, aux parois terminales supérieure et inférieure 45 et 46, aux parois antérieures 44 et 47 et aux parois postérieures 48 et 49 ayant une épaisseur relativement grande par rapport aux plaques 36 et 40 de transmission de chaleur. Le fluide à haute température et haute pression arrive des entrées 50 dans les passages de fluide par des espaces 52 délimités par les parties terminales plates 33 des plaques de transmission de chaleur 36, la paroi latérale 43, la paroi 45 et les ondulations 12B des plaques de transmission de chaleur 40, puis est évacué des sorties 51 par des espaces 53 délimités par les autres parties terminales 34, la paroi terminale 43, la paroi terminale 46 et les ondulations 12B des plaques de transmission de chaleur 40. D'autre part, le fluide à basse température et basse pression arrive de la partie inférieure par des espaces 54 délimités par les parties terminales plates 34 des plaques de transmission de chaleur 36 et les ondulations 12B des plaques de transmission de chaleur 40, puis est évacué vers le haut, par les passages de fluide, dans des espaces 55 délimites par les autres parties terminales 33 des plaques de transmission de chaleur 36 et les ondulations 12B des plaques de transmission de chaleur 40. Dans cette forme de réalisation, les espaces 52 et 53 pour le fluide à haute température et haute pression sont délimités par la paroi latérale épaisse 43, les ondulations 12B des plaques de transmission de chaleur 40, et quatre parois dont les faces pos térieures sont soutenues par ces dernières, et on obtient ainsi une grande résistance à la pression . I1 est également possible que les plaques de transmission de chaleur 36 et 40présentent des ondulations 12A et 12B ayant le même pas, et de décaler latéralement d'un demi-pas l'une ou l'autre des plaques de transmission de chaleur. Telle qu'elle est décrite ci-dessus, la présente invention peut procurer un échangeur de chaleur à plaques dans lequel les plaques ondulées de transmission de chaleur présentent une ondulation formant une suite de demi-cercles, et ainsi la surface de transmission de chaleur est grande et le rendement de transmission de chaleur est important. Par ailleurs, le diametre équivalent du passage d'écoulement formé entre les plaques de transmission de chaleur pour introduire le fluide à réchauffer ou refroidir est environ 1,3 fois plus grand que le diamètre du demi-cercle de l'ondulation, ce qui a pour effet de réduire la résistance de frottement à l'écoulement des fluides. En outre, lrondulation est faite d'une suite de demi-cercles, en coupe, si bien que la résistance mécanique des plaques ondulées de transmission de chaleur, vis-àvis de la pression externe ou interne dûe à la différence de pression entre les deux fluides, est plus grande que celle des autres plaques ondulées ayant une forme différente en coupe. Note Par "quantité d'état"(page5, lignes 7-8), on entend une fonction thermodynamique incluant la température, la pression, l'énergie, interne, l'entropie et 1 enthalpie du fluide. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur comportant un certain nombre de de chacune plaques empilées de transmission de chaleur de part et d'autre/ desquelles circulent des fluides différents pour qu'il se fasse un échange de chaleur entre ces fluides à travers lesdites plaques de transmission de chaleur, caractérisé en ce que chacune desdites plaques de transmission de chaleur comporte des parties terminales opposée s plates et une partie intermédiaire disposée entre lesdites parties terminales, ladite partie intermédiaire ayant une forme telle qu'elle présente un certain nombre d'ondulations longitudinales continues-formees en alternance, formant ainsi en alternance et sans interruption des crêtes et des creux longitudinaux, lesdites plaques de transmission de chaleur étant empilées de telle sorte que les crêtes des plaques de transmission de chaleur adjacentes sont en contact l'une avec l'autre de façon à former des passages de fluide par leurs creux en regard, et chacune des crêtes et chacun des creux desdites plaques de transmission de chaleur a en coupe une forme semi-circulaire. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une plaque est intercalée entre les plaques de transmission de chaleur adjacentes pour rendre turbulent l'écoulement du fluide qui circule dans les passages formés par les ondulations desdites plaques de transmission de chaleur. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une surface plate longitudinale est prévue au sommet de la crête formée par l'ondulation de la partie intermédiaire de ladite plaque de transmission de chaleur. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ondulations de ladite plaque de transmission de chaleur font saillie en alternance de part et d'autre d'un plan contenant lesdites parties terminales plates. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ondulations de ladite plaque de transmission de chaleur ne font saillie que d'un seul côté d'un plan contenant lesdites parties terminales plates. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ondulations de l'une des plaques de transmission de chaleur adjacentes sont plus longues que celles de l'autre plaque de transmission de chaleur, et en ce qu'une partie des crêtes des ondulations les plus longues est en contact avec les parties terminales plates de la plaque de transmission de chaleur qui se trouve en regard.