Brevet FR2414988A1 — publié le 19790817

La présente invention concerne un procédé ie fabrication d'un élément d'échange indirect de chaleur en matière ceramique, un élément obtenu par ce procédé, et un échangeur de chaleur oUtenu par assemblage de tels éléments. On a déjà proposé de fabriquer des éléments d'échange de chaleur statiques en matière céramique, par exemple des éléments multitubulaires ou en nid d'abeilles, notamment par dépôt sur un corps de cire d'une résine chargée d'une matière céramique, et par extrusion de la résine chargée autour de tiges de cire, puis chauffage assurant la fusion et l'élémination de la cire, et exlfin cuisson assurant la cohésion de ia matière céramique, dans le brevet français n02 155 6h4. Un tel procédé est toutefois coûteux et demande une surveillance attentive pour obtenir un produit de cotes bien définies, après élimination de la cire, puis de la résine. On pourrait aussi envisager de fabriquer des éléments d'échange de chaleur en forme de plaques munies de moyens de transmission de chaleur d'une plaque à celle d'un autre élément, par exemple sous forme d'une ondulation de hauteur égale à celle de l'écartement de deux plaques adjacentes, et de moyens d'introduction et d'évacuation des fluides à soumettre à l'échange de chaleur. De tels éléments fabriqués en céramique crue seraient empilés, puis jointoyés et cuits ensemble, de façon à constituer un empilage homogène. De tels éléments seraient de structure analogue à celle d'échangeurs métalliques connus, où les fluides chaud et froid passent alternativement dans les espaces compris entre deux plaques successives, mais leur fabrication en matière céramique, avec une étanchéité complète, serait malaisée. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients cidessus, et de procurer un procédé de fabrication d'éléments d'échange indirect de chaleur en céramique qui soit simple, peu coûteux et ne nécessite pas une surveillance attentive pour obtenir des éléments satisfaisants. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on extrude un matériau céramique cru selon une configuration comportant des canaux parallèles, en ce que l'on pratique aux extrémités d'au moins une première série desdits canaux, destinés à être parcourus par l'un des fluides en échange indirect de chaleur, des orifices d'admission et d'évacuation d'un fluide dans ladite série de canaux, d'axes perpendiculaires à la direction commune desdits canaux, et en ce que l'on soumet l'élément muni desdits orifices à une cuisson lui conférant la résistance mécanique désirée. Selon une première variante de réalisation, on extrude le matériau céramique cru selon une configuration à maille polygonale, comportant des canaux cylindriques à chaque sommet des mailles, et l'on pratique les orifices d'admission et d'évacuation sur lfr extrémités des cloisons des mailles reliant les canaux cylindriques. De préférence, la configura hon est à maille carrée, comportant des canaux cylindriques à chaque sommet des mailles. Selon une deuxième variante de réalisation, on extrude le matériau céramique cru selon une configuration à maille rectangulaire, et l'on pratique les orifices d'admission et d'évacuation sur les extrémités d'une rangée sur deux desdites mailles rectangulaires. L'invention s'étend en outre à un élément d'échange indirect de cha. ar obtenu par le procédé défini ci-dessus, ainsi qu'a un échangeur de chaleur obtenu par assemblage longitudinal et/ou transversal (en faisceau) de tels éléments. De préférence, l'échangeur ainsi formé comporte en outre une enveloppe interne en matériau céramique et une enveloppe externe métallique, séparées par une couche de matériau calorifuge, l'enveloppe externe métallique étant composée de tôles élémentaires serrées sur le matériau calorifuge. Il est décrit ci-après, à titre d'exemples et en référence aux figures du dessin annexé, deux éléments d'échange de chaleur selon l'invention, un dispositif d'admission des fluides à l'extrémité d'un élément comportant des tubes cylindriques, et un échangeur formé par assemblage de tels éléments. La figure 1 représente en perspective un élément à maille carrée, aux sommets de laquelle sont disposés des tubes cylindriques. La figure 2 représente en perspective un élément à maille rectangulaire. La figure 3 représente en perspective éclatée un dispositif d'admission ou d'évacuation des fluides à l'extrémité d'un élément selon la figure 1. La figure 4 représente en plan, vu d'une extrémité, un échangeur de chaleur composé par assemblage en un faisceau de quatre éléments selon la figure 1, avec ses enveloppes céramique et métallique. L'élément de la figure 1 est à maille carrée 1 munie à ses sommets de tubes cylindriques 2, 3, et à cloisons telles que 4, 5. Il est obtenu par extrusion d'une pâte céramique crue, puis cuisson de celle-ci. L'un des fluides y circule à l'intérieur des tubes, dans lesquels il entre dans le sens indiqué par les flèches 6, et dont il sort dans le sens des flèches 7. Le second fluide pénètre dans l'élément dans le sens des flèches 8, entre à l'intérieur des mailles par les orifices tels que 9, circule dans les mailles en contre-courant du premier fluide, puis sort de l'élément par les orifices tels que 10, dans le sens des flèches 11. La transmission de chaleur s'effectue donc le long des parois des tubes cylindriques. Les orifices 9 et 10 sont soit percés en cru par les technologies usuelles, soit éventuellement après cuisson, par ultra-sons, rayonnement laser, etc... L'élément de la figure 2 est à maille rectangulaire. Les fluides en échange de chaleur y circulent à contre-courant par couches alternées. Un premier fluide pénètre dans une maille telle que 12 dans le sens de la flèche 13, y circule vers l'arrière et en ressort dans le sens de la flèche 14. Le second fluide circule dans une maille adjacente telle que 15. Il y pénètre dans le sens de la flèche 16 par des orifices tels que 17, et ressort dans la partie avant de l'élément par des orifices tels que 18, dans le sens de la flèche 19. Les surfaces d'échange de chaleur sont dans ce cas les surfaces planes séparant les différentes couches des mailles.On comprend bin entendu que le premier fluide pourrait aussi pénétrer dans les mailles outil parcourt par des ouvertures latérales, et non plus parallèlement à l'axe de l'élément. Le dispositif d'étanchéification à l'admission ou à l'évacuation repré sente en perspective éclatée en figure 3 est destiné à coiffer l'extrémité d'un élément 20 tel que celui de la figure 1, à cloisons 21 reliant des tubes 22 de circulation d'un premier fluide se terminant par des embouchures 23, età orifices latéraux 24, 25 d'admission du second fluide circulant entre les tubes. La première pièce du dispositif d'admission est la pièce 26 destinée à enserrer l'extrémité supérieure de l'élément 20. Elle comporte des évidements h icyllndriques internes 27 pour le logement de la partie externe des tubes périphériques tels que 23, et des trous d'axe horizontal 28 et 29 destinés à venir en regard des trous 24 et 25 des cloisons de l'élément 20, destinés à permettre l'admission ou l'évacuation du fluide destiné à circuler autour dol tubes. Le dispositif est enfin complété par une plaque d'extrémité 30, percée de trous 31 d'axe vertical correspondant aux tubes de l'élément 30, pour l'admission ou l'évacuation du fluide destiné à circuler dans les tubes. Un échangeur à éléments à maille rectangulaire tel que celui de la figure 2 pourra être muni d'un dispositif d'admission ou d'évacuation et d'étanchéification analogue. L'échangeur à 4 éléments juxtaposés représenté en plan vu de dessus en figure 4 se compose de 4 éléments tels que 40, groupés en carré, et comportant des ouvertures 41 pour l'admission de l'un des fluides dans les tubes. Ces quatre éléments sont entourés d'une enveloppe céramique 42 en le même matériau que les éléments 40, noyée dans un matériau isolant 43, lui-même enserré dans une enveloppe métallique 44. Le serrage de l'enveloppe métallique sur l'isolant est assuré aux angles 45 à l'aide de boulons et d'écrous, et limité par des ressorts (ces boulons, écrous et ressorts tétant pas représentés). Des orifices latéraux 46,47 de l'enveloppe céramique, disposés respectivement en haut et en bas de celle-ci, permettant l'admission et l'évacuation du fluide d'échange de chaleur circulant autour des tubes, respectivement dans les éléments de droite et de gauche due l'échangeur. Bien entendu, l'échangeur lui-même peut comporter plusieurs éléments tels que 40, superposés perpendiculairement au plan de la figure 4, et assemblés à l'aide de pièces intermédiaires d'étanchéité, du même genre que la pièce 26 de la figure 3, mais naturellement sans trous latéraux. Des échangeurs en matériau céramique selon l'invention conviennent spécialement bien, du fait de leur structure modulaire permettant de les assembler en fonction de l'espace disponible, comme échangeurs pour moteurs à turbine, où le matériau de l'échangeur doit résister à des températures élevées, de l'ordre de 12000 à 14000C. Ils peuvent être alors par exemple en nitrure de silicium, mais aussi en mullite, en cordiérite ou en nitrure de silicium modifié par l'aluminium et l'oxygène, du type appelé SiAlON. Mais ils s'appliquent aussi à d'autres opérations industrielles, par exemple à la récupération de chaleur de gaz de fours. Bien que les éléments d'échange de chaleur, les échangeurs obtenus par assemblage de ceux-ci, et leurs procédés de fabrication décrits en référence aux figures du dessin paraissent préférables, on comprendra que diverses modifications peuvent leur être apportées sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, on pourrait fabriquer des éléments à tubes polygonaux et/ou à maille polygonale, par exemple hexagonale. Les trous circulaires d'admission ou d'évacuation des fluides pourraient être remplacés par des fentes rectangulaires. REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication d'un élément d'échange indirect de chaleur en matière céramique, caractérisé en ce que l'on extrude un matériau céramique cru selon une configuration comportant des canaux parallèles (1, 2, figure 1), en ce que l'on perce aux extrémités d'au moins une première série desdits canaux, destinés à être parcourus par l'un des fluides en échange indirect de chaleur, des orifices d'admission (g) et d'évacuation (10) d'un fluide dans ladite série de canaux, d'axes perpendiculaires à la direction commune desdits canaux, et en ce que l'on soumet l'élément a une cuisson lui conférant la résistance mécanique désirée. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on extrude le matériau céramique cru selon une configuration à maille polygonale, comportant des canaux cylindriques (2, 3) à chaque sommet des mailles, et en ce que l'on pratique les orifices d'admission et d'évacuation (9, 10) sur les extrémités des cloisons des mailles reliant les canaux cylindriques. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on extrude le matériau céramique selon une configuration à maille carrée, comportant des canaux cylindriques à chaque sommet des mailles. 4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on extrude le matériau céramique cru selon une configuration à maille rectangulaire, et:en ce que l'on pratique les orifices d'admission (17, figure 2) et d'évacuation (18) sur les extrémités d'une rangée sur deux desdites mailles rectangulaires. 5/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on perce les orifices d'admission et d'évacuation sur l'élément en matériau céramique cru. 6/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on perce les orifices d'admission et d'évacuation sur l'élément après sa cuisson. 7/ Elément d'échange indirect de chaleur en matériau céramique, obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 6. 8 échangeur indirect de chaleur en matériau céramique, caractérisé en ce qu'il est constitué par assemblage longitudinal et/ou transversal d'éléments selon la revendication 7. 9/ Echangeur indirect de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une enveloppe interne en matériau céramique (42, figure 4) et une enveloppe externe métallique (44) séparées par une couche de matériau calorifuge (43), l'enveloppe externe métallique étant composée de tôles élémentaires serrées sur le matériau calorifuge.