Brevet FR2458784A1 — publié le 19810102

La présente invention concerne des échangeurs de chaleur à plaques. Tel qu'on l'entend d'habitude, un échangeur de chaleur à plaques contient un paquet dissociable de plaques munies de jointe, disposées face à face et à distance les unes des autres de manière à délimiter des espaces de circulation entre plaques voisines. Les plaques comportent des trous ou orifices alignés qui forment des passages pour l'arrivée et l'évacuation de fluides, le système de joints étant agencé de telle sorte que les passages d'alimentation et d'évacuation de l'un des fluides soient en communication avec un espace de circulation sur deux, tandis que ceux de l'autre fluide sont en communication avec les espaces de circulation in- termédiaires. Les plaques sont ordinairement formées par emboutissage de tôle de matières résistant à la corrosion, notamment l'acier inoxydable ou le titane. L'un des problèmes que l'on rencontre avec les échangeurs de chaleur à plaques, notamment avec ceux qui comportent un grand nombre de plaques parcourues en un seul passage, consiste en ce que le débit de l'un ou de l'un et l'autre des fluides n'est pas distribué uniformément entre les espaces de circulation disposés en parallèle. Ce phénomène est connu sous le nom de pertes des orifices et il se traduit par des écarts par rapport aux performan- ces définies au projetage et, le cas échéant, par des altérations des liquides traités, par exemple des liquides à usage alimen- taire,-qui peuvent être sujets à la dégradation thermique. Le sous-emploi de certains espaces de circulation donne lieu à une chute de pression inutilement élevée à travers l'échangeur de chaleur avec, en conséquence, un gaspillage d'énergie ou une réduction du débit. La nature du défaut de distribution varie avec la disposition. Avec une disposition symétrique ou en U, dans laquelle l'arrivée et le départ du fluide en question se trouvent à la même extrémité du paquet de plaques définissant le passage, le chemin de circula- tion le plus aisé, qui est donc emprunté de préférence, est constitué par les passages d'écoulement les plus voisins de l'ex- trémité d'arrivée et de départ. Avec une disposition asymétrique ou en Z, il se pose un problème différent. Pour bien comprendre la distribution dans les orifices ou conduits d'un échangeur de chaleur à plaques, il est nécessaire de considérer chaque conduit comme un tuyau très rugueux ou inégal. Il en résulte un effet de chute de pression le long du conduit d'arrivée dans le sens de l'éloignement de l'extrémité d'entrée et le long du conduit de départ dans le sens du rappro- chement de l'extrémité de sortie. En outre, il se produit un effet de force d'impulsion résultant de la variation de vitesse d'écoulement du fluide, à savoir une chute de la vitesse d'écou- lement dans le conduit d'arrivée dans le sens de l'éloignement de l'extrémité d'entrée et une augmentation de vitesse dans le conduit de départ dans le sens du rapprochement de l'extrémité de sortie. Les variations de pression dues à ces effets sont en sens opposés dans le conduit d'arrivée, ce qui donne lieu à un effet de différence. Par contre, elles sont dans le même sens dans le conduit de départ, ce qui donne lieu à un effet d'addi- tion. Le résultat net de cela, dans le cas d'lune disposition en U (symétrique) des plaques, est une pression passablement constan- te, soit légèrement décroissante, soit légèrement croissante, le long du conduit d'arrivée dans le sens de l'éloignement de l'ex- trémité d'entrée. Dans le conduit de départ, la pression tombe rapidement en direction de l'extrémité-de sortie qui est la même que l'extrémité d'entrée du conduit d'arrivée. En conséquence, la chute de pression la plus forte se produit au voisinage de l'extrémité d'entrée et de sortie du paquet, ce qui fait que la circulation s'établit préférentiellement au niveau ou au voisinage de cette extrémité du paquet et que les espaces de circulation à l'autre extrémité sont partiellement privés d'aliiaentation. Dans le cas d'échangeurs de chaleur comportant un nombre relativement petit de plaques, par exemple jusqu'à quelques douzaines, ce phénomène n'est peut-être pas aussi marqué qu'il l'est avec un grand nombre de plaques parcourues en un passage, par exemple quelques centaines. La présente. invention vise à apporter une solution au problème de distribution dans un échangeur de chaleur à plaques à disposition en U ou symétrique. D'après la présente invention, il est prévu un échangeur de chaleur à plaques, contenant un paquet de plaques disposées face à face et à distance les unes des autres de manière à délimiter des espaces de circulation entre plaques voisines, les plaques comportant des trous alignés qui forment des conduits pour l'arrivée et l'évacuation de fluides vers et à partir des espaces de circulation, la disposition des conduits pour l'un au moins des fluides étant symétrique ou en U, les conduits d'arrivée et de départ étant alimentés et évacués par la même extrémité du paquet, cet échangeur étant caractérisé par le fait qu'une pièce rapportée est disposée dans le conduit d'arrivée prévu pour ce fluide au moins, afin d'aider à la distribution du fluide le long du paquet de plaques. en augmentant le débit vers les espaces de circulation voisins de l'extrémité du paquet située à distance de l'extrémité d'entrée du conduit d'arrivée. Le r8le fondamental de la pièce rapportée est de restreindre dans une mesure limitée l'accès du fluide aux espaces de circu- lation les plus voisins de l'extrémité d'entrée et d'établir des chemins d'écoulement plus aisés vers les espaces de circula- tion situés à distance de l'extrémité d'entrée. Dans une forme de réalisation préférée, la pièce rapportée comprend un tube généralement coaxial avec le conduit, ménageant un espace limité à l'extérieur du tube pour l'alimentation des espaces de circu- lation les plus voisins, tandis que le débit d'alimentation des A. autres espaces de circulation est beaucoup plus grand au-delà de l'extrémité du tube. Le tube peut comporter des ailettes longitudinales extérieures qui s'étendent sur une partie de la longueur du tube à partir d'un point voisin de l'extrémité d'en- trée, ailettes dont le rôle est non seulement de supporter le tube, mais aussi de fractionner davantage encore l'écoulement, de manière à offrir un chemin d'écoulement plus aisé vers les espaces de circulation situés au-delà des extrémités des ailettes. Un anneau torique, généralement radial, peut être prévu sur la longueur du tube pour empêcher le reflux à partir de son c8té aval. le tube peut présenter une ouverture dans la région de l'anneau torique pour produire un débit accentué au voisinage immédiat de l'anneau torique. De préférence, le tube s'arrête à une certaine distance de l'extrémité du conduit et il peut être maintenu en place au moyen de tiges longitudinales qui s'étendent entre le tube et une plaque d'extrémité. Une courte bande de prolongement peut être prévue pour redresser l'écoulement entre l'extrémité aval du tube et la plaque d'extrémité, afin de favoriser l'écoulement vers l'ex- trémité interne du conduit. Etant donné qu'il peut exister un gradient de pression plus marqué dans le conduit de départ que-dans le conduit d'arrivée, une autre pièce rapportée peut être disposée dans le conduit de départ, dans le but d'accroître le débit à distance de l'extré- mité de sortie pour réduire le gradient de pression et favoriser encore l'écoulement dans les espaces de circulation voisins de l'extrémité de sortie. Cette pièce rapportée supplémentaire peut se présenter elle aussi sous la forme d'un tube comportant une ouverture d'entrée dans sa paroi et débouchant dans le conduit de départ en direc- tion de l'extrémité de sortie de de dernier. Ce tube peut compor- ter un anneau torique pour empêcher un écoulement le long de sa surface extérieure. Il va de soi que la forme effective de la pièce rapportée ou 2458784 de chaque pièce rapportée dépendra des caractéristiques d'écoule- ment de l'échangeur de chaleur, déterminées par les paramètres de fonctionnement, notaiment le nombre et la dimension des plaques, les pressions de service, la viscosité des fluides, etc. L'invention est ciaprès décrite de façon plus détaillée, en référence aux dessins schématiques annexés. La fig.la est une représentation schématique d'un échangeur de chaleur a plaques à disposition symétrique ou en U. La fig. lb est une représentation graphique des gradients de pression dans les conduits d'arrivée et de départ d'un système en U. La fig. lc représente le schéma d'écoulement résultant à travers les espaces de circulation. La fig. 2 est une vue en coupe, montrant des pièces rappor- tées dans les conduits d'arrivée et de départ d'un échangeur de chaleur à plaques à disposition en U. La fig. 3 est une vue en élévation d'une pièce rapportée semblable à celle qui est représentée dans le conduit d'arrivée sur la fig. 2. La fig. 4 est une vue d'extrémité en élévation de la pièce rapportée de la fig. 3. La fig. 5 est une vue en coupe, faite selon la ligne V-V de la fig. 3. La fig. 6 est une vue en élévation d'une pièce rapportée semblable à celle qui est représentée dans le conduit de départ sur la fig. 2. La fig. 7 est une vue faite selon la ligne VII-VII de la fig. 6. Pour se référer tout d'abord aux fig. la, lb et lc, la fig. la est un schéma représentant dans ses grandes lignes le mode de circulation dans un échangeur de chaleur à plaques typique à disposition symétrique (disposition en U). Un fluide pénètre par un orifice d'entrée 1 dans le sens indiqué par la flèche 2, s'engage dans les espaces de circulation disposés en parallèles et indiqués par les lignes 3, puis pénètre dans un orifice ou conduit de départ 4 et sort dans le sens indiqué oar la flèche 5. On n'a indiqué par les lignes 3 qu'un nombre rela- tivement petit d'espaces de circulation, étant bien entendu qu'un passage peut comprendre quelques centaines de plaques. Il y a lieu de noter aussi qu'on n'a représenté que les espaces de cir- culation pour un fluide et que ceux-ci sont imbriqués avec des espaces de circulation pour l'autre fluide. Sur la fig. lb, la cour- be 6 représente le gradient de pression dans le conduit de départ 4, la chute de pression étant indiquée sous forme de quantité positive. La courbe 6 montre que la pression tombe, c'est-à-dire que la chute de pression augmente très rapidement vers l'extrémité de sortie dans le sens de la flèche 5, en raison de l'effet addi- tif de la résistance de frottement due aux caractéristiques de tuyau rugueux du conduit 4, et de la chute de pression due à l'augmentation de vitesse d'écoulement avec l'accroissement des volumes qui pénètrent dans le conduit 4 au fur et à mesure qu'on s'approche de l'extrémité de sortie. Sur une base analogue, la courbe 7 représente le gradient de pression dans le conduit d'ar- rivée 1, la ligne de base 8 correspondant à la pression à l'ad- mission. Co.mme on l'a déjà expliqué, la chute de pression due à la résistance à l'écoulement et l'augmentation de pression due à l'effet de force d'impulsion agissent en sens inverses et, en effet, la pression à l'extrémité distale du conduit d'arrivée 1 est un peu plus élevée que la pression à l'admission. Le diffSé- rence entre les deux courbes est donc la chute de pression à travers l'espace de circulation lui-même au point considéré, et il est visible que la chute de pression est assez importante à proximité de l'extrémité d'entrée et s'abaisse à un niveau beau- coup plus bas à la hauteur des espaces de circulation situés à distance de l'extrémité d'entrée. Dans ces conditions, le débit est beaucoup plus important dans les plaques voisines de cette extrémité, ce oaui est illustré par la lig. lc qui représente une distribution typique du débit, entre le bas niveau sur les plaques situées à gauche et 'L" niveau beaucoup plus élevé sur 351es plaques situées c droite, ' proximité de l'entrée et de la sortie. Il est visible par exemple cue le débit à travers. les plaques d'entrée est approximativement trois ou quatre fois plus grand que le débit à travers les plaques situées à dis- tance de l'arrivée. Ces résultats ont été obtenus à partir de mesures expérimen- tales et ils sont présentés sans dimensions ni valeurs, car celles-ci varient beaucoup avec les grandeurs particulières adoptées pour les divers paramètres, mais on retiendra que la tendance est généralement la même avec une disposition en U ou symétrique. La fig. 2 est un schéma qui représente en coupe un système de plaques en U avec, pour simplifier le dessin, un nombre assez petit de plaques, étant bien entendu que dans la pratique, l'in- vention est susceptible d'être appliquée à des échangeurs de chaleur conmortant un nombre beaucoup plus élevé de plaques que la vingtaine qui a été indiquée à titre d'illustration. Là encore, le conduit d'arrivée est désigné par 1 et les espaces de circula- tion qui s'y raccordent sont désignés par 3, le sens du courant dans ces espaces étant indiqué par des flèches. Le conduit de départ est désigné par 4. Les espaces de circulation interposés sont désignés par 10. Sur la fig. 2, on peut également voir dans le conduit d'arrivée une pièce rapportée désignée dans l'ensemble par 9 et représentée avec plus de détails sur les fig. 3 à 5. Dans le conduit de départ 4 est représentée une pièce rapportée de contr8le d'écoulement Il que les fig. 6 et 7 illustrent de façon plus détaillée. Le rÈle des pièces rapportées 9 et 11 est de modifier la configuration d'écoulement, de telle sorte que la chute de pression soit pratiquement la même sur toute l'éten- due de chacun des espaces de circulation 3, ce qui se traduit Dar une neilleure utilisation de la capacité disponible de l'échan- geur de chaleur dans son ensemble et par une plus grande unifor- mité du transfert de chaleur. Ce résultat est atteint dans l'es- sentiel par l'établissement d'obstacles ou de restrictions à l'écoulement à travers les espaces de circulation 3 au voisinage de l'extrémité d'entrée du conduit 1, et par des dispositions favorisant l'écoulement vers les espaces de circulation 3 situés à distance de cette extrémité. On a cherché à y parvenir au moyen de la pièce rapportée 9, qui sera ciaprès appelée distributeur, tandis que la pièce rapportée 11, qui peut être qualifiée de collecteur, a pour rôle fondamental d'augmenter la vitesse d'écou- lement dans le conduit de départ 4 dans le région des espaces de circulation situés à distance de l'extrémité d'entrée et de sortie, de manière à réduire la chute de pression due à l'effet de force d'impulsion. On se référera également aux fig. 3 à 5 pour décrire avec -10 plus de détails le distributeur 9. In est visible qu'il comprend un tube cylindrique 12 qui s'étend depuis un point voisin de l'extrémité d'entrée du conduit 1 jusqu'à un point situé à quelque 3/5 (60 %) de la longueur de ce conduit. Sa position dans la direction longitudinale du conduit 1 est maintenue au moyen d'une bague de positionnement 13 fixée (par des moyens non représentés) à la platine mobile 14 de l'échangeur de chaleur. La bague de positionnement 13 est reliée au tube 12 par des tiges 13a qui s'étendent longitudinalement. Le diamètre du tube 12 est choisi en fonctions des exigences de débit, mais sa fonction essentielle est d'assurer qu'une fraction importante du fluide pénétrant dans le conduit 1 parcourra intérieurement la longueur du tube en direction de l'extrémité distale du conduit et qu'une petite fraction passera à l'extérieur du tube et, par suite, pourra s'engager dans les espaces de circulation 3 proches de l'extrémité d'entrée. Le tube 12 estéquipé d'ailettes radiales extérieures 15, qui sur le dessin sont au nombre de cinq et qui ont pour double fonction de supporter le tube 12 en position sensiblement coaxiale à l'intérieur du conduit 1, mais aussi de contrôler et de cloisonner le courant le long de la surface extérieure du tube 12, de telle sorte qu'une certaine proportion du liquide qui s'écoule initialement à l'extérieur du tube soit empêchée de pénétrer dans les quelques premiers espaces de circu- lation et soit acheminée vers une zone annulaire 16 située pra- tiquement dans la zone médiane du paquet en direction longitudinale. fin d'éviter un reflux trop important depuis l'extrémité de sortie du tube 12, celui-ci est muni extérieurement d'un anneau torique 17 qui a en même temps un certain râle porteur. rine partie du liquide qui sort par l'extrémité ouverte du tube 12 reflue alors vers l'anneau torique 17 et le reste est projeté en avant vers l'extrémité distale du paquet. Afin de garantir la présence d'un écoulement important le long de l'axe central du conduit 1 après que le fluide est sorti du tube 12, une courte lame 18 de prolongement ou de redressement du courant est montée sur les tiges 13a. En outre, afin d'éviter que les espaces de circulation situés au voisinage immédiat de l'anneau torique 17 soient excessivement privés d'alimentation, le tube peut être muni d'une simple fente 19 dans la région de l'anneau torique pour permettre à une certaine partie du courant de quitter le volume intérieur du tube à ce niveau. Pour se référer maintenant aux fig. 6 et 7 qu'il y a égale- ment lieu de considérer en liaison avec la fig. 2, il est visible que le collecteur comprend essentiellement un tube qui s'étend depuis l'extrémité distale du conduit de départ 4 vers l'extré- mité de sortie. Son extrémité distale fermée est rattachée à une bague de positionnement 21 qui est fixée, par des moyens non représentés, à la platine mobile 14. Le tube occupe une part importante de la surface totale en coure Transversale du conduit 4, ce qui produit une augmentation importante de la vitesse d'écou- lement effective du fluide issu des espaces de circulation 3. Un anneau torique de support et de blocage 22 est monté sur le tube, de telle sorte que le fluide qui parcourt certains des espaces de circulation 3 soit obligé de s'écouler en sens inverse le long du conduit 3 avant de s'engager dans une ouverture 23 débouchant à l'intérieur du tube. Le fluide provenant des derniers espaces 3, c'est-à-dire des espaces les plus éloignés, est également amené à s'écouler à l'extérieur du tube avant d'at- teindre l'ouverture 23. L'espace ou les espaces de circulation oui débouche(nt) juste en aval de l'anneau torique 22 dans le conduit 4 se déversent également dans mi espace restreint ména- gé extérieurement autour du tube, si bien que là encore, la vitesse d'écoulement est accrue et qu'à l'endroit o ce courant se réunit au courant oui a parcouru l'intérieur du tube, c'est- à-dire sur toute l'étendue de la section du tube 4, la vitesse d'écoulement a déjà atteint un niveau assez élevé. En tout cas, les espaces de circulation 3 qui débouchent dans cette zone sont ceux qui, normalement, sont les moins privés d'alimentation. L'utilisation du distributeur 9 et du collecteur 11 a donc tendance a améliorer l'écoulement et il a été également constaté que le courant à l'intérieur des tubes constituant le distribu- teur et le collecteur est moins soumis au frottement sur la surface très inégale des conduits, formée par les bords des plaques successives et par les joints interposés entre celles-ci. Il a été constaté qu'en conséquence de la meilleure distri- bution résultant de l'utilisation d'un distributeur et d'un collecteur, le rendement hydraulique global de l'échangeur de chaleur est amélioré, la chute de pression additionnelle due au total à l'introduction de restrictions ou d'obstacles étant largement, sinon comolètement compensée par une réduction de la chute de pression provenant du meilleur usage des espaces de circulation qui sont ordinairement privés d'alimentation. Diverses modifications peuvent 8tre introduites dans le cadre de l'invention. Par exemple, la fente 19 dans le distribu- teur peut, si on le désire, être prolongée jusqu'à l'extrémité du tube 12 en aval de l'anneau torique 17. Dans certains dispositifs, la fente 19 peut être également supprimée complètement. RE\NDICATIOtaS 1. Echangeur de chaleur à plaques, contenant un paquet de plaques disposées face à face et à distance les unes des autres de manière à délimiter des espaces de circulation entre plaques voisines, les plaques comportant des trous alignés qui forment des conduits pour l'arrivée et l'évacuation de fluides vers et à partir des espaces de circulation, la disposition des conduits pour l'un au moins des fluides étant symétrique ou en U, les conduits d'arrivée et de départ étant alimentés et évacués par la même extrémité du paquet, caractérisé en ce qu'une pièce rapportée (9) est disposée dans le conduit d'arrivée (1) prévu pour ce fluide au moins, afin d'aider à la distribution du fluide le long du paquet de plaques en augmentant le débit vers les espaces de circulation (3) voisins de l'extrémité du paquet située à distance de l'extrémité d'entrée du conduit d'arrivée. 2. Echangeur de chaleur à plaques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce rapportée (9) se présente sous la forme d'un tube (12) généralement coaxial avec le conduit (4), ménageant un espace limité à l'extérieur du tube pour l'alimen- tation des espaces de circulation (3) les plus voisins de l'en- -trée, tandis que le débit d'alimentation des autres espaces de circulation (3) au-delà de l'extrémité du tube (12) est beaucoup plus grand. 3. Echangeur de chaleur à plaques selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tube (12) conporte des ailettes longi- tudinales extérieures (15) qui s'étendent sur une partie de la longueur du tube (12) à partir d'ui point voisin de l'extrémité d'entrée, ailettes dont le râle est non seulemsnt de supporter le tube 1l lement, de manière à offrir un chemin d'écoulement plus aisé vers les espaces de circulation (3) situés au-delà des extrémités des ailettes (15). 4. Echangeur de chaleur à plaques selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'un anneau torique (17), généralement radial, est prévu en un point de la longueur du tube (12) pour empêcher le reflux à partir du côté aval de ce dernier. Echangeur de chaleur à plaques selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tube (12) comporte une ouverture (19) dans la région de l'anneau torique (17) afin de renforcer le débit au voisinage immédiat de l'anneau torique (17). 6. Echangeur de chaleur à plaques selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ouverture (19) s'étend des deux côtés de l'anneau torique (17). 7. Echangeur de chaleur à plaques selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'ouverture (19) se prolonge jusqu'à l'extrémité du tube (12) située à distance de l'extrémité d'en- trée. 8. Echangeur de chaleur à plaques selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le tube (12) s'arrête à une certaine distance de l'extrémité du conduit (1). 9. Echangeur de chaleur à plaques selon la revendication 8, caractérisé en ce que le tube (12) est positionné au moyen de tiges longitudinales (13a) qui s'étendent entre le tube (12) et une plaque d'extrémité (13). 10. Echangeur de chaleur à plaques selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'une courte bande de prolongement (18) est prévue pour redresser l'écoulement entre l'extrémité aval du tube (12) et la plaque d'extrémité (13), afin de favoriser l'écou- lement vers l'extrémité interne du conduit (1). 11. Echangeur de chaleur à plaques selon la revendication 9 ou , caractérisé en ce que la bande (18) est montée sur les tiges (13a). 12. Echangeur de chaleur à plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'une autre pièce rapportée (11) est disposée dans le conduit de départ (4), dans le but d'accroître la vitesse d'écoulement à distance de l'ex- trémité de sortie afin de réduire le gradient de pression et de favoriser encore l'écoulement dans les espaces de circulation S (3) au voisinage de l'extrémité de sortie. 13. Echangeur de chaleur à plaques selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'autre pièce rapportée (11) se présente sous la forme d'ul tube comportant une ouverture d'entrée (23) dans sa paroi et débouchant dans le conduit de départ (4) vers l'extrémité de sortie de celui-ci. 14. Echangeur de chaleur à plaques selon la revendication 13, caractérisé en ce que le tube (11) comporte un anneau torique (22) pour empêcher un écoulement le long de sa surface exté- rieure.