Brevet FR2473694A1 — publié le 19810717

Echangeur de chaleur à plaques La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur comprenant plusieurs plaques empilées pour définir entre elles des passages étanches destinés à deux fluides d'échange thermique mutuel. Dans les échangeurs de chaleur à plaques classi- ques, tous les passages d'échange de chaleur (ou du moins tous les passages destinés au même fluide) présentent des conditions d'écoulement identiques. Cela signifie que le débit et la perte de charge seront généralement les mêmes pour tous les passages. Cela s'applique même aux passages qui ne sont délimités que d'un seul côté par une plaque d'échange de chaleur, c'est-à-dire habituel- lement les passages extrêmes de l'échangeur de chaleur. Si on compare ces passages extrêmes avec les autres passages,qui sont délimités des deux côtés par des pla- ques d'échange thermique, on voit que le débit et la perte de charge y sont les mêmes, tandis que la surface d'échange de chaleur est seulement moitié. Pour cette raison, on voit facilement que le changement de tempé- rature dans les passages extérieurs sera inférieur à celui dans les passages intermédiaires, puisque le trans- fert de chaleur vers les passages extrêmes ou a partir d'eux sera seulement la moitié de celui des autres passages. Ce résultat est désavantageux pour plusieurs raisons. Tout d'abord, les conditions ci-dessus mention- nées se traduisent par un traitement thermique différent des différentes fractions d'un même fluide. Cela peut à son tour avoir un effet défavorable sur la qualité d'un produit traité dans un échangeur de chaleur à plaques. Ensuite, les faces d'échange de chaleur de l'échangeur de claleur ne sont pas utilisées avec une efficacité aussi élevée que possible, ce qui a une importance économique, surtout lorsqu'on utilise un matériau coûteux pour cons- tituer les plaques. De plus encore, la température dans certains passages supplémentaires adjacents aux passages extrêmes est aussi affectée. Cet effet décroît progressivement au fur et à mesure qu'augmente la -2distance à partir des passages extrêmes, c'est-à-dire d'habitude à partir des extrémités de l'empilement de plaques. La présente invention vise notamment à éliminer les défauts mentionnés ci-dessus des échangeurs de chaleur à plaques suivant l'art antérieur. Dans ce but, l'inven- tion propose un échangeur de chaleur du genre ci-dessus défini, caractérisé par au moins un passage limité sur une seule de ses faces par une plaque d'échange de chaleur et aui présente une résistance à l'écoulement supérieure à celle des autres passages destinés au même fluide. On a constaté que, grâce à un échangeur de chaleur suivant l'invention, on peut obtenir une modi- fication de température sensiblement égale dans tous les passages d'un même fluide, de sorte que le fluide subit un traitement thermique identique dans tous les passages. On voit aisément que la qualité d'un produit traité dans l'échangeur de chaleur peut ainsi être améliorée et qu'on peut également utiliser de façon efficace toutes les surfaces d'échange thermique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et se réfère aux dessins qui l'accompagnent. Sur les dessins - les figures 1 et 2 sont des coupes schématiques d'échangeurs de chaleur à plaque traditionnels; - la figure 3, similaire aux figures 1 et 2, montre-une coupe correspondante d'un échangeur de chaleur constituant un mode particulier, non limitatif, de mise en oeuvre de l'invention; et - les figures 4 et 5 sont des vues schématiques, en perspective éclatée, montrant deux modes de réalisation de l'échangeur de chaleur suivant l'invention. L'échangeur de chaleur de type classique montré en figure 1 comprend sept plaques 1-7 qui délimitent entre elles six passages d'échange thermique 914. Un fluide A circule à travers trois passages 10, 12 et 14 et échange de la chaleur avec un fluide B qui s'écoule par les autres passages 9, 11 et 13. -3- Parmi les trois passages 10, 12 et 14 destinés au fluide A, les deux premiers sont limités des deux côtés par des plaques d'échange de chaleur 2, 3 et 4, , respectivement. Au contraire le passage 14 n'est limité par une telle plaque 6 que d'un seul côté. On voit immédiatement que le changement de température dans le passage 14 est considérablement inférieur au changement dans les passages 10 et 12, si les débits dans les trois passages sont les mêmes. La situation est similaire pour le fluide B: les passages Il et 13 sont limités des deux côtés par des plaques d'échange thermique, tandis que le fluide circulant dans le passage 9 n'échange de chaleur qu'à travers la plaque 2. L'échangeur de chaleur classique montré en figure 2 est le même que celui de la figure 1, si ce n'est qu'il comporte une plaque supplémentaire 8, formant un passage d'échange thermique supplémentaire pour le fluide B. Dans ce cas, tous les -assages 10, 12 et 14 destinés au fluide A sont limités des deux côtés par des plaques d'échange thermique. Malgré cela, les changements de température ne seront pas identiques dans ces passages. Puisque la température dans les passages externes 9 et 15 pour lesquels il n'y a échange de chaleur que d'un seul côté diffère de la température dans les passages 11 et 13 pour le même fluide, la température dans les passages adjacents 10 et 14 sera également influencée et en conséquence sera différente de celle qui règne dans le passage 12. La figure 3 montre un échangeur de chaleur suivant l'invention qui comporte huit plaques telles que 20, délimitant entre elles sept passages 21-27. Les passages externes 21 et 27 sont représentés plus étroits que les passages intermédiaires, de façon à indiquer que la résistance à l'écoulement est plus élevée dans les passages externes, de sorte que le débit qui les traverse soit environ moitié de celui qui traverse les passages intermédiaires. Les débits dans -4- les passages extrêmes ayant ainsi été adaptés à leur surface d'échange thermique, le changement de température qui y interviendra sera sensiblement égal à celui des passages intermédiaires 21 à 25 pour le même fluide B. Dans les passages 22, 24 et 26, destinés à l'autre fluide A, les changements de température seront tous égaux. Un produit traité dans un tel échangeur de chaleur sera donc soumis au même traitement thermique dans tous les passages. On a mortré sur la figure 3 des passages extrêmes rétrécis pour réduire l'écoulement qui les parcourt. D'autres solutions avantageuses pour obtenir le même effet sont montrées en figures 4 et 5. L'échangeur de chaleur montré schématiquement, en vue perspective éclatée, sur la-figure 4, est constitué par assemblage de deux types de plaques différents et 31, respectivement. Ces plaques sont munies d'ondu- lations ou de corrugatione suivant une disposition dite en arêtes de poisson. Une'ondulation est indiquée schéma- tiquement en 30a et 3sa. La figure montre que les ondula- tions 30a des plaques 40 forment avec l'axe longitudinal des plaques un angle plus important que les ondulations 31a des plaques 31. On supposera que l'écartement des plaques-est constant. Tout technicien dans le domaine considéré sait qu'un angle important provoque une résistance à l'écoulement plus élevée qu'un angle faible. Les deux passages extrêmes sont limités des deux côtés par des plaques 30 ayant un angle d'ondulation élevé, tandis que tous les autres passages sont limités, d'un côté, par ure plaque 30 et, de l'autre côté, par une plaque 31, cette dernière ayant un angle d'ondulation faible. La résistance à l'écoulement est en conséquence plus rlevAe dans les passages externes que dans les autres. Les débits y sont réduits en conséquence. On obtient ainsi la réduction désirée des débits dans les passages extrêmes, de sorte que le changement de tempéra- ture sera le même dans tous les passages destinés au même fluide. - 5 - L'empilement de plaques illustré en figure est constitueé par assemblage de plaques 30 et 31 du même genre que celles montrées en figure 4 mais, dans ce cas, on n'utilise que deux plaques 30 ayant un angle important des ondulations par rapport à l'axe. Ces deux plaques 30 sont disposées dans les deux positions extrêmes. Toutes les plaques intermédiaires 31 ont un angle faible des ondulations. Les deux passages extrêmes sont ainsi limités, d'un côté par une plaque 30 ayant un angle des ondulations élevé et, de l'autre côté, par une plaque 31 ayant un angle des ondulations faible. Ces passages présertent donc une résistance élevée à l'écoulement et sont parcourus par un débit réduit en conséquence, plus faible que dans les passages intermé- diaires qui sont limités par deux plaques ayant un angle faible des ondulations. L'invertion ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été décrits à titre d'exemples et il doit être entendu que la nortée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. - 6- Revendications - 1. Echangeur de chaleur comprenant plusieurs plaques (20, 30, 31) empilées pour définir entre elles des passages étanches destinés à deux fluides d'échange thermique (A, B), caractérisé par au moins un passage (21, 27) limité sur une seule de-ses faces par une plaque d'échange de chaleur et qui présente une résis- tance à l'écoulement supérieure à celles des autres passages destinés au même fluide. 2. Echangeur de chaleur suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la résistance à l'écoulement dans ledit passage est adaptée de façon que le débit qui le parcourt soit environ moitié du débit dans les autres passages destinés au même fluide. 3. Echangeur de chaleur suivant la reverdica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que les-plaques sont munies d'ondulations en arêtes de poisson, et en ce que les ondulations des deux plaques extrêmes font avec l'axe longitudinal de la plaque un angle plus important que les ondulations des plaques intermédiaires. 4. Echangeur de chaleur suivant la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que les plaques sont munies d'ondulations en arêtes de poisson, en ce que les passages extrêmes sont délimités par deux plaques dont les ondulations font le même angle avec l'axe longitudinal des plaques, tandis que les autres passages sont délimités d'un côté par une.plaque dont les ondula- tions font le même angle que sur les plaques extrêmes, de l'autre côté, par des plaques dont les ondulations font avec l'axe un angle -ous faible.