Brevet FR2465982A1 — publié le 19810327

1. La présente invention se rapporte au domaine tech- nique de la chaleur et plus précisément, aux échangeurs de chaleur à plaques. L'invention proposée peut être utilisée dans les échangeurs de chaleur "gaz-gaz", "liquide-gaz", "liquide- liquide" à destinations multiples, ainsi que dans les éva- porateurs et les condenseurs à air pour la condensation et l'évaporation de divers liquides, utilisés dans les ouvrages d'art, dans les industries automobile et des tracteurs, aé- 1Oronautique, de l'électricité, de la réfrigération, l'indus- trie chimique, ainsi que dans d'autres branches de l'indus- trie. Dans les constructions connues des échangeurs thermiques on utilise en tant que surfaces d'échange de cha- leur des surfaces gaufrées constituées par des canaux dont les sections transversales ont un profil rectangulaire ou en forme de trapèze complexe et ayant des arêtes courtes disposées dans la direction de l'écoulement de l'agent calo- porteur. Dans ce type de construction des surfaces gaufrées on obtient un maximum d'efficacité dans le déroulement du processus d'intensification de l'échange de chaleur du point de vue thermique et hydraulique. Avec un régime d'écoulement de l'agent caloporteur caractérisé par le rapport Re> Rek dans lequel Re est le nombre de Reynolds, Rek est la valeur critique du nombre de Reynolds à laquelle il se produit une perte primaire de la stabilité laminaire de l'écoulement de l'agent caloporteur, dans les canaux de la surface gau- frée aux bords des arêtes, il se produit un détachement du courant de l'agent caloporteur et l'apparition d'un système 3Ode tourbillons. Les systèmes de tourbillons ont une dimen- sion commensurable avec la moitié de l'épaisseur des ner- vures des gaufrages, se trouvent dans le courant voisin des parois à une distance de la paroi correspondant à la moitié de l'épaisseur des arêtes. Ainsi, une quantité d'énergie complémentaire amenée au courant de l'agent caloporteur afin de rendre plus intense l'échange de chaleur par convection dans les canaux d'une telle surface n'est utilisée que pour la formation de turbulences dans la coucne se trouvant à proximité de la paroi de l'agent caloporteur et non pour la 2. turbulence du noyau du courant. Il en résulte que dans la couche mince se trouvant à proximité de la paroi du canal o s'accumule la résis- tance thermique principale à l'émission de la chaleur tour- billonnaire la valeur de la conductibilité turbulente et la valeur de la densité du courant de chaleur qui est dé- terminée par celle-ci sont faibles. La présence d'un système tourbillonnaire dans la couche se trouvant à proximité de la paroi augmente brusquement la valeur de la viscosité tourbillonnaire, ce qui provoque une augmentation de la valeur de la conductibilité tourbillonnaire et, par consé- quent, de la valeur de la densité du courant de chaleur. Il en résulte que les canaux précités assurent en comparaison avec les canaux lisses une valeur élevée du coefficient de l'émission de chaleur à une consommation modérée de l'éner-_ gie utilisée pour rendre l'échange de chaleur par convec- tion plus intense. Tout cela permet de réduire sensiblement le volume, la masse et le prix des échangeurs de chaleur utilisant un tel type de surface d'échange de chaleur. Cependant, une diminution du volume et de la masse des échangeurs de chaleur à plaques est assurée non seule- ment à la suite de la réalisation dans leurs surfaces d'é- change de chaleur des processus intenses et très efficaces d'échange de chaleur par convection, mais aussi du fait de l'utilisation de types très compacts-de construction de surfaces d'échange de chaleur à plaques. Les constructions connues de surfaces d'échange de chaleur avec des arêtes disposées en direction de l'écoulement de l'agent calopor- teur ne présentent pas une compacité élevée. On connaît bien un échangeur de chaleur à plaques dans lequel on utilise une surface d'échange de chaleur gaufrée constituée par des courtes plaques orientées dans la direction d'écoulement de l'agent caloporteur dont les éléments ondulés ont un profil rectangulaire. Les éléments ont un sommet plat. Les éléments suivants dans la direc- tion de l'écoulement de l'agent caloporteur sont décalés par rapport aux précédents d'un demi-pas. Les éléments ondulés disposés l'un après l'autre sont rigidement fixés l'un à l'autre par l'intermédiaire des sommets plats. 3. Ainsi, il se forme une partie de raccordement de profil rectangulaire dont les côtés sont égaux à l'épais- seur du matériau des éléments ondulés et à la moitié de la largeur du sommet plat d'un élément ondulé. Le type considéré de construction de la surface d'échange de chaleur à plaques n'assure pas une réduction maximale possible des dimensions qui peut être obtenue avec des surfaces constituées par des canaux triangulaires. Une surface constituée par des canaux dont la section est en forme de triangle, équilatéral présente une compacité plus de deux fois plus importante. On connait également un échangeur de chaleur à plaques ayant une surface d'échange de chaleur gaufrée dont les nervures. des éléments ondulés sont constituées de parties rectangulaires supérieures et inférieures ayant le même angle d'inclinaison par rapport à l'axe de symétrie d'un élément ondulé et des parties intermédiaires. Les parties intermédiaires relient rigidement les éléments ondulés disposés l'un après l'autre et décalés en direc- tion de l'écoulement de l'agent caloporteur l'un par rap- port à l'autre d'un der-_i--as de l'élent.La section des canaux de la surface d'échange de chaleur a un profil trapézoîdal com- pliqué. Toutefois, la présence de la partie intermédiaire des nervures des éléments ondulés dont la largeur est compatible avec le pas des ondulations n'assure pas une valeur suffisamment élevée de la compacité de la surface d'échange de chaleur. Outre cela, la présence des sommets plats des éléments ondulés compatibles avec le pas des ondulations réduit aussi la valeur maximale possible de compacité de ce type de construction de la surface d'échange de chaleur. Etant donné que l'efficacité des constructions des échangeurs de chaleur est caractérisée non seulement par l'efficacité hydraulique et thermique du processus d'inten- sification de l'échange de chaleur s'effectuant dans les canaux de la surface mais aussi par le niveau de compacité de la surface d'échange de chaleur, la construction consi- dérée n'assure pas pour les échangeurs de chaleur dans les- 4. quels elle est utilisée une efficacité élevée. La surface gaufrée considérée de l'échangeur de chaleur à plaques ne présente pas une résistance suffisante à la compression que les éléments ondulés constituant la surface gaufrée subissent dans les constructions d'échan- geurs de chaleur dont les cavités sont soumises à une contre-pression. Cela s'explique par le fait que les par- ties plates intermédiaires sont réalisées en porte-à-faux et conjuguées avec des parties inférieures et supérieures des éléments sous des angles aigus. Dans le cadre de la présente invention on s'est proposé de mettre au point un échangeur de chaleur à plaques dont la réalisation des nervures de la surface gaufrée d'échange de chaleur assurerait la réduction de son volume et de sa masse. Elle a donc pour objet un échangeur de chaleur à plaques ayant une surface d'échange de chaleur gaufrée dont les éléments ondulés sont disposés par rangées décalées l'une par rapport à l'autre d'un demi-pas d'ondulation, tandis que les nervures de chaque élément ondulé sont cons- tituées de trois parties dont les parties limites sont réa- lisées rectilignes et disposées près du sommet et de la base sous un même angle par rapport à l'axe de symétrie de l'on- dulation et les parties médianes sont rigidements reliées aux nervures des ondulations disposées dans les rangées voisines caractérisé en ce que la partie médiane des ner- vures de chaque élément de la surface d'échange de chaleur est constituée de deux parties de forme arquée ayant un même rayon de courbure, disposées de façon que leurs rayons de courbure soient orientés l'un à la rencontre de l'autre, la liaison rigide des arêtes des éléments ondulés devant être réalisée à-l'endroit de la conjugaison des parties ayant une forme arquée. Il est avantageux que dans le but de rendre les dimensions de l'échangeur de chaleur plus petites, conformé- ment à l'invention le rayon de courbure des parties ayant une forme arquée des nervures de chaque élément constitue 0,1 à 3,0 de la hauteur du gaufrage. Il est aussi avantageux que dans le but de réduire 5. encore les dimensions de l'échangeur de chaleur à plaques, suivant l'invention, la distance séparant les parties limi- tes de la nervure de chaque élément se trouvant près de la base de l'élément dans un plan passant par les endroits de conjugaison de deux parties ayant la forme arquée des ner- vures de l'élément constitue 1,05 à 3,0 de la distance séparant les parties limites de la nervure de chaque élément disposée près du sommet de l'élément dans le même plan. L'utilisation des échangeurs de chaleur à plaques proposés permet de réduire sensiblement le volume, la masse et le prix des échangeurs de chaleur à plaques, avec un niveau élevé de la technologie de fabrication dans les conditions d'une production en série et en grande série. D'autres buts et avantages de l'invention ressorti- ront mieux de la description qui va suivre d'un échangeur de chaleur, faite en regard des dessins annexés sur lesquels: la Fig. représente en perspective un échangeur de chaleur à plaques ayant des surfaces d'échange de chaleur gaufrées suivant l'invention; la Fig. 2 est une vue de dessus d'une surface d'é- change de chaleur gaufrée suivant l'invention; la Fig. 3 représente en coupe transversale un gau- frage de la surface gaufrée,suivant l'invention; la Fig. 4 représente en coupe transversale une surface gaufrée suivant l'invention. La surface gaufrée 1 (Fig. 1) de l'échangeur de chaleur à plaques se trouve entre des plaques séparatrices 2 ayant un plaquage de deux côtés par soudure. Les sommets 3 des éléments 4 de la surface d'échange de chaleur gaufrée 1 sont soudés auxdites plaques séparatrices 2. La surface gaufrée proposée de l'échangeur de cha- leur à plaques peut être utilisée dans n'importe quelles constructions d'échangeurs de chaleur à plaques et à surface augmentée, de destinations multiples. La surface gaufrée 1 (Fig. 2) de l'échangeur de chaleur à plaques est constitué par des rangées successives et 6 des éléments 4. Les éléments 4 disposés successive- ment sont déplacés l'un par rapport à l'autre d'un demi-pas t de l'élément 4. Dans chaque rangée 5, 6 les éléments 4 6. forment de courts canaux ininterrompus dans la direction d'écoulement de l'agent caloporteur d'une longueur 1. La section de chaque élément 4 (Fig. 3) a une forme triangu- laire compliquée limitée par des nervures 7 de l'élément 4. Les nervures 7 des éléments 4 sont constituées par des parties rectilignes limites 8 disposées près du sommet 3 des éléments 4 et des parties rectilignes limites 9 dispo- sées près de la base des éléments 4. Les parties limites 8, 9 des nervures 7 ont le même angle d'inclinaison par rapport à l'axe 10 de symétrie des éléments 4. Les parties rectilignes 8 des nervures 7 des éléments 4 sont raccordées au sommet 3 de l'élément 4 suivant son rayon R. Entre les parties rectilignes 8, 9 des nervures 7 se trouve une partie médiane 11. La partie médiane il des nervures 7 est constituée de deux parties 12, 13 de forme arquée ayant le même rayon R1 disposées d'une telle manière que les rayons de courbure sont orientés l'un vers l'autre. Dans ce cas, la distance entre les parties rectilignes limites 9 des nervures 7 de chaque élément 4 dans le plan 14 passant par les endroits 15 de raccordement de deux parties 12, 13 des nervures 7 de l'élément 4 est plus grande que la distance séparant les parties rectilignes limites 8 des nervures 7 de l'élément 4 dans le même plan 14. Une liaison rigide des éléments 4 disposés succes- sivement (Fig. 4) est réalisée à l'endroit de raccordement des parties 12, 13 de forme arquée disposées sur les ner- vures 7 des éléments 4 à une distance égale à la moitié de la hauteur h de l'élément. La liaison rigide s'obtient dansla partie ayant la forme d'un rectangle dont les côtés sont à peu près égaux à l'épaisseur du matériau de l'élément 4. Pour rendre plus compacte la surface gaufrée 1 (Fig. 3) le rayonR1 des courbes des parties 12, 13 des ner- vures 7 de chaque élément 4 est compris entre 0,1 et 3,0 de la hauteur h de l'élément 4. Pour rendre encore plus compacte la surface gaufrée 1, la distance entre les parties limites 9 de la nervure 7 de chaque élément 4 se trouvant près de la base de l'élément 4 qui est calculée dans le plan 14 passant par les endroits 7. de raccordement de deux parties 12, 13 des nervures 7 de l'élément 4, est comprise entre 1,05 et 3,0 de la dis- tance entre les parties limites 8 de la nervure 7 de chaque élément 4 se trouvant près du sommet de l'élément 4 dans le même plan. L'échangeur de chaleur à plaques décrit fonctionne de la manière suivante. Lors de l'écoulement dans l'échangeur de chaleur à plaques de deux agents caloporteurs gazeux, la chaleur four- nie par l'agent caloporteur le plus chaud par les nervures 7 (Fig. g) des éléments 4 de la surface gaufrée 1 d'une des cavités de l'échangeur de chaleur à plaques et'par les sommets soudés 3 (fig. 1) des éléments 4 est évacuée vers les plaques séparatrices 2. A partir des plaques séparatri- ces 2 la chaleur est transmise à l'agent caloporteur plus froid par les nervures 7 des éléments 4 dont les sommets 3 sont soudés à l'autre côté de la plaque séparatrice 2. Lors de l'écoulement de l'agent caloporteur par les canaux de la surface gaufrée d'échange de chaleur 1 sur les nervures des éléments 4 sont engendrés des systèmes tourbillonnaires disposés dans la couche de l'agent calo- porteur se trouvant près des parois et de dimensions com- patibles avec l'épaisseur de la couche se trouvant près de la paroi. Les tourbillons sont envoyés par le courant de transport le long des nervures 7 des éléments 4 et il y a dissipation sur les parois. Etant donné la faible longueur des canaux des éléments 4 les tourbillons n'ont pas le temps de disparaître et sont régénérés dans les canaux suivants des éléments 4. La situation hydro-dynamique sui- vant la section d'un élément 4 n'est pas uniforme. Dans la partie de la section des canaux des éléments 4 limitée par les parties rectilignes limites 8 des nervures 7 les sys- tèmes tourbillonnaires engendrés disparaissent avec une vitesse plus élevée le long du courant de l'agent calopor- teur que dans la partie de la section des éléments 4 limi- tée par les parties rectilignes limites 9 des nervures 7, étant donné que les nervures 7 des parties rectilignes limites 8 sont plus proches l'une de l'autre que les ner- vures 7 des parties rectilignes limites 9. Il en résulte 8. que dans la partie de la section de l'élément 4 délimitée par les parties rectilignes limites 8 des nervures 7, il se produit un plus fort laminage du courant de l'agent calo- porteur en raison d'une disposition proche ou d'un confluent de couches limites laminaires voisines. Cela provoque une atténuation plus rapidedes systèmes tourbillonnaires sur la paroi des parties rectilignes 8 des nervures 7 en com- paraison avec les conditions existant sur les parois recti- lignes limites 9 des nervures 7. Grâce au fait que le raccordement des parties rec- tilignes limites 8, 9 des nervures 7 des éléments 4 est effectuée par les parties 12, 13, le changement de la situa- tion hydro-dynamique suivant la section des éléments 4 considérée plus haut se produit d'une manière uniforme, sans-à-coups. Dans ce cas, les meilleurs résultats lors de l'in- tensification de l'échange de chaleur par convection dans les canaux de la construction proposée de la surface 1 sont obtenus pour des valeurs du rayon de courbure des parties 12, 13 des nervures 7 de chaque élément 4, égales à 0,1 à 3,0 de hauteur h de l'élément 4. L'obtention d'une plus petite différence dans la structure hydrodynamique suivant la section de l'élément 4 avec les conséquences favorables correspondantes ainsi que l'augmentation de la compacité de la surface gaufrée 1 s'obtiennent avec une diminution de la différence entre la distance séparant les parties limites 9 de la nervure 7 de chaque élément 4 se trouvant près de la base de l'élément 4 qui est calculée dans le plan 14 passant par les endroits 15 de raccordement de deux parties 12, 13 des nervures 7 des éléments et la distance entre les parties limites 8 des nervures 7 de chaque élément 4 se trouvant près du som- met 3 de l'élément 4 dans le même plan 14. Les meilleurs résultats lors de l'intensification de l'échange de chaleur par convection dans les canaux de la surface gaufrée 1 de construction proposée avec une augmentation simultanée de sa compacité s'obtient dans les cas o la distance entre les parties limites 9 des nervures 7 de chaque élément 4 se trouvant près de la base de l'élément et calculée dans 9. le plan 14 passant par les endroits 15 de raccordement de deux parties 12, 13 des nervures 7 de l'élément 4 constitue 1,05 à 3,0 de la distance entre lesparties limites 8 de la nervure 7 de chaque élément 4 se trouvant près du sommet 3 de l'élément 4 dans le même plan 14. L'utilisation de la surface gaufrée proposée dans la construction d'un échangeur de chaleur à plaques fonc- tionnant souvent au régime de K lé dmin (K est un coefficient de transmission de chaleur par l'échangeur de chaleur, dmin est un coefficient minimal de transmission de chaleur par une de deux surfaces d'échange de chaleur de l'échangeur de chaleur) assure une réduction du volume, de la masse et du prix de 25 à 30% en comparaison avec les constructions connues de ce type des surfaces gaufrées d'échange de cha- leur. 10. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur à plaques ayant une sur- face gaufrée d'échange de chaleur dont les éléments ondulés sont disposés en rangées décalées l'une par rapport à l'autre de la moitié du pas de l'élément et les arêtes de chaque élément sont constituées de trois parties dont les parties limites sont rectilignes et disposées près du som- met et de la base, sous un même angle par rapport à l'axe de symétrie de l'élément, tandis que les parties médianes sont rigidement reliées aux nervures des éléments disposés dans les rangées voisines, caractérisé en ce que.la partie médiane des nervures de chaque élément de la surface d'é- change de chaleur est constituée par deux parties ayant une forme arquée ayant les mêmes rayons de courbure, dis- posées de manière que les rayons de courbure soient dirigés l'un vers l'autre, la liaison rigide des nervures des élé- ments étant réalisée à l'endroit du raccordement des par- ties de forme arquée. 2.- Echangeur de chaleur à plaques suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que le rayon de courbure des parties de forme arquée des nervures de chaque élément constitue 0,1 à 3,0 de hauteur de la gaufre. 3.- Echangeur de chaleur à plaques suivant les revendications 1 et 2; caractérisé en ce que la distance entre les parties limites des nervures de chaque élément disposées près de la base de l'élément déterminée dans le plan passant par les endroits de raccordement de deux par- ties de forme arquée des nervures de l'élément constitue 1,05 à 3,0 de distance séparant les parties limites des nervures de chaque élément disposées près du sommet de l'élément dans le même plan.