Brevet FR2476295A1 — publié le 19810821

la présente invention concerne la construction d'échangeurs de chaleur à contre-courant qui sont fré- quemnnent utilisés dans les systèmes de conditionnement d'air alimentés par une turbine à gaz. Spécifiquement, l'échangeur de chaleur à contre- courant d'un système de conditionnement d'air est cons- titué d'un empilage de couches ou de sections d'écoule- ment d'air soudées par brasage et assurant une conducti- bilité thermique entre elles. L'air chaud et l'air froid sont chassés à travers les couches alternées de façon à assurer un échange de chaleur. Dans un système de conditionnement d'air à turbine à gaz, cet air chaud provient de la purge de cette dernière et circule à tra- vers les couches de prise d'air de purge. D'autre part, l'air froid est l'air extérieur et il circule à travers les couches de prise d'air dynamique. Ces couches de prise d'air de purge et de prise d'air dynamique empi- lées de manière alternée sont réunies l'une à l'autre le long d'un milieu à conductibilité thermique appelé "pla- que de séparation" et la chaleur émanant des couches de prise d'air de purge est transmise au courant d'air dy- namique via les plaques de séparation. ln échangeur de chaleur est dit "à contre-courant" simplement du fait que les deux courants circulent dans des directions fondamen- talement opposées: le courant d'air de purge pénètre par un côté de l'échangeur de chaleur et son sens d'écou- lement est modifié en utilisant des ailettes en forme de mitre, de telle sorte qu'il circule dans une direction opposée à celle du courant d'air dynamique, lequel pénè- tre dans l'échangeur de chaleur par un côté adjacent. Les couches de prise d'air dynamique et de prise d'air de purge sont fondamentalement identiques et cons- tituées chacune d'un groupe d'ailettes de refroidissement et d'armatures ou de barres de fermeture disposées sur les plaques de séparation définissant chaque couche. Ces armatures ou ces barres de femeture sont disposées le long des bords des couches afin de supporter les ex- trémités des plaques de séparation. Outre le fait qu'elles supportent les extrémités des plaques de sépa- ration, ces barres servent également à sceller herméti- quement chaque couche, sauf aux endroits o sont prévues une entrée et une sortie d'air. Aux entrées et aux sor- ties d'air, les ailettes assurent le support des plaques de séparation. Pour fabriquer l'échangeur de chaleur, les cou- ches de prise d'air dynamique et de prise d'air de purge sont empilées l'une sur l'autre de manière alternée, puis placées dans un four à vide en vue de leur soudage par brasage. Au cours du processus de brasage, l'empilage ainsi formé est comprimé pour presser les couches l'une vers l'autre. Le brasage est achevé lorsque les ailet- tes sont soudées aux plaques de séparation et que les bords de ces dernières sont soudés uniformément le long des barres de fermeture. Les courants d'air de purge et d'air dynamique sont distribués par des collec- teurs correspondants qui sont soudés ultérieurement aux barres de fermeture. Ces collecteurs s'étendent en tra- vers de l'échangeur de chaleur, généralement perpendicu- lairement aux couches. En raison de leur volume (par-exemple, de 0,252 m3) et de leur fonction, les échangeurs de chaleur à contre-courant pour systèmes de conditionnement d'air sont susceptibles de subir des contraintes thermiques non négligeables lors de leur échauffement et de leur refroidissement. Ces contraintes se produisent au dé- part et à l'arrêt du courant d'air de purge. Au cours de ces cycles de chauffage et de refroidissement de l'échangeur de chaleur, le coeur de ce dernier se dilate et se contracte plus rapidement que les collecteurs. Pendant cette même période, les collecteurs s'échauf- fent et se refroidissement différemment des couches, provoquant ainsi une forte contrainte dans la barre de Iermeture pîrvtîe pour les couches de prise d'air dyna- mique dans la zone ou la partie de cette barre comprise entre ses points de fixation au collecteur d'air de pur- ge. Cette partie de la barre de fermeture des couches S de prise d'air dynamique définit un porte-à-faux guidé sur la longueur duquel sont réparties les forces de di- latation et de contraction. Toutefois, le collecteur qui y est fixé, ne se dilate et ne se contracte pas de la même manière que l'échangeur de chaleur, si bien que 1o la partie située entre les points de fixation fléchit ou se courbe dans une direction à mesure de l'échauffement du coeur de l'échangeur de chaleur et dans la direction opposée, lors du refroidissement de ce coeur. Dès lors, pendant toute la durée de vie utile de l'échangeur de chaleur, les barres de fermeture prévues pour les cou- ches de prise d'air dynamique sont soumises à des con- traintes cycliques et, au départ de la flexion, ces con- tiaintes cycliques peuvent engendrer des fissures dans les plaques de séparation et les barres de fermeture des couches de prise d'air dynamique, tout en imposant une fatigue à la brasure formée entre ces barres et les plaques de séparation. Ces contraintes sont les plus fortes dans les couches de prise d'air dynamique qui sont le plus éloignées du point central du coeur de l'échangeur de chaleur, étant donné que le mouvement résultant de la dilatation et de la contraction est le plus important dans cette zone de l'échangeur de cha- leur. en conséquence, les barres de fermeture de cou- ches de prise d'air dynamique qui sont situées le plus à l'extérieur, ont tendance à être les premières à pré- senter les signes de fatigue résultant d'une flexion thermique répétée. La durée de mise en service utile de l'échangeur de chaleur, ainsi que son rendement sont influencés défavorablement par ces contraintes du fait 3j que ces dernières peuvent fissurer les barres et entraî- ner ainsi une séparation entre celles-ci et les pla- IllteS, Ce quli a pour LI fet d'al té let pogr ssivelljurt lis retenue de l'écoulemfientI. Iil outre, toute séparai ion peut affaiblir la structure de l'échangeur de chaleur et entraîner un accroissement des contraintes avec, pour ú conséquence possible, une accélération du processus de détérioration. Les contraintes engendrées dans les parties des barres de fermeture de couches de prise d'air dynamique qui sont situées entre les points de fixation au collec- teur peuvent être sensiblement réduites en allongeant ces parties, simplement en écartant davantage l'un de l'autre les points de fixation, ce qui a pour effet d'accroître les dimensions des collecteurs d'entrée et de sortie d'air de purge. Toutefois, un accroissement de la distance comprise entre les points de fixation n'est pas entièrement suffisant pour limiter les con- traintes exercées sur les barres de fermeture; il est également nécessaire de réduire la longueur de la barre de fermeture adjacente soudée par brasage qui définit l'entrée et la sortie d'air sur les couches adjacentes de prise d'air de purge, car les barres de fermeture de couches de prise d'air de purge adjacentes supportent également les barres de fermeture de couches de prise d'air dynamique et, par conséquent, à-moins d'un rac- courcissement de ces barres, la longueur de la section de fermeture des couches de prise d'air dynamique qui est située entre les points de fixation, n'est pas réel- lement accrue. Dès lors, il est nécessaire de prévoir un support moins important entre les plaques de sépara- tion à cette zone, ce support devant néanmoins être suf- fisant pour qu'un contact uniforme soit établi entre les bords extérieurs et les plaques de séparation en vue de la fabrication (lorsque les couches sont empilées et pressées l'une vers l'autre) afin de garantir un soudage par brasage uniforme de ces bords et empêcher ainsi toute fuite d'air entre les couches. En conséquence, il est nécessaire de prévoir un support suffisant entre les plaques de séparation pour p1erm111ettre Lulle fabrication correcte, mais également dans le but d'éviter que des contraintes inacceptables s'exercent sur les barres de fermeture des couches de prise d'air dynamique. En d'au- tres termes, le support doit être moindre que celui as- suré par les barres de fermeture rigides, mais à pré- sent raccourcies prévues pour les couches de prise d'air de purge, cependant qu'il doit être suffisant pour permettre une fabrication de la manière habituelle. Suivant la présente invention, on augmente les dimensions des collecteurs d'entrée et de sortie d'air de purge pour accroître l'espace compris entre les points de fixation, allongeant ainsi la section des barres de fermeture comprise entre ces points et sur laquelle apparaissent les contraintes de dilatation et de con- traction. Le support prévu le long du bord des plaques de séparation et entre les points de fixation (lu collec- teur sur les couches de prise d'air de purge est réduit, de façon à atténuer les contraintes exercées sur les plaques de séparation et les barres de fermeture des couches de prise d'air dynamique à mesure de la dilata- tion et de la contraction de l'échangeur de chaleur. Toutefois, un support suffisant est prévu pour maintenir les plaques de séparation contre les barres de fermeture et les ailettes au cours du processus de fabrication. Suivant la présente invention, on réalise cet objet en pratiquant, dans les barres de fermeture des couches de prise d'air de purge, des raintures destinées à détendre les contraintes. Ces rainures s'étendent depuis l'extré- mité des barres qui définit un côté de l'entrée d'air de purge, jusqu'au point de fixation du collecteur. Une autre méthode adoptée pour réaliser l'objet précité con- siste à prolonger, vers l'extérieur et jusqu'au bord de tla plaque de séparation, l'ailette extérieure extrême prévue pour l'écoulement de l'air de purge en contre- courant, cette ailette étant normalement située vers l'intérieur par rapport à ce bord dont elle est séparée par la barre. En procédant de la sorte, la même limite extérieure d'écoulement est établie le long du bord de la plaque de séparation, mais avec une rigidité nette- ment moindre. En conséquence, les plaques de sépara- tion sont supportées par l'ailette d'écoulement en con- tre-courant qui est à même de fléchir lors de la dilata- tion et de la contraction de l'échangeur de chaleur, sans cependant que de fortes contraintes soient appli- quées aux barres de fermeture de couches de prise d'air dynamique fixées au côté opposé de la plaque qui les sé- pare. L'ailette est néanmoins suffisamment rigide pour qu'aucune modification ne doive être apportée à la technique d'assemblage. En conséquence, la présente invention fournit un échangeur de chaleur conçu de telle sorte que les points de fixation des barres de fermeture prévues pour les couches de prise d'air dynamique puissent être écar- tés davantage l'un de l'autre dans le but d'accroître la longueur du porte-à-faux défini entre ces points, tout en permettant de réduire le support prévu pour les barres de fermeture des couches de prise d'air de purge, cependant qu'un support adéquat est maintenu le long du bord extérieur de la plaque de séparation, si bien qu'au- cune modification ne doit être apportée au procédé de fabrication. Dans les dessins annexés la figure 1 est une vue en perspective, partiel- lement élaguée, illustrant une partie d'un échangeur de chaleur à contrecourant de la technique antérieure; la figure 2 est une vue en perspective, partiel- lement élaguée, illustrant une partie d'un échangeur de chaleur à contrecourant selon une forme de réalisation de la présente invention; et la figure 3 est une vuti un perspective, partiel- lemellnt élaguée, illustrllant une partie d'un échangeur de chaleur à contre-courant selon une seconde forme de réa- lisation de la présente invention. La figure 1 illustre une partie d'un échangeur de chaleur à contrecourant de la technique antérieure, constitué de plusieurs couches définies par des plaques de séparation 10 et des ailettes de refroidissement 12 situées entre ces plaques. L'air froid ou air dynamique est chassé à travers la partie supérieure de l'échangeur de chaleur dans le sens de la flèche 14 et il circule à travers les couches de prise d'air dynamique 18 qui ne sont pas visibles en figure 1, étant donné qu'elles sont scellées hermétiquement sur la totalité de leur bord par une barre de fermeture 16. Ces couches de prise d'air dynamique 18 sont situées entre des couches de prise d'air chaud ou d'air de purge 20 qui reçoivent cet air chaud via un collecteur 22. L'air chaud s'écoule du col- lecteur dans les couches de prise d'air de purge 20 via une entrée définie entre les extrémités d'une barre de fermeture 24 et d'une barre de fermeture 26 prévues pour ces couches 20. Tout comme la barre de fermeture 16 prévue pour les couches de prise d'air dynamique, cette barre de fermeture 24 sert à sceller hermétique- ment et entièrement la couche de prise d'air de purge vis-.à-vis de l'écoulement d'air dynamique dans le sens de la flèche 14. Ainsi qu'on l'a mentionné précédemment, un échan- geur de chaleur de ce type est fabriqué en empilant en place les plaques de séparation avec les barres de fer- meture et les ailettes de refroidissement. Un poids est ensuite appliqué aux couches pour les presser en- semble, après quoi l'assemblage que constituent ces der- nières, est placé dans un four à vide dans lequel il est chauffé à une température à laquelle les plaques de sé- paration sont soudées par brasage aux barres de ferme- tuie et aux ailettes de rel'roidissement. L.e collec- tcur est ensuite lixé:ux barres de fe rmieturc aux points comme le montre la figure 1. Les barres de fermeture ont généralement une configulation en C et elles sont sensiblement plus ri- gides que les ailettes de refroidissement individuel- les 12. Ces ailettes sont disposées pour permettre une circulation d'air en contre-courant; de la sorte, à me- sure que l'air pénétre dans les couches de prise d'air de purge en suivant la direction indiquée par la flè- che 25, il passe à travers des ailettes en forme de mi- tre 27 qui le dirigent vers le bas dans un groupe d'ai- lettes 28 prévues en un plus grand nombre et qui sont empilées de manière plus serrée. Evidemment, les ailet- tes 27 ont tendance à être plus chaudes que les ailet- tes 28 car, à me-ure que l'air circule entre ces deux groupes d'ailettes, il est refroidi par le courant d'air dynamique circulant dans la couche destinée à recevoir ce dernier. Un transfert de chaleur a lieu via les pla- ques qui séparent les couches. A mesure que l'air chaud est appliqué à l'échan- geur de chaleur via le collecteur 22, ces derniers com- mencent à subir une forte dilatation. Le phénomène in- verse se produit lorsque la circulation d'air chaud est coupée. La dilatation et la contraction se produisant dans l'échangeur de chaleur atteignent un maximum dans les couches qui sont le plus éloignées du centre de ce dernier. En conséquence, il se crée, dans les barres de fermeture de couches de prise d'air dynamique 16, entre les points de fixation 30, des contraintes qui ont pour effet de plier ou de faire fléchir ces barres 16 entre les points de fixation 30. Dès lcrq, chaque cycle d'échauffement et de refroidissement engendre de fortes contraintes le long du point d'assemblage entre la barre de fermeture de couches de prise d'air dynamique et les plaques de séparation entre les points de fixation 30 avec, pour conséquence finale, une fatigue qui fait ap- paraître une rupture dans et entre les plaques de sépa- ration et les barres de fermeture de couches de prise d'air dynami- que,penrettant ainsi un mélange entre les courants d'air dynamique et d'air chaud.Ce mélange est inopportun,car il altère le rendement de l'échangeur de chaleur et cette altération ne peut qu'empirer au cours des cycles suivants. Les figures 2 et 3 illustrent chacune une forme de réalisation de la présente invention visant principa- lement à accroître la distance comprise entre les points de fixation 30 du collecteur, de façon à répartir, sur une plus grande distance, les changements dimensionnels survenant entre ces points de fixation 30 en réduisant ainsi les contraintes globales s'exerçant dans les bar- res de fermeture de couches de prise d'air dynamique en- tre ces points.On ne pourrait obtenir des résultats sa- tisfaisants simplement en augmentant la distance compri- se entre les points de fixation du collecteur dans l'échangeur de chaleur illustré en figure 1, puisqu'- aussi bien les couches pourraient toujours être fixées mécaniquement aux mêmes points en raison de leur fixa- tion mutuelle aux plaques qui les sépare. La figure 2 illustre une méthode adoptée sui- vant la présente invention pour accroître la dimension de l'ouverture définie entre les points de fixation du collecteur et assurer en même temps un support satisfai- sant ent-re les couches afin de permettre une fabrication normale de l'échangeur de chaleur. La différence prin- cipale existant entre l'échangeur de chaleur illustré en figure 2 et celui illustré en figure 1 réside dans le fait que la barre de fermeture des couches de prise d'air chaud est raccourcie pour ménager une plus grande distance entre les points de fixation du collecteur, ce- pendant qu'une des ailettes d'écoulement en contre- courant 32 a été prolongée vers l'extérieur pour venir se placer le long du bord de la plaque de séparation et y constituer un support le long de ce bord, tout en li- mitant l'écoulement d'air chaud dans le collecteur 22, cet air étant ainsi dirigé uniquement vers les ailettes 27 comme illustré en figure 1. De la sorte, les points de fixation du collecteur sont davantage éloignés l'un de l'autre et le parcours suivi par l'écoulement d'air reste le même. Toutefois, les ailettes sont nettement plus souples (plus flexibles) que les barres de ferme- ture, si bien qu'elles offrent un certain degré d'élas- ticité ou de mouvement entre les plaques de séparation 10 qui peuvent ainsi en quelque sorte se conformer aux changements (courbure/flexion) survenant éventuelle- ment dans la linéarité de la barre de fermeture de cou- ches de prise d'air dynamique entre les points de fixa- tion 34. En d'autres termes, contrairement à la forme de réalisation illustrée en figure 1, dans les couches de prise d'air de purge, le support prévu entre les plaques de séparation sur la distance séparant les points de fixation 34 du collecteur est assuré entière- ment par les ailettes de refroidissement qui sont plus élastiques que les barres de fermeture et permettent ainsi, aux plaques de séparation, de fléchir légèrement pour se conformer aux changements survenant éventuelle- ment dans la configuration des barres de fermeture de couches de prise d'air dynamique, ce support étant ce- pendant réduit du fait que la longueur du porte-à-faux est à présent accrue. Les ailettes offrent néanmoins un support suffisant le long des bords des barres de ferme- ture si bien que,- lorsqu'un poids est appliqué aux pla- ques lors de la fabrication, les bords de ces dernières et des barres de fermeture sont pressés uniformément et fermement l'un contre l'autre. Dans la seconde forme de réalisation illustrée en figure 3, une rainure ou une découpe est pratiquée dans la barre de fermeture prévue pour les couches de prise d'air de purge. Cette rainure a également pour effet de réduire la rigidité d'ensemble de cette barre entre les plaques dans 1. zone ou elle est située, per- mettant ainsi, aux plaques, de se conformer aux change- ments survenant éventuellement dans la linéarité de la barre de fermeture Lde couches de prise d'air dynamique entre les points de fixation 34. Toutefois, cette rai- nure ne permet pas d'assurer le support nécessaire pour une fabrication par brasage et elle doit être découpée dans la barre de fermeture après le brasage. Le résultat obtenu avec les deux formes de réa- 1.0 lisation réside dans une réduction sensible (spécifique- ment, dans un rapport de 4:1) des tensions exercées dans la barre de fermeture de couches de prise d'air dynamique entre les points de fixation 34. On a décrit ci-dessus le meilleui mode de mise en oeuvre de la présente invention, mais l'homme de m6- tier y verra la possibilité d'apporter de nombreuses mo- difications aux formes de réalisation illustrées, sans se départir de l'esprit et du cadre de l'invention tels qu'ils sont définis dans les revendications ci-après. REVENDICATIONS - 12 - 1. Echangeur de chaleur comprenant: plusieurs couches empilées constituées de Plaques de sépa- ration (10) maintenues à l'écart l'une de l'autre nar des assemblages comprenant une barre de fermeture (16) dispo- sée entre le bord des plaques et des ailettes-de refroidis- sement (12,27,28) pliables situées dans la couche, un collecteur (22) fixé, en deux points (34), à la barre de fermeture associée à chaque couche, la barre de fermeture prévue dans une première couche scel- lant hermétiquement cette dernière vis-à-vis du collecteur, tout en supportant une plaque (10) d'une deuxième couche adjacente, l'assemblage associé à cette couche adjacente formant entre les points de fixation (34) du collecteur, une entrée par laquelle ce dernier communique avec la deuxième couche, caractérisé en ce qu'entre les points de fixation (34) du collecteur (22) l'assemblage associé à ladite autre couche est moins rigide que la barre de fermeture (16) prévue dans la première couche, de façon à relâcher les contraintes mé- caniques s'exerçant entre les couches suite à des change- ments de dilatation différents dans chacune de ces derniè- res. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'assewblageassocié à ladite autre couche comporte dans sa barre de fermeture, une partie rainurée (38) destinée à supporter une partie du bord de la plaque entre les points de fixation (34), ainsi que plusieurs ailettes (12,27) prévues pour supporter le reste de ce bord. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication i, caractérisé en ce que l'assemblage associé à ladite autre couche comporte une ailette (32) supportant une partie du bord de la plaque entre les points de fixation-( 34), tan- dis que la partie dans laquelle est ménagée l'entrée, est supportée par plusieurs ailettes (12,27).