Brevet FR2500610A1 — publié le 19820827

L'invention concerne un dispositif d'échange thermique compact et peu onéreux, utilisable pour des échanges de chaleur entre plusieurs flui- des, notamment entre gaz. La surface d'échange par unité de volume des échangeurs à tubes et calandre, qui sont utilisés fréquemment, est limitée par la difficulté de réduire le diamètre des tubes et l'écartement entre tubes au- dessous d'une valeur de l'ordre de 1 cm. Les échangeurs à plaques permettent d'obtenir des surfaces spécifiques d'échange plus importantes. Dans ces échangeurs, les fluides parti- cipant à l'échange circulent de part et d'autre des différentes pla- ques, mais la surface spécifique est également limitée par la néces- sité de ne pas trop réduire l'écartement entre plaques. Pour réaliser un échangeur compact et peu coûteux, il a été déjà pro- posé d'empiler des plaques perforées de manière à obtenir, par super- position des perforations, des canaux dont certains peuvent être par- courus par un des fluides participant à l'échange, d'autres par un autre fluide participant à l'échange, le transfert thermique entre les fluides circulant dans ces canaux étant assuré par conduction à travers le matériau formant au moins une partie desdites plaques. Les plaques sont donc de préférence réalisées en matériau métallique, bon conducteur de la chaleur. Un tel mode de réalisation est décrit dans la demande de brevet fran- çais déposée par le demandeur le 2 Mai 1979, sous le numéro d'Enre- gistrement National 79/11259. Il est schématisé sur les figures 1A et 1B ci-annexées. Dans un tel dispositif, l'échange thermique est réalisé entre un flui- de A et un fluide B, à une température différente de A, qui passent dans des groupes distincts de canaux, par exemple selon la disposition de la figure 1B (qui représente une vue en plan de l'empilement de plaques, c'est-à-dire de manière que chaque canal parcouru par l'un des fluides soit voisin d'au moins un canal parcouru par l'autre 2- fluide. Les canaux sont indiqués par les flèches 2a à 2g de la figure 1A qui représente la coupe de l'échangeur selon le plan A-A de la figure 1B. Cette disposition présente l'avantage de permettre d'effectuer un échange à contre-courant entre les fluides A et B. Toutefois, il se pose le problème de la distribution de chacun des fluides, à chaque extrémité de l'appareil. A cet effet, il est nécessaire de prévoir à chaque extrémité du dispositif au moins une plaque distributrice com- portant des rainures recouvrant les canaux dans lesquels circule le fluide qui est amené ou évacué par lesdites rainures. Ceci pose des problèmes de réalisation et également des problèmes de perte de char- ge, dans le cas de la distribution d'un fluide gazeux. Dans ce cas, en effet, si l'on veut limiter les pertes de charge, il est nécessaire de prévoir une section d'arrivée et de départ du même ordre de gran- deur que la section de passage au cours de l'échange. L'invention propose un nouveau dispositif d'échange thermique à pla- ques perforées superposées permettant d'obtenir une grande surface d'échange par unité de volume, tout en évitant les difficultés men- tionnées ci-dessus, en ce qui concerne notamment la distribution des fluides participant à l'échange. Le dispositif d'échange thermique à plaques perforées de l'invention peut être défini, d'une manière générale, en ce qu'il comprend une zone d'échange proprement dite, dans laquelle peuvent circuler les différents fluides participant à l'échange, ainsi que pour chacun de ces fluides des moyens d'alimentation et d'évacuation raccordés à la zone d'échange. La zone d'échange proprement dite du dispositif de l'invention est constituée essentiellement d'un empilement (formant un prisme droit) de plaques polygonales, présentant de préférence au moins une paire de côtés parallèles entre eux (par exemple des plaques rectangulaires) ces plaques étant munies de perforations de forme allongée disposées suivant des rangées parallèles entre elles, lesdites perforations étant disposées et lesdites plaques étant empilées de telle manière 25006 10 -3- que les rangées de perforations soient superposées d'une plaque à l'autre et que, pour au moins une partie desdites plaques et desdites rangées, chacune des perforations d'au moins une partie des rangées d'une plaque intermédiaire de l'empilement soit en communication avec deux perforations de la rangée correspondante de la plaque qui la précède et avec deux perforations de la rangée correspondante de la plaque qui la suit. Le moyen le plus simple pour parvenir à ce résul- tat est que toutes les perforations aient la même dimension, qu'elles soient régulièrement espacées le long des rangées de chaque plaque et que l'écart entre les extrémités contiguës de deux perforations voi- sines appartenant à une même rangée soit inférieur à la longueur des- dites perforations. C'est ce qui est-montré par exemple sur les fi- gures 2A et 2B, qui sont respectivement une vue en plan et une coupe d'une portion de l'empilement des plaques constituant la zone d'é- change. En particulier, la coupe de la figure 2B fait apparaître un décalage alterné des perforations de plaques consécutives, les perfo- rations des plaques 20, 22 et 24, qui forment un premier groupe de plaques, étant superposées entre elles (selon une vue en plan), ainsi que les perforations des plaques 21, 23 et 25, qui forment un second groupe de plaques, les perforations du second groupe de plaques étant décalées par rapport aux perforations du premier groupe, de manière à permettre le recouvrement partiel par une perforation d'une plaque appartenant à l'un des groupes, de deux perforations de chacune des plaques contiguës appartenant à l'autre groupe. D'une manière générale, la disposition des perforations sur chacune des plaques et le mode de superposition des plaques permet la réali- sation d'une série de réseaux de perforations interconnectées, chacun de ces réseaux ne communiquant pas avec le (ou les) réseau(x) voisin(s). L'ensemble des réseaux ainsi formés est réparti en autant de sous- ensembles distincts qu'il y aura de fluides participant à l'échange, de telle manière que chaque réseau de perforations parcouru par l'un des fluides participant à l'échange soit voisin d'un ou de deux autres réseaux de perforations parcouru(si par un autre fluide participant à - 4l'échange. Ainsi par exemple, si l'échangeur formé par des plaques telles que représentées sur les figures 2A et 2B sert à l'échange thermique entre deux fluides, les perforations des rangées 10 et 12 seront parcourues par un premier fluide et les perforations-des ran- gées 11 et 13 par un second fluide. Ainsi, la disposition des perforations sur chaque plaque et le mode de superposition des plaques, en créant des réseaux de perforations interconnectées, permettent d'introduire et d'évacuer chacun des flui- des participant à l'échange par un conduit se raccordant sur une por- tion quelconque d'une des faces de l'empilement, les sections de rac- cordement des différents conduits étant complètement séparées. En effet, toutes les perforations appartenant à un même réseau sont alors alimentées par le fluide correspondant, même si l'introduction dudit fluide ne se fait que sur une partie de la face considérée. De même, le fluide circulant dans ledit réseau de perforations interconnectées peut être évacué sur une portion seulement d'une autre face, par exem- ple de la face opposée, comme cela sera explicité plus en détail ci- après. Au contraire, lorsque par empilement de plaques à perforations superposées, on forme, comme dans l'art antérieur, des canaux, chacun des canaux débouchant sur les plaques placées à l'extrémité de l'empi- lement doit communiquer avec les conduits d'arrivée et de départ, ce qui nécessite des systèmes de distribution plus complexes, puisque chacun des fluides doit être distribué sur la même section totale et non sur des portions de section distinctes. Plus particulièrement, les conduits destinés à l'arrivée (ou alimen- tation) et au départ (ou évacuation) de chacun des fluides participant à l'échange thermique sont raccordés à des faces distinctes de l'em- pilement de plaques, de telle façon que la section de raccordement de chaque conduit sur la face considérée couvre au moins en partie l'ensemble des réseaux de perforations destinés à être parcourus par le fluide correspondant et aboutissant sur ladite face, les réseaux ou les portions des réseaux aboutissant sur une section de raccorde- ment d'un conduit et destinés à être parcourus par le fluide circulant dans ledit conduit étant ouverts sur ladite section, les auLres 25006 1 0 - 5- réseaux ou les portions des autres réseaux aboutissant sur ladite section de raccordement étant fermés, toutes les sections de raccor- dement étant séparées les unes des autres et les réseaux ou les por- tions de réseaux aboutissant sur les faces de l'empilement en dehors des sections de raccordement étant tous fermés. On décrit ci-après plus en détail la réalisation pratique des dispo- sitifs d'échange thermique de l'invention. Dans le cas le plus fréquent, les plaques perforées auront une forme rectangulaire et la zone d'échange sera un parallélépipède rectangle. Chaque réseau de perforations interconnectées peut alors déboucher sur les deux plaques placées aux extrémités de l'empilement, suivant une rangée de perforations de chacune desdites plaques et sur les deux faces perpendiculaires a la direction des rangées de perforations, par des orifices correspondant aux intersections des rangées superpo- sées de perforations avec chacune desdites faces. La zone d'échange peut être constituée de quelques dizaines a quelques centaines de plaques dont l'épaisseur peut aller d'environ 1 mm à a cm, ou davantage. Toutes les plaques constituant la zone d'échange peuvent avoir la même épaisseur ou des épaisseurs différentes. Un moyen simple d'introduire dans l'empilement des plaques d'épaisseur différente, si on le désire, consiste a introduire, aux lieu et place d'une plaque unique donnée, deux ou plusieurs plaques dont les perforations sont superposées et d'alterner un tel ensemble avec deux ou plusieurs plaques dont les perforations sont également superposées entre elles, mais décalées par rapport aux perforations de l'ensemble de plaques précédent. Aus- si, dans la présente invention, on peut entendre par "plaque" soit une plaque unique, soit un ensemble de plusieurs plaques (néanmoins en petit nombre) dont les perforations sont superposées sans décalage. Par ailleurs, chaque plaque peut comporter de plusieurs dizaines a plusieurs centaines de rangées parallèles de perforations. Cas rangées 250 06 10 -6- sont de préférence équidistantes. Les perforations peuvent avoir différentes formes. Elles peuvent avoir une forme rectangulaire selon le schéma représenté sur la figure 3A. Des extrémités arrondies comme sur le schéma de la figure 2A sont toutefois préférées, les angles vifs risquant de conduire localement à des déformations ou même parfois des déchirures des plaques au moment de la perforation. Les perforations peuvent aussi être ovales, de forme sensiblement el- liptique comme sur le schéma représenté sur la figure 3B. Des formes plus complexes peuvent être également utilisées pour aug- menter l'aire d'échange, comme par exemple celles qui sont représen- tées sur les figures 3C et 3D. De manière générale, toute géométrie peut être envisagée à condition que la longueur maximale d'une perforation selon la direction d'une rangée de perforations parcourues par un même fluide soit supérieure à la distance minimale entre les extrémités contiguës de deux perfo- rations voisines, de manière à assurer lors de la superposition des plaques, le recouvrement partiel de deux perforations d'une plaque par une perforation de la plaque immédiatement supérieure. Une forme allongée des perforations est préférée afin d'assurer un meilleur recouvrement et la longueur maximale d'une perforation sui- vant la direction d'une rangée est de préférence au moins égale à deux fois la largeur maximale des perforations suivant une direction perpendiculaire. En général, la longueur des perforations peut aller par exemple de 3 à 100 mm. Les plaques doivent être conductrices de la chaleur et sont de préfé- rence métalliques et réalisées par exemple en acier ordinaire, en acier inoxydable, en aluminium, en cuivre, en monel, en titane ou tout 25006 10 -7- autre matériau conducteur de chaleur. Si l'échange de chaleur est ef- fectué à température élevée, un matériau réfractaire, moins bon con- ducteur de la chaleur que les matériaux précédemment cités, peut être nécessaire, comme par exemple la céramique. Un matériau composite peut être également envisagé. Les plaques formant la zone d'échange peuvent être trouées suivant différentes méthodes: mécaniques, chimiques ou électrochimiques. L'u- tilisation de plaques perforées pour la zone d'échange à l'exclusion de plaques comportant des ouvertures d'une autre nature, telles par exemple fentes ou grilles est avantageuse du fait que les plaques per- forées peuvent être réalisées de manière simple et économique, par exemple par poinçonnage, et présentent une bonne résistance mécanique. Par ailleurs, l'utilisation de plaques comportant toutes des perfo- rations de même configuration simplifie les problèmes de réalisation. Les plaques peuvent être maintenues et fixées les unes aux autres par les différentes techniques connues pour maintenir une adhésion conve- nable entre les plaques. Elles peuvent être par exemple collées par une colle fluide telle qu'un adhésif époxy, ou encore scellées à chaud à l'aide d'un enduit, ou encore brasées. Dans de nombreux cas, il est souhaitable de pouvoir démonter l'échan- geur de manière à pouvoir nettoyer ou éventuellement remplacer certai- nes plaques. Dans ce cas, les plaques ne sont pas maintenues adhé- rentes entre elles et sont simplement empilées. Lorsqu'une étanchéité poussée n'est pas requise, l'étanchéité entre les rangées de perforations parcourues par des fluides différents peut être maintenue par simple serrage des plaques. Pour améliorer cette étanchéité, il est possible d'intercaler entre les plaques des joints constitués d'un matériau déformable. On décrit ci-après divers modes particuliers de mise en oeuvre du dispositif d'échange thermique de l'invention. 0 0 6 1 0 - 8- - Un premier exemple de la manière dont peuvent être effectués l'alimen- tation et le soutirage des deux fluides participant à l'échange est montré sur les schémas des figures 4A et 4B. La figure 4A représente une vue en plan de l'échangeur, la plaque extrême PE étant enlevée. La figure 4B représente une coupe de l'échangeur selon le plan C-C. L'échangeur permet d'effectuer un échange entre un premier fluide (fluide 1) qui circule dans les réseaux 30, 32, 34 et 36 et un second fluide (fluide 2) qui circule dans les réseaux 31, 33, 35 et 37. La coupe représentée sur la.figure 4B traverse le réseau 30 qui est parcouru par le fluide 1. Ce fluide 1 arrive par le conduit EF1, tra- verse tout le réseau de perforations interconnectées et ressort par le conduit SF1. De ce fait, pour le réseau 30, de même que pour les autres réseaux d'ordre pair, les plaques doivent être obturées vis- à-vis de la conduite EF2 d'arrivée du fluide 2 et de la conduite SF2 de départ du fluide 2. Au contraire, Les réseaux 31, 33, 35 et 37 sont ouverts vis-à-vis de la conduite EF2 d'arrivée du fluide 2 et de la conduite SF2 de départ du fluide 2 mais obturés vis-à-vis de la conduite EF1 d'arrivée du fluide 1 et vis-à-vis de la conduite SF1 d'évacuation du fluide 1. Dans le cas qui est schématisé sur les figures 4A et 4B, les deux fluides sont introduits et évacués par deux faces perpendiculaires aux plaques. Il est également possible d'introduire l'un des fluides par une des faces perpendiculaires aux plaques, l'évacuer par la face opposée et d' introduire l'autre fluide par une plaque située à une extrémité de l'empilement et l'évacuer par la face opposée. Une telle disposition est schématisée sur les figures 5A et 5B. Un des fluides participant à l'échange arrive par le conduit EF2 et res- sort par le conduit SF2. Les réseaux de perforations correspondant au passage de ce fluide sont ouverts vis-à-vis de la section d'arrivée 25006 10 -9- (iue5A). du conduit EF2 et de la section de départ du conduit SF2V Les réseaux de perforations correspondant au passage du fluide qui arrive par le conduit EF1 et repart par le conduit SF1 sont fermés vis-à-vis de la section d'arrivée du conduit EF2 et de la section de départ du conduit SF2 (figure 5B). Des dispositions différentes mais restant conformes au principe géné- ral de l'échangeur selon l'invention peuvent être envisagées. Ainsi, chacun des conduits EFL EF2, SF1 ou SF2 peut ne déboucher que sur une portion de la surface totale de la face de l'empilement en correspondance. Il est possible par exemple, en admettant que les plaques de l'empilement sont horizontales de faire arriver le conduit EF2 par une section se raccordant à la partie supérieure de l'empile- ment et de faire partir le conduit SF2 par une section se raccordant à la partie inférieure de l'empilement, comme représenté sur les fi- gures 6A et 6B. Cela permet notamment d'obtenir un effet de contre- courant au cours de l'échange thermique entre les deux fluides parti- cipant à l'échange. Il est possible également de faire circuler un des fluides selon des réseaux de perforations interconnectées suivant le principe général décrit précédemment, en faisant déboucher les sections d'arrivée et de départ de ce fluide sur des faces perpendiculaires à l'empilement, mais de faire circuler l'autre fluide selon des canaux non communi- cants obtenus par superposition des perforations, lesdits canaux dé- bouchant sur les plaqués extrêmes de l'empilement dans les conduits d'arrivée et de départ du fluide circulant dans lesdits canaux. Ceci peut être obtenu par exemple en faisant alterner, dans l'empilement, des plaques perforées selon des perforations alignées et des plaques perforées selon des perforations décalées en quinconce telles que les plaques schématisées sur les figures 7A et 7B. Il est possible également de prévoir une partie intermédiaire de l'eoi- pilement de plaques, distincte des zones de distribution des fluides dans laquelle au moins un des deux fluides circule à travers des - 10- rangées de canaux non communicants. L'échangeur selon l'invention se prête à des échanges thermiques entre des phases très diverses. Il est particulièrement bien adapté aux échanges gaz-gaz qui nécessi- tent de grandes surfaces d'échange en raison des coefficients de trans- fert relativement faibles qui caractérisent les gaz. Il peut être uti- lisé par exemple en récupération de chaleur sur l'air extrait d'un local. Il peut être utilisé également pour récupérer la chaleur conte- nue dans les fumées d'une chaudière ou d'un four, par exemple par échange avec l'air de combustion qui est préchauffé. Si les plaques sont simplement empilées et s'il y a une fuite de gaz, il est généra- lement avantageux que cette fuite ait lieu de l'air neuf vers les fu- mées, ce qui peut permettre de réduire l'encrassement par les suies contenues dans les fumées. L'échangeur selon l'invention peut être également utilisé avec des phases liquides et dans le cas d'un changement de phase. Dans ce der- nier cas, différents états de surface favorables soit à la conden- sation, soit à la vaporisation, peuvent être utilisés sur le périmè- tre des perforations. L'échangeur selon l'invention s'applique dans une large gamme de température. Il peut convenir soit à des températures relativement élevées, soit au contraire à des températures basses telles que celles qui sont rencontrées dans les procédés de réfrigération. 25006 10 REVENDICATIONS 1. - Dispositif destiné à réaliser un échange thermique entre au moins deux fluides à des températures différentes, comprenant une zone d'é- change et, pour chacun desdits fluides, des moyens d'alimentation et d'évacuation raccordés à ladite zone d'échange, ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite zone d'échange est constituée par un empilement, formant un prisme droit, de plaques polygonales (20), (21)... (n) munies de perforations de forme allongée disposées suivant des rangées (10), (11), (12), (13), parallèles entre elles, lesdites perforations étant disposées et lesdites plaques étant empilées, de telle manière que les rangées de perforations soient superposées d'une plaque à l'autre et que, pour au moins une partie desdites plaques et desdites rangées, chacune des perforations d'au moins une partie des rangées d'une plaque intermédiaire de l'empilement soit en communication avec deux perforations de la rangée correspondante de la plaque qui la précède et avec deux perforations de la rangée correspondante de la plaque qui la suit, formant ainsi une série de réseaux de perforations interconnectées (30) à (37), lesdits réseaux ne communiquant pas entre eux, mais pouvant aboutir chacun sur les deux faces de la zone d'échange constituées par les plaques extrêmes de l'empilement, ainsi que sur au moins une partie des faces latérales dudit empilement, lesdits réseaux de perforations étant répartis en au moins deux sous-ensembles (30), (32), (34), (36) d'une part et (31), (33), (37) d'autre part, destinés chacun à la circula- tion d'un des fluides participant à l'échange, de telle manière que chaque réseau de perforations destiné à la circulation d'un des flui- des soit voisin d'un ou de deux autres réseaux de perforations desti- né(s) à la circulation d'un ou de deux autres fluides, et en ce que lesdits moyens d'alimentation et d'évacuation consistent, pour chaque fluide participant à l'échange thermique, en un conduit d'arrivée et un conduit de départ raccordés à deux faces distinctes de l'empile- ment, de telle façon que la section de raccordement de chaque conduit sur la face consiidére couvre au mI:ns en nartie i'ensemble des ré- sesux d2 p-rforations ẻstiîns a itre garoeurus nar le fluide corres- pondant et aboutissant sur ladite face, les réseaux ou les cortiDns des réseaux aboutissant sur une secnion de raccordement d'un conduit et destinés à être parcourus oar le fluide circulant dans ledit con- duit étant ouverts sur ladite section, les autres rVseaux ou les porzions des autres réseaux abcutissant sur ladite section de raccor- dement étant fermés, toutes les sections de raccordement étant sêua- rées les unes des autres et les réseaux ou les portions de réseaux aboutissant sur des faces de l'empilement en dehors desdites sections de raccordement étant tous fermés. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone d'échange est formée d'un empilement de plaques (20), (21)...(n), ayant la forme d'un polygone présentant au moins une paire de côtés parallèles entre eux, les rangées de perforations (10), (11), (12), (13), étant parallèles auxdits côtés et en ce que les réseaux de perforations (30) à (37) peuvent aboutir sur les deux faces consti- tuées par les plaques extrêmes (PE) de l'empilement des plaques, ainsi que sur les faces latérales de celui-ci non parallèles à la direction desdites rangéesde perforations. 3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite zone d'échange est formée d'un empilement de plaques (20), (21),...(n) rectangulaires. 4. - Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le conduit d'arrivée (EF1) d'un premier fluide partici- pant à l'échange est raccordé a l'une des faces latérales non parallèles à la direction des rangées de perforations, les réseaux de perforations (30), (32), (34), (36) parcourus par ledit premier fluide étant ouverts sur ledit conduit d'arrivée et les réseaux de perforations (31), (33), (35), (3) non parcourus par ledit premier fluide étant obturés à l'arrivée dudit conduit, le conduit d'évacua- tion (SF1) dudit premier fluide prélevant ledit fluide sur la face opposée, les réseaux de perforations parcourus par ledit fluide étant ouverts sur ledit conduit d'évacuation et les réseaux de per- forations non parcourus par ledit fluide étant obturés au départ dudit conduit d'évacuation. 5. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conduit d'arrivée (EF2) d'un deuxième fluide participant à l'échange est raccordé à l'une des faces latérales non parallèles à la direc- tion des rangées de perforations, selon une section disjointe des sections d'arrivée et de départ du premier fluide et en ce que le conduit (SF2) dudit deuxième fluide est raccordé à la face opposée, selon une section disjointe des sections d'arrivée et de départ du premier fluide, les réseaux de perforations parcourus par ledit deu- xième fluide étant ouverts sur le conduit d'arrivée et le conduit d'évacuation dudit fluide et les réseaux de perforations non parcourus par ledit fluide étant obturés vis-à-vis desdits conduits d'arrivée et d'évacuation. 6. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conduit d'arrivée (EF2) d'un deuxième fluide participant à l'échange est raccordé à l'une des plaques extrêmes (PE) de l'empilement et en ce que le conduit d'évacuation (SF2) dudit deuxième fluide est raccordé à l'autre plaque extrême de l'empilement, les réseaux de perforations parcourus par ledit deuxième fluide étant ouverts sur le conduit d'arrivée et le conduit d'évacuation dudit fluide, et les réseaux de perforations non parcourus par ledit fluide étant obturés vis-à-vis desdits conduits d'arrivée et d'évacuation. 7. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'une des plaques extrêmes (PE) de l'empilement est raccor- dée au conduit d'arrivée (EF1) d'un premier fluide et au conduit d'évacuation (SF2) d'un second fluide et en ce que l'autre plaque extrême (PE) de l'empilement est raccordé au conduit d'évacuation (SF1) dudit premier fluide et au conduit d'arrivée (EF2) dudit second fluide, les réseaux de perforations parcourus par chacun des fluides étant ouverts vis-à-vis des sections d'arrivée et de départ des 25006 10 conduits correspondant à ce fluide et fermés vis-à-vis des sections d'arrivée et de départ des conduits correspondant à l'autre fluide participant à l'échange, les sections d'arrivée et de départ des deux fluides différents étant séparées sur une même face. 8. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les perforations parcourues par l'un des fluides sont super- posées dans l'empilement des plaques.