Brevet FR2514880A1 — publié le 19830422

La présente invention concerne un échangeur thermique à plaques constitué de plaques échangeuses de chaleur en tôle emboutie alignées les unes avec les autres par des moyens de guidage et au même niveau serrées face contre face en une pile formée entre une plaque de base et une plaque couvercle Entre ces plaques sont réservés des interstices fermés par des joints périphériques aménagés sur l'une des faces de chaque plaque Ces interstices peuvent être alimentés en milieux prenant part à l'échange thermique, par des ouvertures d'entrée et de sortie ali- gnées formées par les plaques L'aménagement des joints est de nature à mettra l'un des milieux au contact de l'une des faces et l'autre milieu au contact de l'autre face de chaque plaque. D'une façon générale, on connaît de tels échangeurs thermiques à plaques dans lesquels les joints périphériques se présentent habituellement sous forme de joints plats ou profilés et sont installés dans des gorges périphériques matricées des plaques En présence de pressions et de températures élevées, ils posent le problème que du fait des forces de serrage élevées nécessaires à l'assemblage étanche du paquet de plaques, certaines plaques tendent à s'échapper ou s'échappent effectivement de l'assemblage en alignement La cause de ce phénomène doit être d'abord recherchée dans le fait que les tolérances de fabrication inévitables aussi bien du châssis que des plaques ainsi que des joints aménagés entre ces plaques empêchent d'obtenir une force de serrage régulière sur toute la périphérie des plaques C'est ainsi que peuvent naître sur certaines plaques, des forces perpendiculaires au sens de serrage qui, lorsque les forces de pré-contrainte sont élevées, risquent d'atteindre des valeurs telles que les plaques s'échappent latéralement en détériorant ou détruisant leur guidage aménagé sur les barres de guidage du châssis Le problème est encore aggravé du fait que les 14880 forces de réaction transmises aux plaques par les barres de guidage et s'opposant aux forces transversales, provo- quent à leur tour des forces de frottement qui agissent entre les différentes plaques et les barres de guidage et s'opposent au déplacement des plaques sur les barres de guidage au cours de l'assemblage par pression du paquet de plaques Au cours de l'assemblage des plaques par pression, ces forces de frottement s'opposant à la force de serrage, s'additionnent sur toute la longueur du paquet de plaques Elles augmentent ainsi les forces de serrage effectivement nécessaires et augmentent donc le risque que certaines plaques se désalignent On notera enfin que la surface des joints et les surfaces d'étanchéité sont sou- vent badigeonnées avec un agent de séparation destiné à éviter le collage des joints et à réduire le frottement entre le joint et la surface d'étanchéité Ceci favorise le désalignement de certaines plaques surtout lorsque d'importantes forces de serrage sont appliquées au paquet de plaques pour résister à des pressions et températures élevées. Pour remédier aux problèmes décrits ci-dessus, on sait déjà d'après la demande de brevet allemand OS 27 13 977 munir les plaques, dans la zone de fuite près des ouver- tures d'entrée et de sortie, de nervures en relief, en forme de moulures, qui engrènent par coopération de forme dans les évidements concaves correspondants des plaques voisines dans le but d'interdire un déplacement latéral réciproque des plaques voisines. Cette construction a cependant l'inconvénient que les nervures et les évidements engrénant les uns dans les autres ne peuvent avoir que des dimensions relativement limitées compte tenu de la place disponible pour les aménager, de sorte que leur efficacité est également limitée D'autre part, le bâti doit également comporter des évidements correspondant aux nervures en relief ce qui renchérit la construction. La présente invention a pour but, sur un échangeur thermique à plaques du type décrit ci-dessus, de réaliser des plaques conçues de telle sorte qu'elles forment un ensemble rendu solidaire par coopération de forme, et capable de supporter efficacement les forces transversales sans exiger une dépense supplémentaire de matériel ou de construction. Partant de l'échangeur thermique à plaques décrit ci-dessus, la présente invention résout ce problème en ce que sur une série au moins d'ouvertures d'écoulement d'entré ou de sortie mutuellement alignées, formées par les plaques, le bord d'ouverture est muni sur une partie de sa péri- phérie, d'au moins un col courbe façonné d'une seule pièce, rectiligne ou étagé, légèrement incliné par rapport à la perpendiculaire à la surface des plaques et en ce que le contour extérieur de ce col est en prise par coopéra- tion de forme avec le contour intérieur du col de la plaque suivant immédiatement dans sa direction. Il est préférable que le col s'étende essentielle- ment sur la partie du bord d'ouverture opposée à l'inter- valle entre les plaques Dans ce cas, le col se trouve entre le joint périphérique et l'ouverture de telle sorte qu'il ne gêne pas l'écoulement du milieu utilisé passant de l'ouverture à l'interstice entre les plaques et ne fait donc pas du tout obstacle à cet écoulement. Les dispositions prises selon la présente invention permettent, dans des conditions extrêmement simples et économiques, de verrouiller réciproquement les plaques voisines par coopération de forme sans occasionner de dépense supplémentaire en matériel et en construction. En effet, le col conforme à la présente invention peut être très simplement réalisé en même temps que les plaques, par matriçage d'une plaque de tôle à l'aide d'un outil de forme appropriée Du fait de la dimension des ouvertures d'entrée et de sortie dans les plaques, les surfaces des cols des plaques de l'échangeur thermique voisines solidairement en prise les unes avec les autres sont beaucoup plus grandes que les surfaces de guidage des plaques reposant sur les barres de guidage Ainsi, elles répartissent sur plusieurs plaques les forces transver- sales même élevées agissant sur certaines plaques, tout en évitant les pressions élevées et, de ce fait, elles peuvent interdire le désalignement de certaines plaques. D'autre part, l'utilisation du col selon la présente invention provoque un agrandissement du diamètre d'ouverture sans nuire à la stabilité du- bord d'ouverture qui est généralement renforcée par des ondulations ou des moulures. De plus, les cols des plaques de l'échangeur thermique et les raccords de branchement aménagés dans le bâti peuvent être conçus sans difficulté pour que le ou les cols de la plaque d'échange thermique reposant directement sur la plaque de bâti ou sur la plaque d'appui puissent dépasser à l'intérieur des raccords de branchement ce qui évite l'aménagement d'évidements supplémentaires dans le bâti. On notera enfin que l'utilisation du col selon la présente invention ne peut nuire à l'étanchéité des plaques voisines puisque le col ne couvre pas toute la périphérie du bord d'ouverture et dispose ainsi d'une élasticité lui permettant de légèrement fléchir si nécessaire. Il est également préférable, lorsque plusieurs séries d'ouvertures sont équipées de cols, d'aménager ces séries d'ouvertures soit symétriquement par rapport à un axe de symétrie des plaques soit symétriquement par rapport au centre des plaques On établit ainsi une certaine symétrie des forces de maintien qui s'opposent aux forces transversales, ce qui interdit la distorsion unilatérale du paquet de plaques. Le bord des cols peut enfin comporter des excrois- sances ouvertes par rapport au centre de l'ouverture Selon cette conception, les cols des plaques voisines ne se touchent que dans la zone comprise entre les excroissances alors que les excroissances définissent des canaux reliant les ouvertures et les cavités existant entre le col et le joint adjacent Ces canaux de raccordement assurent en permanence une circulation turbulente du milieu dans les cavités qui ainsi ne sont pas sujettes à l'encrasse- ment ou autres. D'autres particularités et avantages de la présente invention ressortiront encore de la description ci-après de différents modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs Aux dessins annexés la figure 1 est une vue éclatée d'un échangeur thermique à plaques classique; la figure 2 est une vue partielle d'une plaques d'échange thermique classique; la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III- III de la figure 2; la figure 4 est une vue partielle analogue à la figure 2, mais montrant une plaque d'échange thermique conforme à la présente invention; la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 4; la figure 6 est une vue partielle analogue à la- figure 2, mais montrant un autre mode de réalisation d'une plaque d'échange thermique conforme à la présente inven- tion; et la figure 7 est une vue en coupe selon la ligne VII- VII de la figure 6. Comme le montre la figurel,un échangeur thermique à plaques classique est composé d'un châssis comprenant une plaque de base 1 et un support 2 qui sont reliés longitudinalement en haut et en bas par des barres de guidage 3 ou 4 et par des écrous 5 Entre les barres de guidage 3 et 4 sont montées des plaques d'échange thermique 6 qui sont serrées ensemble sous forme de paquet par une plaque couvercle 7 quand l'échangeur thermique à plaques est entièrement monté, ce qui est partiellement représenté avec la référence 8 Pour le serrage, on utilise des tiges filetées 9 avec des écrous 10 qui sont montées dans des ouvertures 11 de la plaque de base 1 et dans des ouvertures 12 de la plaque couvercle 7, et se trouvent à côté des plaques d'échange thermique. Dans l'exemple représenté, la plaque de base 1 comporte quatre raccords de branchement 13 qui sont en regard d'ouvertures d'entrée et de sortie d'écoulement correspon- dantes des plaques d'échange thermique 6, tandis que les joints 14 sont aménagés alternativement de telle sorte qu'un milieu entre dans l'échangeur thermique par l'intermédiaire d'un canal 15, puis parcourt selon la flèche 16 les inter- stices qui lui sont affectés entre les plaques pour ressor- tir enfin par l'intermédiaire du canal 17, tandis que l'autre milieu arrive par le canal 18, parcourt selon la flèche 19 les interstices qui lui sont affectés entre les plaques, pour ressortir enfin par le canal 20. La figure 2 montre l'une des plaques 6 de la figure 1 et plus particulièrement son extrémité supérieure droite sous forme de représentation partielle agrandie Avec cette plaque d'échange thermique classique, l'ouverture 21 qui sert à guider l'écoulement du milieu, est entourée extérieu- rement par le joiht périphérique 22 de telle sorte que le milieu entrant et sortant par cette ouverture dans le sens de la flèche 23 a accès à l'interstice entre les plaques situé en bas à gauche de l'ouverture Le bord de l'ouverture 21 est renforcé par les profils 24 d'une manière connue. Il est inutile de préciser davantage les autres formes ou matriçages de la plaque qui sont d'ores et déjà connues. On rappellera seulement qu'en 25 on voit partiellement l'évidement avec lequel la plaque de la figure 2 est prise par coopération de formes avec la barre de guidage 3 selon la figure 1. La figure 3 montre une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2 On voit comment sont aménagées côte à côte plusieurs plaques 6 et comment les interstices entre les plaques 26 sont obturés ou bouchés vers l'exté- rieur par les joints périphériques 22 logés dans les gorges des plaques 27. Les figures 4 et 5 montrent, selon le principe représenté sur les figures 2 et 3, une plaque d'échange thermique 33, selon un premier mode de réalisation conforme à la présente invention, dont les détails coïncidant avec la plaque d'échange thermique classique ne seront pas décrits. La plaque des figures 4 et 5 se distingue cependant de la plaque classique du fait que sur l'ouverture 28, on a formé par matriçage ou estampage, lors de la fabrication de la plaque, un col 29 qui s'étend en majeure partie sur l'arc de l'ouverture 28 opposé à l'interstice entre les plaques En outre, comme on le voit surtout à la figure 5, le col 29 est conformé en gradins et légèrement incliné par rapport à la perpendiculaire à la plaque, de telle sorte que les cols 29 a et 29 c des plaques adjacentes s'emboîtent l'un dans l'autre par coopération de forme du fait que leurs contours extérieur 30 a à 30 c viennent appuyer sur le contour intérieur 31 a et 31 c du collier voisin En 32, on voit à nouveau le joint périphérique auquel rien n'a été changé par rapport au modèle connu. Comme le montre plus particulièrement la figure 4, on voit que par rapport à la plaque classique de la figure 2, le col 29 a été formé sans avoir recours à de la matière supplémentaire, mais en utilisant la matière utilisée par ailleurs pour réaliser le profilé 24 renfor- çant le bord d'ouverture Ainsi, d'une part, on augmente le diamètre d'écoulement dans l'ouverture 28 et, d'autre part, la rigidité du bord d'ouverture n'a absolument pas à en souffrir. Les figures 6 et 7 montrent une plaque d'échange thermique 34 modifiée par rapport aux figures 4 et 5 Dans ce cas, le col 35 est garni de moulures 37 qui font saillie dans l'ouverture 36, ce qui forme des canaux 38 par l'inter- médiaire desquels les cavités 39 situées entre les plaques 34 et les joints 40, peuvent être parcourues par le milieu, ce qui supprime toute possibilité de sédimentation. Comme le montrent plus particulièrement les figures 5 et 7, la position inclinée des cols doit être comprise comme une position inclinée étagée ou comme une courbure ondulée L'essentiel est de pouvoir emboîter par coopération de formes les cols adjacents sans empêcher sa constitution de l'étanchéité entre des plaques d'échange thermique voisines. Il va sans dire également que les cols décrits en relation avec une ouverture de plaque correspondant aux figures 2 à 7, peuvent également être prévus sur toutes ouvertures alignées de plaques ou sur plusieurs d'entre elles, auquel cas, il est cependant recommandé de choisir un aménagement symétrique par rapport à l'axe de symétrie ou par rapport au centre des plaques d'échange thermique. Ceci est évidemment valable quelle que soit la forme des plaques représentées dans les exemples et quelle que soit la position des ouvertures car l'objet de la présente invention s'applique également à des plaques d'échange thermique de conception différente dans lesquelles les ouvertures pour l'entrée et la sortie des milieux sont positionnées différemment. REVENDICATIONS 1 Echangeur thermique à plaques constitué de plaques échangeuses de chaleur ( 33,34) en tôle emboutie, alignées les unes avec les autres par des moyens de guidage, et serrées face contre face en une pile ( 8) formée entre une plaque de base ( 1) et une plaque couvercle ( 7), tandis qu'entre ces plaques ( 33, 34) sont réservés des interstices fermés par des joints périphériques ( 32,40) aménagés sur l'une des facesde chaque plaque ( 33,34), que ces interstices peuvent être alimentés en milieux prenant part à l'échange thermique par des ouvertures d'entrée et de sortie alignées formées par les plaques, et que l'aménagement des joints est de nature à mettre l'un des milieux au contact de l'une des faces et l'autre milieu au contact de l'autre face de chaque plaque, caractérisé en ce que sur une série au moins d'ouvertures d'entrée ou de sortie ( 28, 36) mutuellement alignées formées par les plaques ( 33, 34) le bord de l'ouverture est muni sur une partie de sa périphérie d'au moins un col courbe ( 29, 35) rectiligne ou étagé, formé d'une seule pièce, et incliné légèrement par rapport à la perpendiculaire à la surface de la plaque et en ce que contour extérieur de ce col est en prise par coopération de formes avec le contour intérieur du col de la plaque suivant immédiatement dans sa direction. 2 Echangeur thermique à plaques selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le col ( 29, 35) s'étend essentiellement sur la partie du bord d'ouverture opposée à l'intervalle entre les plaques. 3 Echangeur thermique à plaques selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lorsque plusieurs séries d'ouvertures sont munies de cols, ces séries d'ouvertures sont disposées soit symétriquement par rapport à un axe de symétrie des plaques ou symétriquement par rapport au centre des plaques. 4 Echangeur thermique à plaques selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cols( 35) comportent sur leurs bords des excroissances moulurées ( 37), ouvertes, dirigées vers le milieu de l'ouverture ( 36).