Brevet FR2517045A1 — publié le 19830527

L'invention concerne un élément de transmission de la chaleur, et plus particulièrement un assemblage de plaques absorbant la chaleur, destiné à être utilisé dans un échanqeur de chaleur dans lequel de la chaleur est trans- mise au moyen des plaques d'un fluide chaud d'échange de chaleur àun fluide froid d'échange de chaleur L'invention concerne plus particulièrement un assemblage d'un élément d'échange de chaleur destiné à être utilisé dans un appa- reil de transmission de chaleur du type rotatif à récupé- ration, dans lequel l'élément de transmission de la cha- leur est chauffé par contact avec le fluide gazeux chaud d'échange de chaleur, puis placé en contact avec un fluide gazeux froid d'échange de chaleur auquel il cède sa cha- leur. Un type d'appareil d'échange de thaleur auquel l'invention s'applique particulièrement est l'appareil rotatif de chauffage à récupération qui est bien connu. Un appareil rotatif typique de chauffage à récupération comporte un rotor cylindrique divisé en compartiments dans lesquels sont disposées et supportées, à distance les unes des autres, des plaques de transmission de chaleur qui, lorsque le rotor tournersont exposées de façon alternée à un courant de gaz chauffant ptis, sous l'effet de la rota- tion du rotor, à un courant d'air ou d'un autre fluide ga- zeux plus froid devant être chauffé Lorsque les plaques de transmission de la chaleur sont exposées au gaz chauf- fant, elles en absorbent de la chaleur puis, lorsqu'elles sont exposées à l'air froid ou à un autre fluide gazeux froid devant être chauffé, la chaleur prélevée sur le gaz chauffant par les plaques de transmission est transmise au gaz plus froid Dans la plupart des échangeurs de chaleur de ce type, les plaques de transmission de la chaleur sont empilées étroitement, à une certaine distance les unes des autres, de façon que des plaques adjacentes forment entre elles plusieurs canaux pour écoulement du fluide d'échange de chaleur entre les plaques. Dans un tel échangeur de chaleur, la capacité de transmission de la chaleur d'un échangeur de chaleur de dimension donnée dépend du débit calorifique entre le fluide d'échange de chaleur et la structure à plaques Cependant, dans le cas d'appareils industriels,l'utilité d'un appareil dépend non seulement du coefficient de transmission de cha- leur obtenue, mais également d'autres facteurs tels que la résistance à l'écoulement rencontré par le fluide d'échange de chaleur à travers l'appareil, c'est-à-dire la chute de pression, la facilité de nettoyage des canaux d'écoulement, l'intégrité structurelle des plaques de transmission de la chaleur, ainsi que de facteurs tels que le colt et le poids de la structure à plaques Idéalement, les plaques de trans- mission de la chaleur induisent un écoulement hautement tur- bulent dans les canaux formés entre elles afin d'accroître la transmission de la chaleur du fluide d'échange de cha- leur vers les plaques tout en opposant, simultanément, une résistance à l'écoulement relativement faible entre les canaux et en présentant également une configuration de sur- face pouvant être aisément nettoyée. Pour nettoyer les plaques de transmission de la chaleur, il est devenu courant d'utiliser des souffleurs de suie qui font circuler un courant d'air ou de vapeur d'eau à haute pression dans les canaux entre les plaques empilées de transmission de la chaleur afin de déloger tous dépôts de particules de leur surface et de les entraîner à l'exté- rieur pour laisser une surface relativement propre Un pro- blême posé par ce procédé de nettoyaqe est que la force exercée par le fluide soufflé sous haute pression sur les plaques de transmission de la chaleur, qui sont relativement minces, peut conduire à une rupture des plaques à moins qu'une certaine rigidité structurelle soit conférée à l'em- pilage de plaques de transmission de la chaleur. Une solution à ce problème consiste à sertir les plaques individuelles de transmission de la chaleur, à inter- valles rapprochés, pour produire des encoches à deux lobes, comportant un lobe-qui s'éloiqne de la plaque dans une di- rection et un autre lobe qui s'éloigne de la plaque dans la direction opposée Lorsque les plaques sont ensuite empilées pour former l'élément de transmission de la chaleur, ces encoches servent non seulement à maintenir les plaques adja- centes convenablement espacées les unes des autres, mais également à constituer un support entre les plaques adja- centes afin que des forces exercées sur les plaques pendant l'opération de soufflage de la suie puissent s'équilibrer entre les diverses plaques constituant l'assemblage de l'élément de transmission de la chaleur Un assemblage d'élé- ments de transmission de la chaleur de ce typeest décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 2 596 642. De nombreuses autres structures à plaques ont été conçues pour tenter de constituer des structures pouvant être nettoyées et réalisant une transmission convenable de la chaleur On peut se reporter, par exemple, aux brevets des Etats-Unis d'Amérique N'1 823 481, No 2 023 965, No 2 438 851, No 2 983 486, No 3 463 222. Cependant, dans un assemblage d'élément de trans- mission de la chaleur du type comportant plusieurs plaques encochées empilées, il existe un risque d'emboîtement des encoches des plaques adjacentes Autrement dit, il est possible que les encoches se superposent toutes les unes aux autres,de sorte que l'écartement des plaques adjacentes disparaît et que ces plaques adjacentes se touchent sur toute leur longueur Ceci peut résulter d'un montage incor- rect ou d'un mouvement des plaques les unes par rapport aux autres pendant le fonctionnement normal ou pendant l'opéra- tion de soufflage de la suie En tous les cas, cet emboîte- ment doit être évité, car l'écoulement de fluide entre les plaques adjacentes devient impossible lorsque les plaques s'emboîtent les unes dans les autres. L'invention a donc pour objet un assemblage per- fectionné d'un élément de transmission de la chaleur dans lequel l'intégrité structurelle des plaques de transmission de la chaleur est améliorée par encochage, l'assemblage étant simultanément conçu de manière à empêcher tout emboîtement. Pour parvenir à cet objectif ainsi qu'à d'autres objectifs qui ressortiront de la description qui suit, l'as- semblage d'élément de transmission de la chaleur selon l'invention comprend plusieurs premières et secondes plaques absorbant la chaleur, empilées d'une façon alternée et à distance les unes des autres pour que les premières et secondes plaques adjacentes forment entre elles plusieurs canaux destinés à l'écoulement d'un fluide d'échange de chaleur entre ces plaques, des entretoises étant disposées entre ces dernières pour les maintenir à une distance pré- déterminée les unes des autres Les entretoises comprennent des plis à deux lobes formés dans les premières et secondes plaques Conformément à l'invention, les plis des premières plaques ont leur premier lobe faisant saillie vers l'exté- rieur, dans une première direction, et leur second lobe faisant saillie vers l'extérieur, dans une seconde direction qui est opposée à la première direction, tandis que les plis des secondes plaques ont leur premier lobe faisant saillie vers l'extérieur dans la seconde direction et leur second lobe faisant saillie vers l'extérieur dans la première direction Ainsi, les plis de la seconde plaque ont un pas qui est opposé à celui des plis de la première plaque Etant donné que les plis des plaques adjacentes sont de pas oppo- sés, en aucune manière les plis desdites plaques adjacentes ne peuvent se superposer Par conséquent, l'emboltement des première et seconde plaques adjacentes est empêché. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: ' la figure 1 est une vue en perspective, avec arra- chement partiel, d'un échangeur de chaleur rotatif à récu- pération; - la figure 2 est une vue partielle en perspective, à échelle agrandied'une forme de réalisation de l'assem- blage d'élément de transmission de la chaleur selon l'in- vention; la fiqure 3 est une vue partielle en perspective, à échelle agrandie, d'une autre forme de réalisation de l'assemblage d'élément de transmission de la chaleur selon l'invention; la figure 4 est une vue Partielle en persnective, à échelle agrandie, d'une autre forme de réalisation de l'assemblage d'élément de transmission de la chaleur selon 1 'invention. La figure 1 représente un appareil 2 d'échange de chaleur à récupération dans lequel on peut utiliser l'assem- blage d'élément de transmission de la chaleur selon l'inven- tion L'échangeur de chaleur 2 à récupération comprend un corps 10 renfermant un rotor 12 dans lequel l'assemblage d'rélément de transmission de la chaleur selon l'invention est monté Le rotor 12 comprend une enveloppe cylindrique 14 reliée à l'axe 16 du rotor par des cloisons s'étendant radialement Un fluide de chauffage pénètre dans le corps 10 par une gaine 18, tandis que le fluide à chauffer pénètre dans le corps 10 par l'extrémité opposée, au moyen d'une gaine 22. Le rotor 12 est mis en rotation autour de son axe par un moteur relié à l'arbre 16 au moyen d'un réducteur convenable à engrenage (non représenté) Lorsque le rotor 12 tourne, les plaques de transmission de la chaleur qu'il porte sont d'abord amenées en contact avec le fluide chauf- fant dans le corps par la gaine 18 pour en absorber de la chaleur, puis placées en contact avec le fluide à chauffer entrant dans le corps par la gaine 22 Lorsque le fluide chauffant passe par les plaques de transmission de la cha- leur, ces dernières absorbent la chaleur de ce fluide Lors- que le fluide d chauffer passe ensuite sur les plaques de transmission de la chaleur, il en absorbe de la chaleur qui leur a été cédée au moment de leur contact avec le fluide chauffant. Comme montré sur la figure 1, l'échangeur de cha- leur de récupération est souvent utilisé comme préchauffeur d'air, application dans laquelle l'élément d'absorption de la chaleur sert à transmettre la chaleur de gaz chauds de carneau, décagés dans un four à combustible fossile, à de l'air ambiant fourni au four comme air de combustion, de manière à préchauffer cet air de combustion et à élever le rendement global de la combustion Très souvent, le gaz de carneau sortant du four est chargé de particules dégagées pendant le processus de combustion Ces particules ont ten- dance à se déposer sur les plaques de transmission de la chaleur, en particulier à l'extrémité froide de l'échan- qeur de chaleur o toute humidité présente dans les gaz de Carneau risque de se condenser. Pour permettre un nettoyage périodique de l'assem- blage d'élément de transmission Ae la chaleur, l'échangeur de chaleur comporte une buse 20 de nettoyage disposée dans le canal d'écoulement du fluide à chauffer, à proximité de l'extrémité froide du rotor 12 et en face de l'extrémité ouverte de l'assemblage d'élément de transmission de la chaleur La buse 20 de nettoyage dirige un fluide de nettoya- ge sous haute pression, généralement de la vapeur d'eau, de l'eau ou de l'air, à travers les plaques pendant qu'elles tournent lentement et tandis que la buse elle-même effec- tue un mouvement de balayage sur la face extrême du rotor. Lorsque le fluide à haute pression passe entre les plaques espacées de transmission de la chaleur, une turbulence enqendrée dans le jet de fluide fait vibrer ces plaques de manière à décoller par ébranlement les cendres volantes et d'autres dépôts de particules y adhérant Les particules ainsi détachées sont ensuite entraînées par le courant de fluide à haute pression, et retirées du rotor. Les fiqures 2, 3 et 4 représentent trois variantes de l'assemblage 30 d'élément de transmission de la chaleur selon l'invention Comme représente, chaque assemblage dom- prend plusieurs premières plaques 32 d'absorption de la chaleur et plusieurs secondes plaques 64 d'absorption de la chaleur empilées de façon alternée et à distance les unes des autres afin de former entre elles plusieurs canaux 36. Ces canaux 36 constituent un circuit d'écoulement pour un fluide d'échange de chaleur entre les plaques, ce fluide échangeant de la chaleur avec les plaques Des entretoises 38 A, 38 B sont destinées à maintenir des plaques adjacentes 32 et 34 à une distance prédéterminée l'une de l'autre et à maintenir ainsi les canaux 36 d'écoulement à l'état ouvert. Les plaques 32 et 34 sont habituellement réalisées en tôle mince pouvant être laminée ou emboutie suivant la configuration souhaitée; cependant, l'invention n'est pas 17045 nécessairement limitée à l'utilisation de plaques métalliques. Les plaques 32 et 34 peuvent avoir diverses configurations de surface, par exemple, à titre nullement limitatif, une surface plane comme montré sur la figure 2, ou de préférence une surface ondulée comme montré sur les figures 3 et 4 Des plaques ondulées présentent une série de sillons obliques qui sont relativement peu profonds par rapport à la distance séparant les plaques adjacentes En général, les sillons sont inclinés de manière à former un angle aigu avec l'écou- lement du fluide d'échange de chaleur sur les plaques, comme montré sur les figures 3 et 4 Les ondulations des plaques adjacentes peuvent être orientées obliquement par rapport à la ligne d'écoulement du fluide d'échanqe de chaleur entre les plaques, suivant un alignement tel que montré sur la figure 3 ou, si cela est souhaité, elles peuvent être oppo- sées les unes aux autres comme représenté sur la figure 4. Les entretoises 38 A et 38 B sont formées par gaufrage des plaques métalliques 32 et 34 pour produire des plis bilobés dans ces plaques, à intervalles Les plis bilobés 38 A et 38 B comportent des premiers et seconds lobes 40 et 50, respectivement, faisant saillie de la surface de la plaque dans des directions opposées De préférence, chacun des lobes 40 et 50 se présente sous la forme d'une gorge sen- siblement en V dont le sommet est dirigé vers l'extérieur de la plaque De plus, il est avantageux que les plis 38 A et 38 B soient alignés avec la ligne d'écoulement à travers l'assemblage de l'élément de façon que l'écoulement suive les gorges pour que ces dernières n'opposent pas une résis- tance notable à l'écoulement du fluide-à travers l'assemblage de l'élément. Conformément à l'invention, les gorges 38 A des premières plaques 32 absorbant la chaleur et les gorges 38 B des secondes plaques 34 absorbant la chaleur ont des pas opposés Autrement dit, le premier lobe 40 de chaque pli 38 A des premières plaques 32 fait saillie vers l'extérieur de la plaque dans une première direction et le second lobe de ce pli fait saillie vers l'extérieur de la plaque dans une seconde direction qui est opposée à la première direction. Dans le même temps, le premier lobe 40 de chaque pli 38 B des secondes plaques 34 fait saillie vers l'extérieur de la plaque dans la seconde direction et le second lobe 50 de ce pli 38 B fait saillie de la plaque dans la première direction qui est opposée à la seconde direction. Etant donné que les plis 38 B des secondes plaques 32 ont un pas opposé à celui des plis 38 A des premières plaques 34, l'emboîtement des plaques adjacentes qui sont alternativement des premièreset secondesplaques 32 et 34, respectivement, est impossible Si les plaques 32 et 34 étaient identiques, c'est-à-dire si les plis 38 A et les plis 38 B avaient un pas identique, un emboîtement complet pourrait se produire entre des plaques adjacentes et pour- rait ainsi fermer complètement les canaux 36 d'écoulement entre les plaques adjacentes Bien qu'il soit préférable que les plis 38 A et 38 B soient éqalement espacés de façon alternée, l'emboîtement est empêché, conformément à la présente invention, du fait du pas opposé des plis 38 A et 38 B, même si les plis 38 A et 38 B viennent en alignement. Bien que l'assemblage d'élément de transmission de la chaleur ait été décrit et représenté comme faisant partie d'un échangeur de chaleur rotatif de récupération, il est évident à l'homme de l'art que l'assemblage selon l'invention peut être utilisé dans un certain nombre d'au- tres appareils d'échange de chaleur, non seulement du type à récupération mais également du type à régénération De plus, diverses confiqurations de plaques dont certaines ont été indiquées, peuvent être aisément utilisées dans l'assem- blage d'élément de transmission de la chaleur selon l'inven- 1 ion, ainsi qu'il est évident à l'homme de l'art. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées à l'assemblage décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Assemblage d'élément de transmission de la cha- leur destine à un échangeur de chaleur et caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs premières plaques dans les autres, des premières et secondes plaques adjacentes. 2 Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second lobes des plis bilobés cons- tituent des gorges de forme sensiblement en V dont le sommet est dirigé vers l'extérieur desdites plaques. 3 Assemblaqe selon l'un des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les premières et secondes plaques sont ondulées. 4 Assemblage selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les premières et secondes plaques sont empilées de façon alternée afin que les plis des premières plaques soient alignés les uns sur les autres et que les plis des secondes plaques soient également alignés les uns sur les autres, mais disposés à mi-distance entre les plis alignés des premières plaques. Assemblaqe selon la revendication 3, caractêri- sé en ce que les premières et secondes plaques sont ondulées.