Brevet FR2536846A1 — publié le 19840601

La présente invention concerne une plaque échangeuse de chaleur, en particulier pour installations de lyophilisation, ainsi qu'un procédé pour sa fabrication. Dans les installations de lyophilisation et, de façon plus générale, dans de nombreuses usines chimiques et pharmaceutiques, on fait usage de plaque ou panneaux d'échange thermique, spécialement comme éléments de refroidissement de surfaces ou de milieux. Lesdites plaques sont en général constituées de deux tôles soudées ensemble, en formant entre elles un espace ou interstice uniforme. Pour maintenir parallèles les deux tôles disposées mutuellement en regard, des cales de écartement sont prévues dans l'interstice entre lesdites tôles. En général, lesdites pièces d'écartement sont disposées et conformées de façon à définir dans l'interstice, un parcours de va-et-vient, ou en zigzag pour le fluide thermovecteur. Ceci est adopté pour allonger le parcours du fluide et augmenter la vitesse à laquelle il lèche les surfaces d'échange thermique.Comme il est bien connu, le coefficient d'échange thermique entre un fluide et une surface solide, croît enfonction de l'augmentation de ladite vitesse. Normalement, les cloisons de séparation sont des lattes ou cales qui ferment l'interstice, disposées parallèles entre elles et aux deux côtés de la plaque rectangulaire, décalées les unes des autres de façon à laisser alternativement un passage libre vers l'un ou l'autre côté de la plaque, perpendiculaire aux lattes. Le fluide entre et sort respectivement aux deux extrémitésdudit trajet en zigzag. Bien que du point de vue opératoire, ces plaques ou panneaux de refroidissement ou, de façon plus gé- nérale, d'échange thermique soient tout à fait satis- faisants, ils présentent certains inconvénients graves de construction. En effet, la fixation des lattes aux deux tôles opposées présente une série de difficultés et implique le recours à des instruments coûteux. Cette fixation est actuellement réalisée par des soudures qui, en dehors du fait qu'elles entraînent normalement des difficultés et des coûts élevés, peuvent donner lieu à des plaques déformées, qui doivent être consécutivement redressées sous une forme plane.Outre son incidence notable et négative sur les couts de pro duction, cette opération pent par suite produire immédiatement, des rebuts. En phase d'exploitation, si les plaques se trouvent amenées en contact mutuel par lesdites soudures, leurs déformations spontanées, induites par les variations de température également très élevées, sont empêchées, si bien que lesdites plaques peuvent se déformer jusqu'à engendrer des ruptures. Le but de l'invention est d'éviter ou d'éliminer les inconvénients décrits ci-dessus, des plaques d'échange thermique de I l'art antérieur, par une non velle plaque et un nouveau procéde pour sa fabrication, qui autorisent une mise en oeuvre facile et éliminent l'éventualité de déformations immédiates ou retardées sous l'effet des tensions créées par l'usi- nage des plaques, et par les écarts thermiques. L'objectif précité, ainsi que d'autres qui appa- raîtront mieux dans ce qui suit, sont atteints selon l'invention par une plaque échangeuse de chaleur, formée de deux tôles de base parallèles, définissant un interstice entre elles, séparé par des éléments linéaires qui déterminent dans ledit interstice un parcours en zigzag, caractérisée par le fait que chaque élément linéaire diviseur intérieur de l'interstice est consti- tué par deux réglettes, opposées, chacune soudée à l'une des deux tôles, et unies entre elles par accouplement de contact le long d'un profil. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la description qui va suivre, d'une forme de réalisation, donnée à titre d'exemple indicatif, mais nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente une vue en plan, de dessus partiellement en coupe, d'une plaque dont la tale su- périeure est retirée; la figure 2 est une sue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 1; la figure 4 est un detail, à échelle agrandie, de la figure 2; et la figure 5 est un detail d'une variante, vu comme dans la figure 4. En se référant auxdites figures, on peut voir que une plaque d'change thermique, du type général décrit ci-dessus dans la partie d'introduction, qui est réali- sée én incorporant les caractéristiques de l'invention, est représentée respectivement en plan et dans les deux coupes normales des figures 1, 2 et 3, et est désignée dans son ensemble par le repère numérique 1. Ladite plaque est essentiellement un caisson plat en forme de plan rectangulaire, comportant une paroi de base inférieure 2 et une paroi de base supérieure 3, et fermé sur tout le périmètre par un bord 4 qui sert d'enveloppe latérale au caisson. L'espace intérieur de la structure en forme de caisson est divisé de façon à définir un labyrinthe ou parcours indiqué par les flèches, par des éléments diviseurs d'extremité 5 et intermédiaires 6. Un orifice d'entrée 7 et un orifice de sortie 8 sont appliqués, chacun de part et d'autre, aux deux côtés extrêmes de la plaque 1, parallèles aux éléments diviseurs 5 et 6.La forme des éléments diviseurs qui représente la caractéristique fondamentale de l'invention, est mieux représentés dans chaque détail dans la figure 4, qui est un agrandissement d'une partie de la figure 2. Les deux éléments diviseurs d'extrémité 5 sont des simples lattes de section rectangulaire soudées sur deux arêtes longitudinales 9 et 10 à la tôle supérieure 3 et soudées le long d'une arête longitudinal extérieure 11 à la tôle inférieure 2. Les éléments diviseurs intermédiaires 6 sent composés de deux cales en forme de barrettes, de section primitive rectangulaire, et précisément une cale supérieure 12, soudée le long de deux arêtes longitudinales 12a et 12b à la tôle supérieure 3 et une cale inférieure 13 de section sensiblement égale, soudés le long de deux arêtes longitudinales 13a et 13b à la tôle inférieure 2. Les deux cales présentent en outre, en positions correspondantes, une rainure longitudinale 12c, respective- ment 13c, et une dent, engendrée par la rainure, 12d, respectivement 13d. Les deux cales en paire de chaque élément diviseur 6 sont disposées de façon qu'après le montage de la plaque 1, elles se trouvent réciproquement engagées entre elles de sorte que la dent de chaque eale 12, 13 vienne s'insérer dans la rainure de l'autre, comme on peut le voir dans la figure 4. Le fonctionnement hydraulique et thermique de la nouvelle plaque 1 de l'invention ne différe pas de ce- lui des plaques d'échange thermique analogues de l'art antérieur. Ce qui est par contre modifié de façon diterminan- te quant aux effets de l'invention, c'est le procédé de fabrication de la plaque 1 qui sera maintenant expliqué dans ses phases essentielles. On soude séparément les cales respectives 12 et 13, dans les positions réciproques exactes, aux tôles 3 et 2 correspondantes. On soude les cales d'extrémité, dans cette phase, à la tôle 3 ensemble, ou en série, avec les cales 12. Ensuite, on oppose les deux tôles de façon que les ales correspondantes 12 et 13 soient en regard pour leur engrènement réciproque. Par translation d'ensertion relative, on amène les cales 12 et 13 opposées en engagement à encastrement comme dans la figure 44. On procède alors aux soudages le long des arêtes extérieures 11 des éléments diviseurs 5 et enfin on ferme la plaque par les côtée de contour 4. Le premier avantage, par degré d'importance, qui est inhérent au nouveau procédé, mais qui est rendu possible par la conformation originale des éléments diviseurs 6, consiste en l'élimination des causes de déformation de la plaque après le soudage. En effet, la plaque de l'art antérieur, considérée comme formée d'éléments diviseurs tous de type 5, soudés aux deux tôles 2 et 3, était une structure plusieurs fois hyperstatique, c'est-à-dire avec un nombre de firations en excès par rapport aux conditions de staticité, du fait que chaque cale était également soudée à l'autre plaque. Cette hyperstaticité dans des conditions de dilatations thermiques induisait inévitablement de fortes contraintes internes. Ceci est évité avec la nouvelle conception de l'invention, sauf dans le cas de la dernière soudure du dernier élément diviseur 5 qui est soudé à la tôle 2 après le montage. Mais ce cas hyperstatique unique produit des forces spécifiques très mineures, de l'ordre de n2 fois moindres, si n est le nombre des éléments diviseurs intermédiaires du type 6. En effet, non seulement la déformation par suite de la soudure individuelle se répercute sur une longueur n fois plus grande, et elle s'atténue dans cette même proportion, mais en effectuant n soudures comme dans la technique antérieure, les effets s'ajoutaient les uns aux autres, au moins statistiquement. A ce premier avantage essentiellement technologique, s'ajoutent les avantages économiques d'une nette épargne dans les coûts de fabrication, qui sont de nature double: 1) du fait qu'on n'a pas besoin des appareillages spécialisés, nécessaires dans l'art antérieur pour effectuer des soudures dans des positions inaccessibles, et 2) du fait que l'on évite toute opération de redressage des aque 0 Bien que le concept inventif expliqué ci-dessus soit élémentaire dans sa simplicité et sa clarté, il est entendu que l'on peut mettre en oeuvre ses formes d'exécution selon de nombreuses variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre et de l'esprit de ladite invention. La figure 5 représente un cas limité dans lequel, les deux cales, qui sont désignées par les répèresnumériques 22 et 23, se réduisent respectivement en pratique aux profils d'engagement correspondants, et sont ainsi des tôles au lieu de cales d'épaisseur. L'avantage de cette forme est représentée par l'économie de matériau, et par la possibilité de rendre les cales élastiques, en les réalisant en tôle pliée, facilitant les possibilités d'engagement réciproque par pression de contact réglable. En se référant à la figure 4, on doit observer-que ce qui conditionne la mise en oeuvre du procédé. est le fait que toutes les cales 12 sont égales et orientées également entre elles, et de même pour les cales 13. Convenablement, pour faciliter l'accouplement, on peut prévoir des guides et des chanfreins sur les dents 12d, 13d et sur les rainures 12c, et 13c, ou des profils légèrement en coin, ou d'autres moyens. Cette caractéristique qui consiste à disposer les encastrement tous orientés dans le même sens, a en elle-même le mérite de permettre aux deux tôles 2 et 3. de subir des libres dilatations différentielles, qui seraient au contraire empêchées par des encastrements d'orientations opposées, techniquement possibles du point de sue de la construction avec un montage par enfilement et conlissement des encastrements, de côté. Pour assurer une meilleure tenue et une certaine élasticité de contact entre les cales 12 et 13, on peut également prévoir des garnitures, par exemple en caoutchouc ou similaire, ou en matière plastique, telle que du polyéthylène qui se laisse bien revêtir également à froid, sur les dents 12d et/ou 13d. En pratique, les matériaux employés et les dimensions peuvent être quelconques suivant les nécessités. REVENDICATIONS 1. Plaque échangeuse de chaleur, formée de deux tôles de base parallèles définissant entre elles un interstice, séparé par des éléments linéaires qui dé- terminent dans l'interstice un parcours en zigzag, caractérisé par le fait que chaque élément linéaire diviseur intérieur de l'interstice est constitué par deux cales1 opposées, chacune soudées à l'une des deux taies, et unies entre elles par accouplement de contact le long d'un profil. .2. Plaque selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites cales ont une section fonda- mentelement rectangulaire dans laquelle ést. ménagée au moins une rainure et une dent, la dent d'une cale pouvant être engagée dans la rainure de la cale oppo sée à celle précitée. 3. Procédé de fabrication d'une plaque selon-la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend les phases consistant à disposer au préalable deux tales de base de la plaques A souder à chaque tôle les cales correspondantes, à accoupler les deux tales de façon à former une plaque à structure en caisson, en amenant les cales opposées en engagement de contact réciproque, et à fermer à étanchéité la structure en caisson ainsi obtenues 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les deux tôles sont accouplées en opposition de façon que les cales soient légèrement décalées, et les cales opposées se trouvent amenées simultanément en engagement réciproque, par coulissement plan d'une taie par rapport à l'autre.