Brevet FR2562997A1 — publié le 19851018

ECHANGEURS DE CHALEUR A PLAQUES ET NOUVEAU TYPE DE PLA- QUES PERMETTANT L'OBTENTION DE TELS ECHANGEURS. La présente invention a-trait à un nouveau type d'échangeur à plaques; elle concerne également les plaques permettant de réaliser un tel échangeur. Les échangeurs de chaleur développés à ce jour peuvent être classés dans deux grandes catégories, à savoir les échangeurs tubulaires et les échangeurs à plaques. D'une manière générale, les échangeurs à plaques sont constitués par empilement d'un nombre déterminé de plaques nervurées, du même type, qui sont serrées entre deux fonds au moyen de tirants. Les plaques pos- sèdent dans leurs angles des ouvertures qui délimitent dans l'empilement des passages d'entrée et de sortie pour les deux fluides. L'alternance des fluides dans les espaces successifs compris entre les plaques est obtenue grâce à des joints de forme appropriée. De tels échangeurs présentent de très bonnes per- formances thermiques pour un faible encombrement. Cependant, du fait de la présence de joints, ils ne peuvent pas être utilisés lorsque l'on désire travail- ler à haute température et pression élevée. De plus, ils ne peuvent pas être utilisés dans le cas de certains gaz. Le Demandeur a également commercialisé depuis très longtemps des échangeurs constitués de blocs parallélé- pipédiques en graphite et dans lesquels sont percées deux séries de canaux permettant de réaliser des circuits totalement indépendants pour les deux fluides. Ces blocs présentent l'avantage de pouvoir être construits en série et d'être interchangeables. Par ailleurs, comme ils se présentent sous la forme de modules, ils peuvent être combinés en fonction des applications particulières pour lesquelles l'échangeur doit être réalisé. Ce type d'échangeur modulaire présente cependant 2 2- comme inconvénient d'être en graphite, d'avoir une résistance méca- niaue faible et une tenue en température limitée à 200 C. Or on a trouvé, et c'est ce qui fait l'objet de la présente invention, un nouveau type d'échangeurs à circuits de fluides indé- pendants qui, non seulement présente les avantages des échangeurs constitués de blocs parallélépipédiques modulaires du type précité, mais également permet d'obtenir un ensemble compact, présentant une grande surface d'échange thermique d'une manière similaire aux échangeurs à plaques. D'une manière générale, l'échangeur selon l'invention, à circuits de fluides indépendants, est du type constitué d'éléments modulaires sous forme de blocs maintenus juxtaposés à l'intérieur d'une enceinte définissant des chambres indépendantes pour chacun des fluides et il se caractérise par le fait que chaque bloc pré- sente des canaux superposés débouchant alternativement dans les chambres latérales de circulation de fluide, ces canaux s'étendant sur toute la largeur du bloc. Avantageusement, les canaux sont de forme parallélépipédique et sont constitués à partir de plaques embouties et sont ensuite soudés pour former un parallélépipède monobloc dont le nombre de canaux est adapté aux problèmes techniques à résoudre. L'espace compris entre deux plaques et qui forme donc le canal peut être soit entièrement libre, soit éventuellement compor- ter des éléments de renforcement tels que des picots de liaison. Des plaques intercalaires profilées, peuvent également être introduites à l'intérieur des canaux, ces plaques permettant non seulement de jouer le rôle d'un élément raidisseur augmentant la résistance de 1 'échangeur mais également de contrôler la turbulence des fluides et leur perte de charge ainsi que d'améliorer le coef- ficient d'échange thermique. Les plaques peuvent être directement embouties avec,,un ou plusieurs profils particuliers de rainures supprimant les plaques intercalaires. Dans ce cas, le profil d'emboutissage assure en même temps la résistance mécanique par de nombreux points d'appui et la distribution des fluides. 2562997! 3- Selon une forme de l'invention, les plaques embou- ties définissant les canaux ont une configuration telle qu'elles présentent après assemblage, dans chaque angle, une arête verticale. Cette arête permet de réaliser la juxtaposition des modules au moyen de montants sur les- quels viennent se fixer les parois latérales propre- ment dites, parois montées de préférence de manière démontable et qui canalisent les fluides et définissent le nombre de passages, c'est-à-dire le nombre de canaux utilisés à chaque passage pour obtenir la vitesse maxi- mum compatible avec les pertes de charge. La hauteur des canaux (espacement entre deux plaques consécutives) sera déterminée en fonction des conditions de service (5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm...). Un échangeur peut être constitué soit entièrement de canaux de hauteur homogène, soit, éventuellement, de canaux de hauteurs différentes sur chaque circuit. L'invention et les avantages qu'elle apporte seront cependant mieux compris grâce à l'exemple de réalisation donné ci-après à titre indicatif mais non limitatif et qui est illustré par les schémas annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en plan d'une plaque élé- mentaire, avant emboutissage, permettant de réaliser un échangeur conforme à l'invention; - - la figure 2 est une vue en perspective montrant la structure de cette plaque après emboutissage; - la figure 3 eat une vue partielle, en perspective, montrant la manière (ont sont réalisés les canaux d'un échangeur conforme à l'invention à partir des plaques élémentaires; --la figure 4 e3t une vue en coupe montrant la fixa- tion desdits canaux aux montants permettant de les réu- nir pour former l'écnangeur; - les figures 5,6,7 et 8 sont respectivement des vues en élévation, en coupe selon l'axe AA, selon - de la manière illustrée par les figures 1 et 2. Chaque plaque élémentaire (20), dont les dimensions sont for. c- tion du type d'échangeur à réaliser, est tout d'abord découpée selon la configuration représentée à la figure 1, de manière à présenter quatre côtés (21,22,23,24), chaque angle comportant une languette débordante (25, 26, 27,28). Les plaques sont réalisées à partir de tous mné- taux emboutissables et soudables, tels que par exemple en acier, acier inoxydable, tipane, zirconium... La plaque ainsi réalisée est alors emboutie de la manière illustrée à la figure 2, de telle sorte que les bords soient retournés alternativement en sens inverse de et que les languettes forment, dans chaque angle, une arête verticale. Pour obtenir un bloc conforme à l'invention, il suffit donc, ainsi que cela ressort de la figure 3, de superposer des plaques élémentaires ainsi embouties et de les souder entre elles. On obtient daonc ainsi une alternance de canaux (18,19), croisés les uns par rapport aux autres et fermés sur deux côtés. La réa- lisation du bloc proprement dit est obtenue en inser rant les arêtes, (25) par exemple, dans un montant rigide (3) pour l'arête (25). Un cordon de soudure (29) est réalisé pour assurer l'étanchéité au niveau du montant. En superposant ainsi une pluralité de blocs, il est donc possible d'obtenir un échangeur parfaitement ad-apté aux problèmes à résoudre. Eventuellement, il peut être possible de renforcer la résistance entre les plaques en prévoyant des picoDts de liaison entre deux plaques consécutives à l'intér _eur des canaux. De même, ainsi que cela a été représenté à la f Lgure , on peut inserrer dans les canaux formés des plaqu.es additionnelles (30) ondulées par exemple, permettant, non seulement de jouer le rôle d'un élément raidisse'.r augmentant la résistance, mais également de contrôle- 2562997' - 4 - l'axe BB et de dessus d'un échangeur réalisé conformé- ment à l'invention. Si l.'on se reporte aux schémas annexés et plus par- ticulièrement aux figures 5 à 8, l'échangeur conforme à l'invention est du type constitué d'éléments-modulaires maintenus juxtaposés à l'intérieur d'une enceinte, élé- ment dont la structure conformément à l'invention sera vue plus en détail dans la suite de la description. Ces éléments modulaires désignés par la référence généra- le (M, seront maintenus juxtaposés par l'intermédiaire de qt.atre montants rigides(1,2,3,4). Ces montants rigides supportent des parois (5, 6,7,8) montées de préférence de manière amovible, par exemple au moyen de vis sur les- dits montants. Les parois forment en association avec les montants des chambres indépendantes (9,10,11,12) pour chacun des fluides. Des conduits d'amenée (13,14) et de sortie (15,16) pour chacun des fluides sont prévus dans les parois. Bien entendu, les fluides peuvent s'écouler soit dans le même sens soit en sens inverse. Dans le cas présent, les parois (5,6,7,8) définissent avec les blocs des chambres de forme parallélépipédique mais il est évi- dent que cela n'est pas limitatif. Des fonds (17,18) sont disposés à chaque extrémité et maintiennent les blocs élémentaires les uns contre les autres. Ces fonds sont montés de manière étanche sur les parois. Conformément à l'invention, les blocs (1) à l'inté- rieur desquels circulent les fluides se caractérisent, ainsi que cela ressort plus clairement de la figure 3, par le fait qu'ils présentent des canaux superposés (18, 19) débouchant alternativement dans les chambres latéra- les et s'étendant sur toute la largeur de chaque bloc. Ces canaux sont de forme parallélépipédique et sont constitués par l'espace compris entre des plaques embou- ties, désignés par la référence générale (20), réalisés -6_ la turbulence des fluides et leur perte de charge ainsi que d'améliorer le coefficient d'échange thermique. Dans une telle variante, le nettoyage de l'ensemble est facilité par le fait que lesdites plaques intercalaires peuvent être facilement enlevées. Si la surface des plaques définissant les canaux de circulation des fluides peut être lisse, il peut être envisagé de réaliser des plaques embouties avec un ou plusieurs profils particuliers de rainures. Dans ce cas, le profil d'emboutissage assure en même temps la résis- tance mécanique par de nombreux points d'appui et la distribution des fluides. Comme profil, on peut par exem- ple avoir un profil se présentant sous la forme d'ondu- lations disposées en biais, par exemple à 45 par rapport aux côtés des plaques. On conçoit qu'il est ainsi possi- ble de modifier la distribution des fluides en fonction de la manière dont les plaques sont superposées les unes par rapport aux autres. Par rapport aux échangeurs à plaques et/ou aux échangeurs modulaires antérieurs, l'échangeur conforme à l'invention présente de nombreux avantages parmi les- quels on peut citer notamment: - d'être facilement adapté aux problèmes techniques à résoudre par le fait qu'il est constitué d'éléments standard, obtenus par exemple par emboutissage, qui sont ensuite soudés pour former un parallélépipède monobloc dont le nombre de canaux peut être variable; - de présenter, comme déjà dit, deux circuits indé- pendants parfaitement nettoyables et visitables; - de pouvoir éventuellement combiner, dans un même échangeur, des canaux de hauteur différente sur chaque circuit. Les échangeurs peuvent être utilisés aussi bien verticalement qu'horizontalement et peuvent recevoir des gaz ou des liquides et trouver des applications dans de - 7 nombreux domaines (chimie, chauffage des habitats, agro- chimie..). Ils peuvent être utilisés en réfrigérants, évapora- teurs, bouilleurs, condenseurs et présenter un ou deux circuits totalement étanches sans joint. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exem- ple de réalisation décrit précédemment, mais elle en couvre toutes les variantes réalisées dans le même esprit. Ainsi, s'il est avantageux de réaliser les plaques élé- mentaires par emboutissage, toute autre technique per- mettant d'obtenir une structure équivalente à partir d'une plaque pourrait être envisagée. Il en est de même pour la distribution des fluides. On peut susbsituer aux chambres démontables des chambres soudées; l'échangeur peut se présenter sous toute forme telle que cylindrique ou rectangulaire et être assemblé par modules identiques ou différents. 8- REVENDICATIONS 1/ Echangeur de chaleur à circuits de fluides indépen- dants, constitué d'éléments modulaires M sous forme de blocs maintenus juxtaposés à l'intérieur d'une enceinte définissant des chambres indépendantes pour chacun des fluides, caractérisé par le fait que chaque bloc M pré- sente des canaux superposés (18,19) débouchant alterna- tivement dans les chambres latérales (9,10,11,12) de circulation de fluides, ces canaux s'étendant sur toute la largeur du bloc. 2/ Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les canaux (18,19) sont de forme parallélépipédique. 3/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisé par le fait que des éléments de renforcement sont disposés à l'intérieur de chaque canal. 4/ Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les éléments de renforcement sont constitués par des picots espacés les uns des au- tres. / Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les éléments de renforcement sont constitués par des plaques intercalaires profilées, amovibles, ces plaques permettant également de contr1ôler la turbulence des fluides et leur perte de charge ainsi que d'améliorer le coefficient d'échange thermique. 6/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que les plaques définis- sant les canaux sont obtenues par emboutissage, associées entre elles par soudure et comportent, dans chaque angle, une arête verticale permettant de les fixer dans des montants (1,2,3,4) sur lesquels viennent se fixer les parois latérales (5,6,7,8) définissant les chambres de circulation des fluides. - 9-- 7/ Echangeur de chaleur selon l'une des revendica- tions 1 à 5, caractérisé par le fait que les plaques définissant les canaux superposés (18) et (19) sont planes. 8/ Echangeur de chaleur selon l'une-des revendica- tions 1 et 2, caractérisé par le fait que les plaques définissant les canaux superposés (18) et (19) sont profilés de manière à former des rainures qui prennent appui les unes sur les autres et assurent en même temps la résistance mécanique ainsi que la distribution des fluides. 9/ Plaque permettant la réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8.