Brevet FR2584176A1 — publié le 19870102

Echangeur de chaleur à plaques et outil d'estampage pour sa fabrication L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur à plaques qui se compose d'une pile de plaques d'échange de chaleur estampées en t81e rangées les unes à côté des autres et insérées entre deux plaques massives. La zone médiane servant à l'échange de chaleur des plaques est munie d'excroissances augmentant la turbulence et améliorant ainsi le transfert thermique. L'objet de l'invention est de donner k la partie médiane des plaques une configuration qui permette de réaliser n'importe quelle longueur thermique désirée à l'intérieur d'une certaine zone de celle-ci. Sil'on part du principe que les dimensions de la partie médiane de la plaque servant au transfert thermique, c'est-à-dire sa longueur et sa largeur ainsi que sa distance par rapport à la plaque voisine, sont fixes, il en résulte alors que la longueur thermique de ce type de plaquedn'est plus déterminée que par la forme du profil de la partie médiane. Dans de nombreux domaines d'utilisation des échangeurs de chaleur à plaquea,en particulier dans les gros appareils, qui sont employés h des fins de refroidissement, on exige que toute la transmission de chaleur s'effectue sur la longueur d'un trajet de la plaque, c'est-à-dire que dans ces appareils toutes les plaques sont montées paral.lèlement et que les deux fluides traversent l'appareil en contre-courant. Sil'cn part du principe que pour un travail donné, on veut aussi qu'il se produise une perte de charge définie à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, c'est cette considé- ration qui déterminera également la longueur thermique idéale de l'échangeur de chaleur ou de ses plaques. Cette longueur est donnée lorsque, dans le cas d'une perte de charge prédéterminée, c'est précisément la quantité de liquide dans laquelle se produit la variation de température désirée qui traverse le canal de la plaque. Si la longueur thermique des types de plaques utilisées est trop grande, il faut alors, pour ne pas dépasser la perte de charge maximale prédéterminée, installer dans l'appareil un plus grand nombre de plaques d'échange de chaleur que cela ne serait nécessaire pour l'effet thermique et l'appareil est par conséquent sur- dimensionné. Si, par contre, la longueur thermique est trop faible, il faut alors que la quantité de liquide débitée par canal de la plaque soit réduite jusqu'à ce que le programme thermique soit accompli. La réduction des quantités débitées par les plaques provoque toutefois simultanément un abais- sement du coefficient de transmission thermique, d'o il résulte que des échangeurs de chaleur ainsi utilisés nécessitent souvent une surface d'échange sensiblement plus grande que ceux présentant la longueur thermique correcte. Pour remédier k cet état de choses connu, on construit des plaques d'échange de chaleur de même grandeur, mais de différents profils pour, en cas de besoin, se rapprocher davantage de la longueur thermique idéale. La plupart des plaques modernes présentent dans leur partie médiane un profil qui est constitué par des ondulations qui sont disposées obliquement par rapport à l'axe longitudinal et par conséquent aussi par rapport au sens de l'écoulement et qui croisent les ondulations dirigées dans le sens opposé de la plaque voisine. Les angles que ces ondulations forment avec l'axe longitudinal se situent généralement entre 35 et 65 . Ils ont une importance déterminante pour la longueur thermique de la plaque et peuvent affecter celles-ci dans un rapport d'environ 1s4. On observe à cet égard que la longueur thermique diminue à mesure que l'angle se rétrécit. D'après un système connu,on utilise deux types de plaques avec différents angles des ondulations qui - utilisé chacun individue]lement-forment des canaux d'écoulement de:rande et de petite longueur thermique. Une combinaison par emploi alterné des deux types de plaques donne des canaux de longueur thermique moyenne. Il est clair que ce système ne permet qu'un étagement grossier des longueurs thermiques et ne peut donc être satisfaisant. Selon une autre proposition, la partie médiane de la plaque est divisée en plusieurs panneaux en forme de bandes qui sont disposés transversalement à l'axe longitudinal et présentent à leur tour des ondulations ayant différents angles d'inclinaison par rapport à l'axe longitudinal. Les panneaux en forme de bandes sont formés à l'aide de pièces interchangeables préformées dans l'outil de pressage. Par l'utilisation simultanée de panneaux présentant un grand angle et d'autres présentant un petit angle, on peut modifier la longueur thermique de la plaque. Il est par conséquent, certes possible de se rapprocher dela longueur idéale, mais cette construction également est assortie d'inconvénients. Un profil à petit angle donne avec les conditions d'écoulement régnant dans la zone de turbulence, un coefficient de transmission thermique qui est inférieur de 50 'a à celui que l'on obtient avec un profil à grand angle lorsque les deux profils reçoivent la même quantité de liquide. Il en résulte un coefficient de transmission thermique moyen qui se situe en dessous de celui obtenu lorsqu'on choisit un profil uniforme ayant l'angle qui donne exactement la longueur thermique exigée du canal de la plaque. Dans le cas de l'objet de l'invention, cela est obtenu par les dispositions suivantes: La partie médiane de la plaque comporte de nombreux panneaux circulaires étroitement rangés les uns à côté des autres et munis d'excroissancesen forme d'ondulations. Les ondulations sont dirigées obliquement par rapport à l'axe longitudinal des plaques. Pour la fabrication de la plaque, on utilise un outil de pressage dans la partie médiane duquel sont engagés des poinçons en forme de disques dont la face supérieure présente un profil approprié pour l'estampage des ondulations. Les poinçons eux-mêmes sont montés rotatifs dans l'outil de manière que l'angle que forment les ondulations par rapport à l'axe longitudinal de l'outil de pressage,et par conséquent de la plaque d'échange de chaleur,puisse être modifié. De cette façon il est possible de donner à la plaque d'échange de chaleur exactement le profil qui est nécessaire pour obtenir la longueur thermique exigée. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de modes de réalisation pris comme exemples, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: la figure I est une vue en élévation d'une plaque d'échange de chaleur dont la partie médiane comporte des excroissances disposées symétriquement par rapport à l'axe transversal CD; la figure 2 représente une portion de la même partie médiane avec angle modifié des ondulations; la figure 3 représente la même portion, mais avec une autre disposition du sens des ondulations; la figure 4 représente la partie médiane d'une plaque réalisée dissymétriquement par rapport à l'axe transversal CD; la figure 5 représente en coupe un poinçon d'estampage pour la fabrication d'un panneau ondulé circulaire et une section de l'outil de pressage; la figure 6 est une vue en plan du même poinçon d'estampage. La figure 1 représente une plaque d'échange de chaleur vue en élévation. Dans sa partie médiane 1 sont imprimés un grand nombre de panneaux circulaires 2 qui sont constitués par des ondulations 3 représentées sous forme de traits sur le dessin. Par souci de clarté, les panneaux ondulés sur le dessin sont entourés par une ligne circulaire 4. Les endroits subsistant entre les panneaux circulaires sont munis d'ondulations 5. Les endroits qui, dans la partie médiane, pour des raisons de construction (géométriques)sont trop petits pour l'aménagement des panneaux 2 peuvent être pourvus de panneaux circulaires 6 de dimensions appropriées et comportant également des ondulations 7. Les ondulations 3 de la moitié supérieure de la partie médiane forment par rapport à l'axe médian AB un angle déterminé.-. Dans la moitié inférieure - enantiomorphe par rapport à la première, elles forment un angle '' d'égale grandeur. Sur le dessin, cet angle est de 30 . La partie médiane de la plaque voisine est tournée de 1800 autour d'un axe médian perpendiculaire au plan de la plaque de façon que les ondulations des deux plaques se croisent, les panneaux se superposant. L'angle d'intersection des ondulations est alors égal à 24, c'est-à-dire de 600. Cet angle déterminerait un canal d'écoulement de courte longueur thermique. La figure 2 représente le centre d'une plaque d'échange de chaleur de même conception mais duns laquelle l'angle ' est de 600. L'angle d'intersection de deux plaques ainsi réalisées est donc de 1200, ce qui correspond à un profil de grande longueur thermique. La figure 3 représente une partie médiane dont les panneaux ondulés 2 dans les rangées horizontales présentent des ondulations 3 changeant continuellement de sens. Par la superposition de deux plaques voisines, on obtient un croisement des ondulations et par conséquent le même effet qu'avec la plaque de la-figure 1. La figure 4 représente une partie médiane dans laquelle les panneaux ondulés 2 ne sont pas eniantiomorphes par rapport à l'axe transversal CD, mais sont décalés les uns par rapport aux autres. Il en résulte que dans le cas de deux plaques successives dont les parties médianes sont tournées de 1800 l'une par rapport à l'autre autour d'un axe central perpendiculaire au plan de la plaque, les panneaux ondulés 2 recouvrent les ondulations 5 situées dans les petites zones intermédiaires. On obtient de la sorte un mode de réalisation particulièrement homogène des canaux d'écoulement, La figure 5 représente en coupe un poinçon d'estampage 8 pour la fabrication d'un panneau ondulé 2. La figure 6 est une vue en plan du poinçon d'estampage 8. Cette partie ronde de l'outil est montée encastrée dans la plaque prin- cipale 9 de l'outil de pressage et est fixée au moyen d'une vis centrale 11. Cette construction permet de faire tourner le poinçon d'estampage et ainsi de faire varier k volonté la direction des nervures 10 dans l'outil de pressage. Si l'on considère la partie représentée de l'outil en tant que partie inférieure, la partie supérieure peut alors être réalisée de façon analogue sous forme de contre-moule. Il est toutefois aussi possible de réaliser l'une des deux moitiés de l'outil sous forme de moule k coussin de caoutchouc. Le mode de réalisation selon l'invention de l'outil de pressage des plaques permet non seulement de donner k la plaque d'échange de chaleur n'importe quelle longueur thermique k l'intérieur de certaines limites, mais offre aussi la possibilité de fabriquer des plaques spéciales dont la partie médiane présente une caractéristique d'écoulement se modifiant progressivement. La partie médiane peut par exemple commencer dans la zone supérieure par une rangée de panneaux k grande angle " puis, avec une diminution progressive de l'angle à chaque rangée, se terminer dans la zone inférieure par un petit angle De telles plaques conviennent pour l'échange de chaleur de substances dont la viscosité varie fortement avec la température. On utilise alors la zone ayant le petit angle o -donc ayant le profil qui offre le moins de résistance à l'écoulement - sur le côté o le fluide présente la viscosité la plus élevée. Un autre domaine d'utilisation de ces plaques spéciales est constitué par les évaporateurs à plaques dans lesquels, par suite de l'évaporation partielle du liquide dans le canal de la plaque, il se produit une forte augmentation de volume. Dans ce cas, on introduit le fluide à vaporiser à l'extrémité de la plaque dont le profil provoque la plus grande résistance à l'écoulement. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur démontable à plaques avec plaques estampées en tôle dont la partie médiane servant à l'échange de chaleur comporte de nombreuses excroissances en forme d'ondulations qui sont disposées obliquement par rapport à l'axe longitudinal de la plaque et, dans les plaques voisines, viennent s'appliquer les unes contre les autres en se croisant, caractérisé par le fait que les excroissances (3) en forme d'ondulations sont groupées en de nombreux panneaux ondulés circulaires (2) qui, étroitement rangés les uns à côté des autres, couvrent la partie médiane (1) de la plaque. 2. Echangeur de chaleur à plaques selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les panneaux ondulés (2) se superposent dans les plaques voisines. 3. Echangeur de chaleur à plaques selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les panneaux ondulés (2) sont placés de telle sorte que les espaces subsistant entre les panneaux circulaires (2) et comportant les ondulations (5) d'une plaque soient recouverts par les panneaux ondulés de l'autre plaque voisine. 4. Outil de pressage pour la fabrication des plaques d'échange de chaleur selon l'une quelconque des revendications t à 3, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une plaque de base (9) sur laquelle de nombreux poinçons d'estampage circulaires (8) sont fixés de manière à pouvoir être tournés autour de leur axe vertical (EF) et que les nervures (10), qui servent à l'impression des ondulations (10), puissent former l'angle voulu ( longitudinal (AB) de la plaque.