Brevet FR2583864A1 — publié le 19861226

L'invention concerne un dispositif d'échange thermique du type échangeur à plaques perforées, présentant une étanchéité améliorée. Depuis quelque temps, on a proposé des échangeurs dits "compacts" constitués d'empilements de plaques perforées, sur lesquelles les perforations sont disposées de telle manière que leur empilement crée des espaces séparés dans lesquels peuvent circuler les fluides (liquides, gaz ou fumées) participant à l'échange thermique. L'organisme demandeur a lui-même décrit des dispositifs de ce type, en particulier dans le brevet français 2455721 "Echangeur de chaleur compact" et la demande de brevet français 2500610 "Echangeur de chaleur à plaques perforées". Suivant la disposition des perforations sur les plaques et la disposition des plaques dans l'empilement constituant l'échangeur, les espaces destinés à la circulation des fluides peuvent consister en des canaux dont la direction est perpendiculaire au plan des plaques ou en des "réseaux de circulation" créés par interconnexion de perforations entre les plaques adjacentes de l'empilement. Dans tous les cas, les espaces de circulation parcourus par un des fluides participant à l'échange thermique (ensembles de canaux ou réseaux de perforations interconnectées) doivent être séparés des espaces de circulation voisins parcourus par un autre fluide de manière à réduire le plus possible les fuites entre les divers espaces de circulation parcourus par des fluides différents. Pour obtenir ce résultat, il serait nécessaire d'utiliser des plaques perforées de très bonne planéité présentant un bon état de surface, très fortement serrées les unes sur les autres. L'obtention d'une planéité et d'un état de surface améliorés des plaques perforées constitue une contrainte qui peut conduire à un accroissement important de la complexité et du coût de leur fabrication. L'étanchéité souhaitée requérant en outre un serrage important de l'empilement, il serait nécessaire de mettre en oeuvre des moyens tels que des flasques d'épaisseur suffisante de part et d'autre de l'empilement, ainsi que des tirants en nombre et qualité suffisants pour réduire les fuites internes à une valeur compatible avec le fonctionnement souhaité du dispositif. Il s'ensuit également un accroissement de la complexité et du coût de montage des échangeurs de ce type. Dans ces conditions, il était particulièrement important de remédier de façon efficace au problème posé et l'on a pensé à s'orienter vers l'utilisation de joints à disposer en alternance avec toutes les plaques de l'empilement. Or, les caractéristiques constitutives des échangeurs compacts, et notamment la pression exercée pour le maintien de la cohésion de l'empilement, sont telles qu'il est particulièrement difficile de sélectionner un matériau adapté à l'utilisation envisagée. Or, on a maintenant découvert que, parmi un très grand nombre de matériaux que l'on a pu envisager d'utiliser, certains graphites expansés présentent un ensemble de propriétés qui les rendent particulièrement adaptés à cette utilisation. L'invention a donc pour objet principal de proposer un échangeur de chaleur à plaques qui, outre les avantages de faible coût, de compacité et de facilité de réalisation de la distribution des fluides, ne présente pas de fuites ou présente des fuites négligeables entre les fluides entre lesquels s'effectue l'échange thermique. Les échangeurs de chaleur selon l'invention peuvent être définis, d'une manière générale, en ce qu'ils comprennent un empilement de plaques perforées comprenant, entre deux plaques consécutives quelconques, au moins un joint de graphite expansé disposé de manière que chaque perforation des plaques correspondant à un espace de circulation parcouru par un fluide soit séparée des perforations correspondant aux espaces de circulation parcourus par un fluide différent. Plus particulièrement, les plaques peuvent comporter des perforations allongées disposées en rangées parallèles. Selon des modes de réalisation particuliers, qui seront décrits plus loin, le joint peut consister en une feuille de graphite expansé convenablement perforée ou en un ensemble de bandes de graphite expansé, elles-mêmes convenablement perforées, ou encore en un ensemble de bandes de graphite expansé non perforées convenablement disposées. Le graphite expansé utilisé comme matériau constitutif des joints des échangeurs de l'invention se présente avantageusement sous la forme de feuilles flexibles d'épaisseur variable obtenues par moulage par compression de particules de graphite expansées. On donne ci-après diverses caractéristiques physiques et mécaniques du graphite expansé considéré. - Masse volumique apparente: 200 à 2000 kg.m-3 - Module d'Young: 0,7.106 à 150.106N.m-2 - Conductibilité thermique: selon direction parallèle au plan de la feuille de graphite: à 400 W.m-l.oc-1 selon direction perpendiculaire au plan de la feuille de graphite: Dans les empilements de plaques perforées constituant les échangeurs de chaleur de l'invention, la pression de serrage appliquée, qui peut être par exemple de 2 à 25 bars, provoque un écrasement des joints de graphite expansé de 10 à 90 % par rapport à leur épaisseur initiale. Pour que la diminution de la hauteur de l'empilement sous la pression nominale de serrage ne soit pas trop important tout en assurant un écrasement suffisant pour compenser les défauts locaux de planéité des plaques (de l'ordre de quelques dixièmes de mm), on peut prévoir un rapport entre l'épaisseur des joints et l'épaisseur des plaques allant en général de 0,05/1 à 1/1 mais de manière préféré de 0,1/1 à 0,5/1, les plaques pouvant avoir par exemple une épaisseur de 2 à 20 mm. La constitution des échangeurs de chaleur à plaques perforées de l'invention, comprenant des joints de graphite expansé sera mieux comprise grâce à la description donnée ci-après de divers modes préférés de réalisation, dans lesquels la structure globale des échangeurs correspond à une structure déjà décrite dans la demande de brevet français 2500610, dont la divulgation est ineluse dans la présente description, par voie de référence. - Dans un premier mode de réalisation particulier, la zone d'échange proprement dite est constituée essentiellement d'un empilement, formant un prisme droit, de plaques polygonales, présentant de préférence au moins une paire de estés parallèles entre eux (par exemple des plaques rectangulaires) et de joints de même forme mais d'épaisseur non nécessairement égale à l'épaisseur des plaques, lesdites plaques et lesdits joints etant alternés dans l'empilement de telle sorte que, de préférence, un seul joint soit inséré entre deux plaques perforées successives de l'empilement, lesdites plaques et lesdits joints étant munis de perforations de forme allongée disposées suivant des rangées parallèles entre elles, lesdites perforations étant disposées et lesdites plaques et lesdits joints étant empilés de telle manière que les rangées de perforations d'une plaque soient superposées aux rangées de perforations des joints qui lui sont contigus. En outre, si l'on considère l'ensemble des plaques de l'empilement, pour au moins une partie des rangées de perforations d'une plaque intermédiaire quelconque, chaque perforation est en communication avec deux perforations de la rangée correspondante de la plaque qui la précède et avec deux perforations de la rangée correspondante de la plaque qui la suit. Les joints intermédiaires peuvent présenter, pour les rangées considérées, des perforations coincidant avec celles de la rangée correspondante de la plaque qui précède chacun desdits joints. Ou bien les joints intermédiaires peuvent présenter, pour les rangées considérées, des perforations coïncidant avec celles de la rangée correspondante de la plaque qui suit chacun desdits joints. Ou bien encore les joints intermédiaires peuvent présenter, pour les rangées considérées, des perforations coincidant alternativement avec celles de la rangée correspondante de la plaque précédente pour un joint et avec celles de la rangée correspondante de la plaque suivante pour le joint suivant, cette alternance de disposition des perforations se répétant sur tout l'empilement. Dans certains cas, pour une partie des rangées de perforations, chaque perforation d'une plaque intermédiaire quelconque peut être en communication avec une seule perforation de la rangée correspondante de la plaque précédente et avec une seule perforation de la rangée correspondante de la plaque suivante. Dans ce cas, chaque joint intermédiaire présente des perforations qui, pour les rangées considérées, coincident substantiellement avec les perforations des rangées correspondantes des plaques, cette disposition des perforations des plaques et des joints pouvant être conservée sur tout l'empilement. Un mode de réalisation de ce type est illustré par les Figures 1, 1A, 2, 2A, 3 et 3A. La Figure 1 est une vue en élévation d'une plaque 1 comportant des rangées parallèles 21 de perforations allongées 6, lesdites perforations étant de même dimension, régulièrement espacées le long desdites rangées, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 6 voisines sur une même rangée est inférieur à la longueur des perforations 6, les extrémités des perforations étant en outre, d'une rangée à l'autre, alignées entre elles dans une direction perpendiculaire à la direction desdites rangées. La Figure 1A représente une coupe d'une plaque 1 suivant le plan A.A de la Figure 1. La Figure 2 est une vue en élévation d'une plaque 2 comportant des rangées parallèles 22 et 23 de perforations 9 et 10 respectivement, ces rangées étant entre elles à même distance que les rangées 21 sur les plaques 1; les perforations 9 et 10 ayant les mêmes dimensions que des perforations 6 des plaques 1, et étant, sur une même rangée 22 ou 23, régulièrement espacées, selon la même disposition que les perforations 6 sur une même rangée 21 d'une plaque 1, mais, d'une rangée 22 à une rangée 23, les perforations 9 et 10 sont décalées en quinconce. La Figure 2A représente une coupe d'une plaque 2 suivant le plan A.A de la Figure 2. La Figure 3 est une vue en élévation d'un joint 3 en graphite expansé ayant la même forme qu'une plaque 1 (il présente des perforations 11). La Figure 3A représente une coupe d'un joint 3 suivant le plan A.A de la Figure 3. Elle montre, pour le joint 3, une épaisseur différente de l'épaisseur des plaques 1 et 2; La Figure 4 est une vue en élévation d'un joint 4 en graphite expansé ayant la même forme qu'une plaque 2 (il présente des perforations 12 et 13> La Figure 4A représente une coupe d'un joint 4 suivant le plan A.A de la Figure 4. Elle montre, pour le joint 4, une épaisseur différente de l'épaisseur des plaques 1 et 2. Dans une première variante d'exécution de ce mode de -réalisation, la zone d'échange est formée par empilement successif d'une plaque 1, d'un joint 3, d'une plaque 2, d'un joint 3 et ainsi de suite. Selon une seconde variante d'exécution, la zone d'échange est formée par empilement successif d'une plaque 1, d'un joint 4, d'une plaque 2, d'un joint 4 et ainsi de suite. Enfin, selon une troisième variante d'exécution, la zone d'échange est formée par empilement successif d'une plaque 1, d'un joint 3, d'une plaque 2, d'un joint 4, et ainsi de suite. La Figure 5 est une vue en élévation d'un empilement 14, réalisé selon la première variante d'exécution décrite ci-dessus. Les Figures 5A et 5B représentent respectivement des coupes de l'empilement 14 suivant les plans A.A et B.B de la Figure 5. Les Figures 5C et 5D sont respectivement des coupes de l'empilement 14 suivant les plans C.C et D.D de la Figure 5. Les empilements correspondant aux seconde et troisième variantes d'exécution décrites ci-dessus ne sont pas représentés par des figures. Dans un second mode particulier de réalisation, la constitution de l'empilement de plaques formant la zone d'échange est analogue à celle décrite dans le premier mode de réalisation ci-dessus, mais les joints intercalés entre les plaques perforées se présentent sous la forme de bandes perforées dont l'épaisseur est l'épaisseur du joint, une bande perforée correspondant à une rangée de perforations sur deux. Ce mode de réalisation est illustré par les Figures 1, IA, 2, 2A, 6, 6A et 7 à 7C. Les plaques sont analogues aux plaques 1 et 2 des Figures 1 et 1A, 2 et 2A respectivement. La Figure 6 est une vue en élévation d'un joint 5 sous forme de bande présentant des perforations 15 correspondant aux perforations 6 des plaques 1 ou aux perforations 9 des plaques 2. La Figure 6A représente une coupe d'un joint 5 suivant le plan A.A de la Figure 6. La largeur 1 des bandes 5 est par exemple de b + a/2 à b + 2a, si l'on désigne par a la distance, mesurée sur les plaques, entre les bords les plus proches des perforations de deux rangées voisines, et par b la largeur des perforations. Cette largeur des bandes 1 est avantageusement de b + a à b + 2a. Elle est de préférence de b + 2a. C'est cette largeur préférée qui a été désignée par 1 sur les Figuresl et 2. Dans le mode particulier de réalisation décrit, la zone d'échange est formée par l'empilement successif d'une plaque 1, du nombre convenable de bandes 5, d'une plaque 2, à nouveau de bandes 5, et ainsi de suite. La Figure 7 est une vue en élévation d'un tel empilement 16. La Figure 7A représente une coupe de l'empilement 16 suivant le plan A.A de la Figure 7. Les Figures 7B et 7C sont respectivement des coupes de l'empilement 16 suivant les plans B.B et C.C de la Figure 7. Dans un troisième mode de réalisation, la constitution de l'empilement des plaques formant la zone d'échange est analogue à celle décrite dans le mode de réalisation ci-dessus, mais les joints intercalés entre les plaques perforées se présentent sous la forme de bandes dont l'épaisseur est celle du joint, une bande correspondant à l'intervalle de séparation disposé entre deux rangées voisines de perforations. Ce mode de réalisation est illustrée par les Figures 1, 1A, 2, 2A, 8, 8A et 9. Les plaques sont analogues aux plaques 1 et 2 des Figures 1 et 1A, 2 et 2A. La Figure 8 est une vue en élévation d'un joint 7 sous forme d'une bande non perforée. La largeur d d'une bande 7 est de préférence égale à la distance, mesurée sur les plaques, entre les bords les plus proches des perforations de deux rangées voisines c'est-à-dire à la largeur des intervalles de séparation 8. La largeur d préférée a été notée sur les Figures 1 et 2. Cependant, la largeur d pourra être inférieure à la valeur indiquée ci-dessus de telle sorte que, si a est la distance entre les bords les plus proches de perforations de deux rangées vosines, d peut être compris d'une manière générale entre a/10 à a, et avantageusement entre a/2 à a. Dans le mode particulier de réalisation décrit, la zone d'échange est formée par l'empilement successif d'une plaque 1, d'un nombre convenable de bandes 7, d'une plaque 2, à nouveau d'un ensemble de bandes 7 et ainsi de suite. La Figure 9 est une vue en perspective d'un tel empilement 17. Dans certains modes de réalisation des échangeurs de chaleur de l'invention, notamment dans les trois modes particuliers décrits précédemment, le serrage de l'empilement, constitué des plaques perforées et des joints, est réalisé au moyen de tirants métalliques qui traversent ledit empilement perpendiculairement aux plans des plaques, lesdits tirants étant introduits dans une partie des conduits formés par superposition d'une partie des perforations desdites plaques et desdits joints. Le serrage proprement dit, dont le détail n'est pas fourni dans la présente description, peut être assuré par des moyens classiques, tels que des tiges filetées terminant les tirants et des écrous prenant appui lors de leur serrage sur les plaques extrêmes de l'empilement ou sur des flasques disposés de part et d'autre de l'empilement de manière à transmettre la force de serrage en la répartissant sur toute la surface des plaques. Le serrage peut également être appliqué à l'empilement en insérant entre les écrous ou autre moyen de serrage et les plaques ou flasques extrêmes de l'empilement des rondelles- ressort ou autre dispositif élastique, de manière à permettre les variations de hauteur de l'empilement liées aux variations de la température de celui-ci, en maintenant un serrage suffisant et non excessif sur l'empilement pour assurer l'étanchéité interne de l'échangeur lors de son fonctionnement. La fraction des conduits dits "droits", formés par superposition d'une partie des perforations des plaques et des joints, occupée par les tirants est limitée afin de laisser le libre passage du fluide dans un nombre suffisant desdits conduits droits, mais cette fraction de conduits droits occupée par les tirants doit être également suffisante pour que la force de serrage rendue possible par le nombre et la résistance à la traction des tirants dans les conditions extrêmes de fonctionnement permettent d'atteindre la pression de serrage nécessaire à l'étanchéité interne de l'échangeur. Les joints considérés dans l'invention, en graphite expansé, permettent de réaliser cette étanchéité interne à une pression aussi faible que possible compatible avec un maintien mécanique suffisant de l'empilement. Un avantage complémentaire est obtenu du fait que le joint utilisé est bon conducteur de la chaleur de telle sorte qu'il participe au transfert de la chaleur du fluide relativement chaud vers le fluide relativement froid. Dans ce qui précède, on a décrit principalement l'utilisation de joints de graphite expansé pour assurer l'étanchéité d'échangeurs compacts à plaques perforées. Cependant, sans sortir du cadre de l'invention, il est possible d'étendre cette utilisation aux échangeurs formés d'empilements de grilles ou de treillis constitués par exemple de cloisons ou de lamelles entrecroisées. La cellule de base de chaque grille peut présenter des formes diverses (carrée, rectangulaire, hexagonale, etc...). Dans ce cas, chaque joint, disposé entre deux grilles consécutives, a la même forme que celles-ci et en général une épaisseur moindre; il est mis en contact avec les bords supérieurs et inférieurs des cloisons ou des lamelles constituant lesdites grilles. Les grilles peuvent être métalliques. Elles peuvent aussi être constituées d'autres matériaux, comme par exemple des matériaux céramiques, ou encore de graphite. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'échange thermique comprenant une zone d'échange formée d'un empilement de plaques perforées présentant des perforations disposées de telle façon que, dans l'empilement desdites plaques, la superposition des perforations crée des espaces de circulation pour au moins deux fluides, caraetérisé en ce que entre deux plaques consécutives dudit empilement est intercalé au moins un Joint de graphite expansé, disposé de manière que chaque perforation des plaques correspondant à un espace de circulation parcouru par un fluide soit séparé des perforations correspondant aux espaces de circulation parcouru par un fluide différent. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre l'épaisseur des joints et l'épaisseur des plaques perforées est de 0,05/1 à t/1. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit rapport est de 0,1/1 à 0,5/1. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, sur lesdites plaques, les perforations sont de forme allongée et disposées en rangées parallèles, les rangées de perforations d'une plaque intermédiaire sont superposées aux rangées de perforations de la plaque qui la précède et aux rangées de perforations de la plaque qui la suit, et en ce que, pour au moins une partie des rangées de perforations d'une plaque intermédiaire, chaque perforation est en communication avec deux perforations de la rangée correspondante de la plaque qui la précède et avec deux perforations de la rangée correspondante de la plaque qui la suit, et pour la partie complémentaire éventuelle des rangées de perforations d'une plaque intermédiaire, chaque perforation est en communication avec une seule perforation de la rangée correspondante de la plaque qui la précède et avec une seule perforation de la rangée correspondante de la plaque qui la suit. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque joint intercalé entre deux plaques consécutives quelconques consiste en une feuille présentant des rangées parallèles de perforations allongées, lesdites perforations coincidant substantiellement avec les perforations des rangées correspondantes de la plaque précédente ou de la plaque suivante, ou lesdites perforations dudit joint coïncidant alternativement avec celles de la rangée correspondante de la plaque qui le précède et avec celles de la rangée correspondante de la plaque qui le suit. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite zone d'échange est formée de l'empilement alterné de plaques 1 comportant des rangées parallèles 21 de perforations allongées 6, lesdites perforations 6 étant de même dimension et régulièrement espacées le long desdites rangées 21, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 6 voisines sur une même rangée 21 étant inférieur à la longueur desdites perforations 6, les extrémités desdites perforations 6 étant en outre, d'une rangée à l'autre, alignées entre elles dans une direction perpendiculaire à la direction desdites rangées, et de plaques 2 comportant des rangées parallèles de types 22 et 23 de perforations allongées 9 et 10 respectivement, lesdites rangées étant entre elles à même distance que les rangées 21 sur les plaques 1, lesdites perforations 9 et 10 étant de même dimension que les perforations 6 des plaques 1 et régulièrement espacées le long desdites rangées de types 22 et 23 respectivement, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 9, ou de deux perforations 10, voisines sur une même rangée 22 ou 23,étant inférieur à la longueur desdites perforations 9 et 10, les extrémités desdites perforations 9 et 10 étant en outre d'une rangée 22 à une rangée 23 décalées en quinconce, les joints intercalés entre deux plaques consécutives quelconques 1 et 2 étant constitués de feuilles perforées de graphite expansé 3 dont les perforations 11 ont substantiellement la même forme et la même disposition que les perforations 6 des plaques 1, ou lesdits joints étant constitués de feuilles de graphite expansé 4 dont les perforations 12 et 13 ont substantiellement la même forme et la même disposition que les perforations 9 et 10 des plaques 2. 7 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite zone d'échange est formée de l'empilement alterné de plaques 1 comportant des rangées parallèles de perforations allongées 6, lesdites perforations 6 étant de même dimension et régulièrement espacées le long desdites rangées, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 6 voisines sur une même rangée 21 étant inférieur à la longueur desdites perforations 6, les extrémités desdites perforations 6 étant en outre, d'une rangée à l'autre, alignées entre elles dans une direction perpendiculaire à la direction desdites rangées, et de plaques 2 comportant des rangées parallèles de types 22 et 23 de perforations allongées 9 et 10 respectivement, lesdites rangées étant entre elles à même distance que les rangées 21 sur les plaques 1, lesdites perforations 9 et 10 étant de même dimension que les perforations 6 des plaques 1 et régulièrement espacées le long desdites rangées de types 22 et 23 respectivement, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 9, ou de deux perforations 10, voisines sur une même rangée 22 ou 23,étant inférieur à la longueur desdites perforations 9 et 10, les extrémités desdites perforations 9 et 10 étant en outre d'une rangée 22 à une rangée 23 décalées en quinconce, les joints intercalés entre deux plaques consécutives quelconques 1 et 2 étant constitués chacun d'un ensemble de bandes perforées en graphite expansé 5 dont les perforations 15 correspondent aux perforations 6 des plaques 1 ou aux perforations 9 des plaques 2 et dont la largeur est au plus égale à la distance entre les bords les plus proches des perforations situées de part et d'autre des perforations 15 et au moins égale à la largeur des perforations 15 augmentée de la moitié de la distance séparant deux bords les plus proches de deux rangées voisines. 8 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite zone d'échange est formée de l'empilement alterné de plaques 1 comportant des rangées parallèles de perforations allongées 6, lesdites perforations 6 étant de même dimension et régulièrement espacées le long desdites rangées, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 6 voisines sur une même rangée 21 étant inférieur à la longueur desdites perforations 6, les extrémités desdites perforations 6 étant en outre, d'une rangée à l'autre, alignées entre elles dans une direction perpendiculaire à la direction desdites rangées, et de plaques 2 comportant des rangées parallèles de types 22 et 23 de perforations allongées 9 et 10 respectivement, lesdites rangées étant entre elles à même distance que les rangées 21 sur les plaques 1, lesdites perforations 9 et 10 étant de même dimension que les perforations 6 *des plaques 1 et régulièrement espacées le long desdites rangées de types 22 et 23 respectivement, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 9, ou de deux perforations 10, voisines sur une même rangée 22 ou 23, étant inférieur à la longueur desdites perforations 9 et 10, les extrémités desdites perforations 9 et 10 étant en outre d'une rangée 22 à une rangée 23 décalées en quinconce, les joints intercalés entre deux plaques consécutives quelconques 1 et 2 étant constitués chacun d'un ensemble de bandes 7 en graphite expansé, lesdites bandes 7 correspondant aux intervalles de séparation 8 entre les rangées voisines 21 des plaques 1 et entre les rangées voisines 22 et 23 des plaques 2 et dont la largeur est au plus égale à la distance séparant les bords les plus proches des perforations de deux rangées voisines et au moins égale au dixième de celle-ci.