Brevet FR2576402A1 — publié le 19860725

Echangeur de chaleur à courants croisés comportant au moins deux paquets de plaques et procéde de fabrication d'un tel échangeur de chaleur. L'invention concerne un échangeur de chaleur à courants croisés, comportant au moins deux paquets de plaques formés de couples de plaques, dont les plaques sont réunies par des premières entretoises en forme de barrettes pour la formation de premiers espaces de pas- sage pour un fluide et qui sont maintenus à distance l'un de l'autre, pour la formation de seconds espaces de passage pour l'air, par des secondes entretoises en forme de barrettes, qui s'étendent, au niveau des ex- trémités des premiers espaces de passage transversalement par rapport à ces derniers et par rapport aux premières entretoises et forment, avec les faces d'extrémité. des premières entretoises et les bords d'extrémité des pla- ques,des faces d'extrémité des paquets de plaques, qui sont interrompues par les embouchures des premiers es- paces de passage, et dans lequel les paquets de plaques sont reliés entre eux de manière à prolonger les pre- miers espaces de passage du premier paquet de plaques par les premiers espaces de passage du second paquet de plaques. On connaît depuis longtemps des échangeurs de chaleur à courants croisés de ce type, par exemple d'après le brevet allemand n 416 331, le brevet bri- tannique N 1 489 226 et notamment la demande de bre- vet allemand publiée sous le N 29 51 352. Tous ces échangeurs de chaleur connus ont pour caractéristique commune le fait que pour la réunion des paquets de plaques entre eux,en vue de prolonger les premiers espaces de passage formés par le premier pa- quet de plaques par les premiers espaces de passage du second paquet de plaques, on relie les faces d'extrémité des paquets de plaques à des bottiers collecteurs de sorte que les faces d'extrémité des paquets de plaques ferment des ouvertures du bottier collecteur qui s'étendent sur toute la surface des faces d'extrémité, si bien qu'après avoir parcouru successivement les pre- miers espaces de passage des deux paquets de plaques, le fluide sort des premiers espaces de passage, d'un cô- té du bottier collecteur, pour pénétrer dans ce dernier, puis sort du bottier collecteur pour pénétrer dans les différents premiers espaces de passage du second paquet de plaques. Ceci garantit qu'il se produit une circula- tion parfaite du fluide sortant des premiers espaces de passage du premier paquet de plaques pour pénétrer dans les premiers espaces de passage du second paquet de pla- ques. L'invention a pour but de perfectionner un échangeur de chaleur à courants croisés du type indiqué plus haut de manière qu'il puisse être fabriqué à un prix nettement meilleur marché, tout en possédant un ren- dement amélioré. Ce problème est résolu conformément à l'inven- tion dans un échangeur de chaleur à courants croisés connu du type indiqué précédemment, grâce au fait que les surfaces d'extrémité des paquets de plaques sont re- liées directement entre elles au niveau de surfaces ex- térieures essentiellement alignées. Ceci permet d'obtenir d'une manière étonnament simple que, lorsque l'on res- pecte les tolérances de construction, usuelles, dans ce domaine, des composants individuels, les premiers es- paces de passage situés dans le premier paquet de pla- ques se prolongent également, au niveau de la zone de séparationpar les espaces de passage situés dans le second paquet de tôles. L'inventeur a remarqué que les gradins, qui se forment éventuellement, affectent nettement moins le passage du premier fluide que les boftiers collecteurs connus. Malgré tous les avantages et en dépit du carac- tère évident supposé de l'invention, tous les échan- geurs de chaleur fabriqués étaient réalisés jusqu'alors avec des boîtiers collecteurs. Manifestement les spé- cialistes ont ici 1 'opinion erronée selon laquelle une telle liaison directe conduit à un accroissement de la résistance d'écoulement en raison des étagements pro- duits de ce fait. Alors que l'on s'attend normalement à se trouver dans un domaine déjà étudié de manière suf- fisamment aprofondie pour que seuls des affinements sup- plémentaires et seule l'utilisation accrue de moyens aboutissent à des perfectionnements, ici la démarche en sens opposé a résolu le problème conforme à l'in- vention. L'alignement des surfaceextérieures des paquets de plaques devant être réunis entre eux peut être ob- tenu conformément à l'invention à l'aide d'un procédé selon lequel les faces d'extrémité qui doivent être reliées entre elles, des paquets de plaques préfabri- qués entre des plaques de serrage, jusqu'à ce que les faces d'extrémité se contactent à plat, un serre en- suite les paquets de plaques entre les plaques de ser- rage, puis on soude les unes aux autres les faces d'extrémité le long de leurs bords extérieurs. Grâce à l'invention, aussi bien les coûts que le poids de l'échangeur de chaleur sont réduits grâce à la suppression des boîtiers collecteurs dans des échangeurs de chaleur à courants croisés du type con- sidéré. En outre la fabrication est fortement simplifiée étant donné que, pour chaque liaison entre deux paquets de plaques, un seul cordon de soudure pour la liaison des deux paquets de plaques entre eux est nécessaire à la place des deux cordons de soudure nécessaires jus- qu'alors - pour la réunion de chaque paquet de plaques au boîtier collecteur. L'invention concerne également un échangeur de chaleur à courants croisés du type indiqué plus haut, réalisé sous la forme d'un échangeur de chaleur annulai- re, dont les paquets de plaques sont constitués par des plaques coupées à longueur en forme d'arc de cercle afin de former des premiers espaces de passage en forme d'arc de cercle et qui comporte au moins un boîtier de raccordement pour le fluide, auquel sont reliées des premières faces d'extrémité des paquets de plaques voisins du boîtier de raccordement. De tels échangeurs de chaleur annulaires doivent être fabriqués en utili- sant au moins deux paquets de plaques qui s'étendent sur un arc de cercle d'au moins 180 afin de garantir, lors de l'immersion d'un tel paquet de plaques dans un bain de souduretque la totalité de l'air est évacuée des premiers espaces de passage, ce qui ne peut être ob- tenu que de façon très complexe dans le cas d'un paquet de plaques, qui s'étend sur plus de 270 . De mSme,dans le de ces échangeurs de chaleur annulaires connus*, par exemple d'après le modèle d'u- tilité allemand No1-750 450, on relie entre elles les extrémités, tournées à l'opposé du boîtier collecteur, des parties de l'échangeur de chaleur par un boîtier collecteur commun. Ici,également,l'invention apporte son aide par le fait que les autres faces d'extrémité des paquets de plaques en aboutement mutuel sont réunies di- rectement entre elles. Des essais réalisés avec un échangeur de chaleur à courants croisés réalisé de cette manière conformément à l'invention ont révélé que la résistance d'écoulement du fluide est réduite d'environ 15 % par rapport aux échangeurs de chaleur du même type comportant un boîtier collecteur reliant les extrémités des paquets de plaques. Etant donné que dans le cas des échangeurs de chaleur connus, les bol- tiers collecteurs interviennent à peine dans l'échange thermique, la surface importante pour l'échange ther- mique est accrue,grâce à l'invention, de l'espace occu- pé par le boîtier collecteur, si bien que le rendement de l'échangeur de chaleur conforme à l'invention est également accru par suite de l'accroissement de la sur- face efficace pour l'échange de chaleur. L'invention concerne en outre un échangeur de chaleur du type indiqué plus haut, réalisé-sous la forme d'un échangeur de chaleur annulaire de forme poly- gonale à plusieurs côtés, comportant au moins trois paquets de plaques et au moins un bottier de raccor- dement pour le fluide, auquel sont reliées des premiè- res faces d'extrémité des paquets de plaques voisi- nes du boîtier de raccordement. Un tel échangeur de cha- leur annulaire de forme polygonale est connu par exemple d'après le brevet allemand N 2 951 352. De même,dans le cas de cet échangeur de chaleur connu, les specialis- tes considéraient jusqu 'alors comme nécessaire d'uti- liser des bottiers collecteursprésentant les inconvé- nients décrits ci-dessus, pour relier les différents paquets de plaques. L'invention améliore également ces échangeurs de chaleur connus grâce au fait que les pla- ques sont découpées aux dimensions avec une forme tra- pézoïdale en sorte qu'elles forment, en étant juxtaposées entre elles par les bords formant les côtés obliques des trapèzes,un polygone qui est au moins ouvert au niveau d'un angle, que ces plaques sont réunies pour former des paquets de plaques de telle sorte que les bords, formés par les côtés obliques des trapèzes, sont situés dans les faces d'extrémité des paquets de plaques, et que les paquets de plaques forment, avec des faces d'extrémité disposées les unes contre les autres et avec le boîtier de raccordement fermant l'angle ouvert, l'échangeur de chaleur annulaire de forme polygonale. On obtient de ce fait un échangeur de chaleur annulaire de forme polygonale à côtés multiples, qui ne contient, au niveau des angles, aucun espace de collecte pour le premier fluide, si bien qu'il présente tous les avanta- ges indiqués plus haut. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prises en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente une vue d'un échangeur de chaleur en forme d'anneau circulaire; la figure 2 représente une coupe prise suivant la ligne II-II sur la figure 1; la figure 3 représente une vue en coupe par- tielle prise suivant la ligne III-III sur la figure 2; la figure 4 représente une vue correspondant à la figure 1, d'un échangeur de chaleur annulaire de forme polygonale à cinq côtés. L'échangeur de chaleur annulaire représenté sur la figure 1 est constitué par deux paquets de plaques 10 qui s'étendent sur un arc de cercle égal à un peu moins de 180 et dont les faces d'extrémité en aboute- ment réciproque direct sont reliées entre elles par un cordon de soudure périphérique 11. Les autres faces d'extrémité sont reliées par des cordons de soudure pé- riphériques respectifs 12 au bottier de raccordement 13 qui est subdivisé intérieurement par une paroi inter- médiaire 14 s'étendant dans un plan diamétral, en deux espaces de collecte dont l'un est muni d'une ouver- ture d'admission 15 et dont l'autre est muni d'une ou- verture de sortie 16. Chacun des deux paquets de plaques 10 comporte des plaques 17 disposées par couples et qui sont dé- coupées aux dimensions avec une forme d'arc de cercle comme représenté sur la figure 1. Les deux plaques 17 de chaque couple sont réunies entre elles, au niveau de leurs bords longitudinaux en forme d'arc de cercle, par des entretoises en forme de barrettes 18 s'étendant le long de ces bords, de manière à former des espaces plats de passage pour l'huile. Des tôles 19 provoquant des turbulences sont disposées dans ces espaces de pas- sage. Les couples de plaques, qui déterminent les espaces de passage pour l'huile, sont maintenus à dis- - tance mutuelle par des secondes entretoises rectili- gnes en forme de barrettes 20, qui s'étendent,, au niveau des extrémités des espaces de passage pour l'huile, transversalement par rapport à ces derniers et aux pre- mières entretoises, c'est-à-dire radialement, de sorte que ces écartements entre les couples de plaques forment des espaces radiaux de passage pour l'air, dans les- quels des lamelles 21 sont disposées de manière à amé- liorer le rendement. Pour des questions de rigidité, chaque paquet de tôles est limité au niveau de ses deux faces par des plaques d'extrémité 22 qui possèdent la même forme découpée que les plaques 17 et limitent égale- ment vers l'extérieur les espaces extérieurs de passage pour l'air. Comme cela est visible notamment sur la fi- gure 2, les faces latérales des entretoises 20 consti- tuent les faces d'extrémité des entretoises 18, et les & barres d'extrémité des plaques 17 et-22 constituent les faces d'extrémité des paquets de plaques, qui sont interrompus par les embouchures des espaces de passage pour l'huile. Le boîtier de raccordement 13 comporte, au ni- veau de ses deux extrémités, des ouvertures dont les bords extérieurs ne sont pas alignés de façon précise avec les bords extérieurs des faces d'extrémité des pa- quets de plaques. Les tolérances de construction des barrettes- entretoises 18 et 20, qui déterminent les écartements entre les plaques 17 ou entre les couples de plaques et les plaques d'extrémité 22, ainsi que les épaisseurs des plaques 17 sont dimensionnnées de telle sorte que, lors de la juxtaposition des faces d'extrémité de deux pa - quets de plaques possédant des dimensions situées dans les tolérances de construction et différant de façon extrême, les embouchures des espaces de passage pour l'huile sont en recouvrement par des parties importan- tes de leurs sections transversales, lorsque les surfa- ces extérieures des plaques d'extrémité 22 sont essen- tiellement alignées. Pour l'assemblage des paquets de plaques, on utilise des plaques 17 et 22 recouvertes de soudure ainsi que des barrettes-entretoises 18 et 19 recouvertes de soudure. Comme cela est représenté sur la figure 2, on empile les unes sur les autres et on relie entre-elles les plaques et les barrettes moyennant l'insertion des tôles 19 créant des turbulences et des lamelles 21. Ensuiteéon immerge ces paquets d'une extrémité jusqu'à l'autre dans un bain de soudure de sorte que l'air peut s'échapper des espaces de passage prévus pour l'huile. On réunit ensuite les paquets de tôles 10 ainsi ter- minés, par les faces d'extrémité devant être réunies entre elles, entre des plaques de serrage jusqu'à ce que les faces d'extrémité se contactent à plat. Puis on serre les paquets de plaques entre les surfaces de ser- rage et on soude ensuite entre elles les surfaces d'extrémité le long de leurs bords extérieurs au moyen du cordon de soudure 11. Ensuite on insère le boîtier collecteur 13 entre les autres extrémités des paquets de tôles 10 et on le relie à ces derniers au moyens des cordons de soudure 12. Le respect des tolérances indiquées plus haut pour les différents composants des paquets de plaques garantit que, lors de la réunion des faces d'extrémité des paquets de tôles entre les plaques de serrage, les espaces de passage se recouvrent par des parties con- séquentes de leurs sections transversales de sorte que le passage de l'huile est garanti dans tous les cas. L'exemple de réalisation de la figure 4 repré- sente un échangeur de chaleur annulaire de forme poly- gonale à cinq côtés qui est formé par la réunion de cinq paquets de plaques 25 et 26. Chacun de ces paquets de plaques 25 et 26 est constitué par des plaques de forme trapézoidale, qui sont découpéesaux dimensions de telle sorte que les côtés obliques des trapèzes for- ment les bords 27 et 28 des plaques, qui sont situés dans les faces d'extrémité des paquets de plaques, auquel cas lors de la juxtaposition des bords 27 des pla- ques des différentes plaques constituant les paquets de plaques 25 et 26, on obtient un pentagone qui est ouvert au niveau d'un angle. Ensuite on rassemble de la façon décrite les paquets de tôles 25 et 26 formés par les plaques ainsi découpées aux dimensions, pour former un pentagone et on les relie entre eux au niveau des surfaces d'extrémité en aboutement, par des cordons de soudure périphériques. Au niveau de l'angle ouvert de ce pentagone, on insère alors un boîtier de raccordement 29 conformé de façon appropriée et on le relie par des cordons de soudure périphériques aux surfaces d'extré- mité, situées dans les bords d'extrémité 28, des pa- quets de plaques 25. Ici également on réunit les faces d'extrémité,devant être reliées entre>elles, des pa- quets de plaques 25 et 26 entre des plaques de serrage jusqu'à ce que les faces d'extrémité se contactent. On serre ensuite les paquets de plaques entre ces plaques de serrage et on les soude entre elles le long de leurs bords extérieurs. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à courants croisés, comportant au moins deux paquets de plaques (10; 25; 26) formés de couples de plaques, dont les plaques (17) sont réunies par des premières entretoises en forme de barrettes (18) pour la formation de premiers espaces de passage pour un fluide et qui sont mainte- nus à distance l'un de l'autre, pour la formation de seconds espaces de passage pour l'air, par des secon- des entretoises en forme de barrettes (20), qui s'é- tendent, au niveau des extrémités des premiers espa- ces de passage., transversalement par rapport à ces der- niers et par rapport aux premières entretoises (18) et forment, avec les faces d'extrémité des premières entretoises et les bords d'extrémité des plaques (17), des faces d'extrémité des paquets de plaques (10; , 26), qui sont interrompus par les embouchures des premiers espaces de passage, et dans lequel les pa- quets de plaques sont reliés entre eux de manière à prolonger les premiers espaces de passage du premier paquet de plaques par les premiers espaces de passage du second paquet de plaques, caractérisé par le fait que les faces d'extrémité des paquets de plaques (10; ,26) sont reliéesdirectement entre elles par des sur- faces extérieures essentiellement alignées. 2. Echangeur de chaleur à courants croises, suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les faces d'extrémité des paquets de plaques (10; ,26) sont soudées les unes aux autres le long de leurs bords extérieurs. 3. Echangeur de chaleur à courants croisés suivant l'une des revendications 1 ou 2, réalisé sous la forme d'un échangeur de chaleur annulaire, dont les paquets de plaques (10) sont constitués par des plaques (17) coupées à longueur en forme d'arc de cercle afin de former des premiers espaces de passage en forme d'arc de cercle et qui comporte au moins un boîtier de raccordement (13) pour le fluide, auquel sont reliées des premières faces d'extrémité des paquets de plaques voisins du boîtier de raccordement, caractérisé par le fait que les secondes faces d'extrémité des paquets de plaques (10), placés en aboutement réciproque, sont reliées directement entre-elles. 4. Echangeur de chaleur à courants croisés suivant l'une des revendications 1 ou 2, réalisé sous la forme d'un échangeur de chaleur annulaire de forme polygonale comportant au moins trois paquets de plaques (25,26) formés de plaques rectangulaires et au moins un boîtier de raccordement (29) pour le fluide, auquel sont réunies des premières faces d'extrémité des paquets de plaques voisines du boîtier de raccordement, carac- térisé par le fait que les plaques sont découpées aux dimensions avec une forme trapézoidale en sorte qu'elles forment, en étant juxtaposées entreellespar les bords (27,28) formant les côtés obliques destrapèzes, un polygone qui est au moins ouvert au niveau d'un an- gle, que ces plaques sont réunies pour former des pa- quets de plaques (25,26) de telle sorte que les bords, formés par les côtés obliques des trapèzes, sont situés dans les faces d'extrémité des paquets de plaques, et que les paquets de plaques (25,26) forment, avec des faces d'extrémité disposées les unes contre les autres et avec le bottier de raccordement (29) fermant l'an- gle ouvert, l'échangeur de chaleur annulaire de for- me polygonale. 5. Procédé pour fabriquer un échangeur de chaleur à courants croisés suivant l'une quelconque des re- vendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'on réunitles surfaces d'extrémité qui doivent être reliées entre- elles, des paquets de plaques préfabriqués entre des plaques de serrage, jusqu'à ce que les faces d'extré- mité se contactent à plat, qu'on serre ensuite les paquets de plaques entre les plaques de serrage, puis qu'on soude les unes aux autres les faces d'extrémité le long de leurs bords extérieurs.