Brevet FR2595981A1 — publié le 19870925

L'invention concerne des empilements de plaques en matière plastique qui conviennent comme matériau d'accumulation pour le: transfert thermique entre des courants de gaz dans des échangeurs de chaleur. La base de l'invention est un procédé 5 simplifié pour la fabrication de plaques soudables et pour leur assemblage en empilements de plaques. Il est décrit, dans la demande de brevet internationale WO 83/02997, un matériau d'accumulation en matière plastique qui convient en particulier pour le réchauffement des gaz 10 d'échappement de chaudière d'une chaufferie, épurés dans un étage d'épuration par voie humide, par transfert thermique à partir des gaz d'échappement de chaudière non épurés, avant qu'ils ne soient dirigés vers l'épuration par voie humide. Dans ce cas, plusieurs empilements de plaques sont disposés dans un 15 rotor qui pénètre dans deux courants de gaz de fumée de telle manière qu'a la rotation, les différents empilements de plaques soient traversés alternativement par les deux courants de gaz de fumée. De la sorte, ils reçoivent de la chaleur du courant de gaz de fumée plus chaud et la restituent au courant de gaz 20 de fumée plus froid. Entre leurs passages à travers les courants de gaz de fumée, les empilements de plaques sont traversés par un liquide de nettoyage, en particulier de l'eau, afin de chasser les matières solides déposées sur la surface des plaques à partir du gaz de fumée. Dans ces conditions, les 25 empilements de plaques sont exposés a une contrainte alternante due a la haute température et à l'action corrosive des gaz de fumêe, ainsi qu'A la charge mécanique du liquide de nettoyage qui penetre A Srande;itesse. L'oxyde de pclyphénylène est cite comme matériau qui est capable de supporter ces charges. Afin de fabriquer de manière économique et simple les empilements de plaques qui servent d'accumulateur thermique, il est propose de souder par couches, au moyen d'ultrasons, des plaques planes en matière plastique avec interposition de pieces d'ecartement. Avec ce procede, les pièces d'écartement doivent être posees individuellement sur chaque plan de plaque. Afin d'éviter cette opération, il a eté en outre proposé de réaliser les profils d'écartement a partir des élements accumulateurs en plaque sous forme de régions partielles de ceux-ci. Cela suppose une opération supplémentaire. En outre, la surface de la plaque est interrompue, au niveau de chaque élément d'écartement formé, par une excroissance correspondante. Cette forme de réalisation a différents inconvénients. C'est ainsi que la résistance mécanique de la surface des plaques est reduite par ces interruptions. Les éléments d'écartement obtenus par déformation d'une partie de la surface des plaques sont forcément plus minces que la matière des plaques et ils sont creux a l'intérieur. Ils n'ont donc qu'une résistance limitée. Un autre inconvénient consiste 20 en ce qu'a l'empilement d'éléments en plaque identiques, les éléments d'écartement formés sur une plaque pénetrent respectivement dans les côtés arrière creux des éléments d'écartement de la plaque suivante, de sorte que les conditions préalables pour un soudage a cet endroit sont défavorables. Si 25 les éléments d'écartement dans les différents plans sont en position décalée les uns par rapport aux autres, il en résulte une moindre resistance de l'empilement de plaques total par rapport au cas ou tous les éléments d'écartement mutuellement correspondants sont superposes à la manière d'une colonne 30 continue. L'invention a pour but d'éliminer les inconvénients évoques ci-dessus. En particulier, la fabrication des éléments en plaque soudables, utilisés pour la construction de l'empilement de plaques, dcit etre simplifiée et la mise en oeuvre 35 d'elements d'ecartement fabriqués separement doit être évitée. En outre, l'invention a pour but de diminuer le nombre des opérations lors de la réunion des elements en plaque individuels en empilements de plaques soudees. Les buts de l'invention sont atteints par fait que l'empilement de plaques est composé d'une multipiicit% dc: plaques en matière thermoplastique soudable, cpor rta-nt plusieurs saillies unies d'une seule pièce au corps de la 5 plaque. Les différentes plaqUes sont disposées parallâlement les unes aux autres dans l'empilement de plaques et les extremités supérieures des saillies sont soudées à la surface de la plaque voisine. Les saillies sont réparties sur la surface non interrompue de la plaque. Les fig. 1 à 12 servent à mieux expliquer l'invention. La fig. 1 est une vue en coupe d'un élément en plaque avec les saillies qui sont disposées sur lui. Les fig. 2 à 4 sont des vues en perspective de différentes formes de réalisation des éléments en plaque. La fig. 5 montre comment plusieurs plans de plaques & traJets de courant dans le même sens sont réunies en un échangeur thermique à co-courant. La fig. 6 représente la disposition en croix de deux éléments en plaque pour la formation d'un échangeur de chaleur 20 à courants croisés. Les fig. ? à 9 sont des vues en coupe de différentes formes de réalisation des saillies qui sont respectivement adaptées a différents procédés de soudage. La fig. 10 est une vue en coupe d'un assemblage soudé fini. 25 La fig. 11 est une vue en coupe fragmentaire d'un empilement de plaques fini. La fig. 12 représente schématiquement un dispositif pour la fabrication des éléments en plaque selon l'invention. Ce qui caractérise ies plaques dont est composé 30 l'empilement de plaques, c'est un corps de plaque continu 1 qui n'est pas interrompu aux points d'implantation des saillies et qui présente au maximum un creux plat 3 du c-té opposé aux saillies. Bien qu'il soit pcssible de disposer, sur les deux faces 35 des plaques, des saillies pour leur assemblage à d'autres plaques, il est préferableque toutes les saillies prévues pour _a_--emlaSe a d'autrs plaques soient disposées sur l'une des face de la plaque. Afin que les plaques soient disposées parallèlement les unes aux autres dans l'empilement de plaques, il est opportun que toutes les saillies servant à l'assemblage soude aient la même hauteur h. En dehors des salllies servant au soudage, il peut être disposé, sur une face ou sur les deux faces des plaques, d'autres saillies de moindre hauteur, qui servent par exemple à diriger le courant ou a crier une turbulence des gaz en circulation. Ci-après, on etendra exclusivement par "saillies" les saillies qui servent a la fixation par soudage à la plaque voisine. Ces saillies sont opportunément disposées à des distances de 20 à 200 mm les unes des autres. Aussi bien pour des raisons de fabrication que pour accroître la résistance, il est avantageux que les saillies aient un plus grand diamètre à la base, o elles naissent du corps de plaque proprement dit, qu'à 15 la pointe. Elles ont de préférence une section en forme de coin qui se poursuit dans la surface du corps de plaque par une zone de transition courbe. Cette zone de transition a de préférence un rayon de courbure r d'au moins 1 mm, de préférence de 2 a 10 am. Lorsque des soudures par points sont suffisantes, les plaques peuvent présenter comme représenté sur la fig. 2 des saillies séparées sous la forme de pyramides ou de cônes tronqués 4. Cette disposition donne lieu à une résistance a l'écoulement particulièrement faible. Il peut être judicieux de 25 former, dans la région du bord, une saillie réalisée sous forme de nervure continue 5, avec laquelle l'empilement de plaques peut être rendu étanche latéralement. Les saillies peuvent aussi être réalisées, comme le montre la fig. 3, sous forme de segments de nervure 6 plus ou moins longs. Du point de vue de 30 la technique des fluides, il est avantageux que les nervures s'étendent parallèlement les unes aux autres et qu'elles soient taillées en pointe ou arrondies aux extrémités, de façon favorable à l'écoulement. Des nervures 7 ondulées dans le même sens ou, de préférence, en sens opposés ou des nervures 8 dont 35 le diamètre varie périodiquement peuvent servir à accentuer la turbulence de 'écoulement. La turbulence favorise la transmission de chaleur et empêche le dépôt de poussière. Le maximum de résistance de l'empilement de plaques est obtenu avec des nervures 9 continues sur toute la longueur des plaques. Le corps de plaque a en règle générale une épaisseur de 0,5 à 3 mmn. En dehors des saillies et de la zone de transition à 5 leur base, le corps de plaque a de préférence une epaisseur uniforme avec, tout au plus, des variations dues à la fabrication. Si, par exception, cela ne devait pas être le cas, on prendrait l'épaisseur de la plaque aux points les plus minces comme base pour les dimensionnements suivants. 10 L'invention permet de former des saillies qui sont plus hautes que l'épaisseur de la plaque. Leur hauteur h s'élève de préference à plus du double de l'épaisseur de la plaque, en particulier à 2 à 10 fois cette épaisseur. Les saillies ont par exemple une hauteur de 1 à 10 mmn, de préférence de 3 à 6 mm. 15 L'invention permet en outre de former des saillies de forte épaisseur. Le diamètre d à mi-hauteur de la saillie est en règle générale supérieur à l'épaisseur de la plaque et il s'élève par exemple à 1,5 à 3 fois l'épaisseur de la plaque. La forme optimale de la tète des saillies se juge d'après 20 le procédé de soudage. Pour le soudage par ultrasons, une tête taillée en pointe 10 selon la fig. 7 est avantageuse. L'angle a de la pointe se situe opportunément entre 70 et 110'. Sur une saillie en forme de nervure, la tête a la forme d'un tranchant continu. Convient mieux, pour le procéde de soudage par friction, une tête arrondie 1l selon la fig. 8. Il est particulièrement avantageux que l'assemblage par soudage par friction soit effectué entre la tête 11 et un creux aplati 3 formé dans la surface 2 à assembler. Etant donné qu'en règle générale, des 30 plaques semblables sont reunies par soudage en un empilement, une tète 11 d'une saillie de l'une des plaques prend chaque fois contact avec le verso de la surface de base de la saillie correspondante de la plaque imeédiatement voisine. A cet endroit, il se trouve en réglie générale une cavité aplatie. 35 Cette cavité se forme d'elle-même borsque la face inférieure 12 de la plaque passe sur un tambour de refroidissement ou un cylindre à polir classique depourvu de creux et que la saillie une hauteur et/ou une épaisseur appréciables. Dans ce cas, il se forme une cavite aplatie 3 par vibration thermique au refroidissement. Lorsque les saillies sont constituées par des nervures 13 qui s'etendent sans solution de continuite d'un bord de la 5 'plaque au bors opposé, on peut appliquer le procédé de soudage par filament chauffant. A cet effet, le filament chauffant 14 est encastré dans la tête de la saillie 13. L'empilement de plaques selon l'invention ou les plaques utilisées pour sa formation sont en matière thermoplastique 10 soudable. La matière plastique doit pouvoir être transformée par extrusion et elle doit se souder lorsqu'elle est chauffée à la température de fusion, le cas échéant sous légère pression, de telle manière qu'il en résulte, après le refroidissement, un assemblage par union de la matière. Quant au reste, les 15 caractéristiques de la matière plastique se jugent d'après les conditions d'utilisation. Pour l'échange thermique avec l'air à des températures dans la gamme comprise entre -20 et 80 C, on peut utiliser un grand nombre de matières thermoplastiques usuelles dans la technique, telles que le chlorure de 20 polyvinyle, le polystyrène, le verre acrylique ou le polycarbonate. Pour l'utilisation préférée dans des installations d'épuration des gaz de fumée, on uilise des matières plastiques ayant une température de déformation à chaud de plus de 120'C, par exemple un oxyde de polyphénylène, 25 une polyéthersulfone ou un polyétherimide. L'oxyde de polyphénylène est préféré. Pour la fabrication économique des nouvelles plaques, il es d'une importance essentielle qu'elles puissent être produites en une seule opération. Convient à cet effet l'installation 30 représentée schématiquement sur la fig. 12. A partir d'une extrudeuse 20, une matière à mouler plastifiée pénètre dans la filière plate 21 et est extrudée hors de ce!ie-ci sous forme de bande continue plate 22. La bande continue encore plastique est introduite dans la fente de calandrage fortée par les cylindres 35 23 et 24. La vitesse d'extrusion et la vi esse de rotation des cylindres de calandrage sont adaptées ''une à l'autre de telle manière qu'il se forme, avant la fente de calandrage, un bourrelet 25 de maniere a mouler en fusion. L'un au moins des cylindres de calandrage 23 comporte dans sa surface un certain nombre de cavites 2'6 pour la formation des saillies dans la plaque extrudée. Sous l'effet de la pression qui règne dans!a fente de calandrage, la matière à mouier plastique pénètre dan:s 5 les cavités 26 et les saillies 2 sont ainsi formées. Cette pénétration est facilitée par une forme conique des cavités 26 et des saillies 2 formées. Les cylindres de calandrage sont refroidis au-dessous de la température de fusion d.e la matière plastique, de telle manière qu'après leur formation, les 10 saillies 2 conservent la forme qu'elles ont prise dans les cavités 26. Le refroidissement des cylindres de calandrage 23, 24 est assure par des conduites de fluide de refroidissement 27 qui sont parcourues de façon connue en soi par un fluide de refroidissement circulant à travers les axes creux des 15 cylindres. Pour la formation de saillies coniques 4, la surface du cylindre 23 est munie de cavités coniques 26 correspondantes. Des nervures des bords 5 peuvent être produites per une rainure annulaire, creusée dans la périphérie. De manière 20 correspondante, des cavités 26 peuvent être pratiquées dans la surface du cylindre pour la formation de saillies 6, 7 en forme de nervures. Une nervure continue 5, 9 peut être produite, soit par une rainure annulaire formée dans la périphérie, soit par une rainure creusée dans la surface parallèlement à l'axe. Dans 25 le premier cas, il est formé une nervure sans fin dans la direction de l'extrusion, tandis que dans le second cas, il est formé une nervure perpendiculaire à la direction d'extrusion sur toute la largeur de la plaque. Dans un cas comme dans l'autre, on peut encastrer un filament chauffant 14 dans la 30 tête de la saillie en insérant dans la rainure du cylindre de calandrage, avant son entrée dans la fente entre les cylindres, un filament chauffant qui doit se trouver autant que possible au fond de la rainure et qui y est éventuellement maintenu au moyen d'aimant. Lorsque la rainure est remplie de matière à 35 mouler, le filament chauffant est encastré dans celie-ci. La matière necessaire pour le remplissage des caviaés est prelevée sur le bourrelet 25 qui doit donc avoir une grosseur suffisante pour cela. En cas de formation de nervures dans ia direction de passage de la plaque extrudee. il est avantageux de donner a la nappe extrudee 22 une épaisseur un peu plus grande aux endroits o une nervure doit être formée, par un élargissement correspondant de la fente de sortie de la filière 21, afin de rendre constamment disponible la quantité de matière necessaire pour la formation de la nervure. La nappe de matière munie de saillies, produite de façon continue, est sectionnée, de façon connue en sol, en plaques individuelles selon les besoins. Un empilement de plaques selon l'invention est représente en coupe transversale sur la fig. 11. De multiples éléments en plaque (31a, 31b, 31c...) comportant des saillies sont disposés parallèlement les uns aux autres, les extrémites supérieures des saillies étant soudées chacune à la face inférieure de la 15 plaque immédiatement voisine. La fig. 10 est une vue en coupe typique d'un assemblage soude. La matière a mouler, fondue lors de l'opération de soudage, a formé un bourrelet 15 qui assemble par union de matière la tête de la saillie a la surface de la plaque voisine. De préférence, toutes les plaques individuelles 20 31a, b, c... ont les mêmes dimensions et sont assemblées par soudage de telle manière que les bords correspondants soient situés dans un plan. La surface de base de l'empilement de plaques est rectangulaire en règle générale. Lorsque chaque plaque contenue dans l'empilement comporte, sur chacun de deux 25 bords opposés, une nervure bordante ininterrompue 5, l'empilement de plaques total est hermétique au fluide circulant sur ces côtés. Les dimensions des plaques individuelles se jugent d'après l'application prévue et elles ne *-at pratiquement limitées que 30 par la largeur de la filière d'extrusion. C'est pourquoi la largeur se situe en règle générale entre 0,1 et 2 In et la longueur dans la direction de i'extrusion entre 0,1 et 10 m. L'empilement de plaques peut avoir par exemple une hauteur entre 0,1 et 2 m, ce qui correspond a un nombre de 10 a 200 35 plaques individuelles superposées. Lorsqu'on fixe le ncmbre de plaques nécessaire pour une hauteur déterminée de l'empilement, il faut tenir compte du fait que la hauteur des saillies peut subir une diminution allant jusqu'à 1 mm environ lors de l'opération de soudage. En cas de soudage par le procédé aux ultrasons, une énergie vibrationnelle à haute fréquence est appliquee sous pression au 5 point de contact entre la pointe d'un saillie et le verso lisse d'une plaque. Avec une forme appropriée du dispositif transmettant les vibrations, il est possible de produire en une seule operation une ligne entiere de points de soudure ou un cordon de soudure linéaire le long d'une nervure ininterrompue. 10 Par déplacement ligne par ligne du dispositif de soudage, toutes les saillies d'un plan de plaque peuvent être soudées pas- à-pas à la plaque voisine. De cette manière, un empilement de plaques peut être éleve par couches d'une plaque chacune. En cas de soudage par friction, une plaque entière est mise 15 en vibration parallèlement à sa surface de base, ce qui fait que toutes les saillies sont fondues simultanément par la chaleur de friction produite et sont soudées au verso de la plaque placée sur elles. Ce procédé est donc beaucoup plus rapide que le procedé de soudage aux ultrasons. On parvient a 20 une vitesse de travail encore plus élevée avec le procédé de soudage par filament chauffant, dans lequel les filaments chauffants 14, encastres dans les pointes des nervures ininterrompues 13 selon la fig. 9, sont chauffés par application d'une tension électrique exactement dosée, ce qui 25 fait que les pointes cessaillies et la surface contiguë de la plaque voisine sont fondues simultanément et sont soudées. Avec ce procédé, un empilement complet de plaques peut être soudé en une seule opération, lorsque tous les filaments chauffants sont reliés simultanément à la tension de chauffage. Dans ce procède 30 egalement, les plaques individuelles sont maintenues sous une légère pression jusqu'a i'achevement de l'opération de soudage. Les empilements de plaques produits selon l'invention sont de préférence utilisables, dans la forme de construction à cocourant, comme matériaux accumulateurs de chaleur dans des 35 échangeurs thermiques d'in. staliations d'épuration des gaz di'e-chappement. Comme autres applications, on citera des installations de conditionnement d'air pour immeubles, serres, etables ou Bimi!aires, qui peuvent etre rechauffes ou refroidis selon les besoins. Il est procéde dans ce cas à un echange thermique entre l'air frais qui entre et l'air d'évacuation qui sort. Dans ces conditions, en dehors du principe du régénérateur, d'après lequel l'empilement de plaques capte et délivre alternativement de la chaleur, on peut aussi appliquer le principe du récupérateur, d'après lequel les courants qui échangent de la chaleur passent simultanément à travers des couches alternées de l'empilement de plaques; les récupérateurs à courants croisés construits conformément à la fig. 6 10 conviennent à cet effet. Même si l'échange thermique d'air ou de gaz de fumée a une importance primordiale, de tels échangeurs thermiques peuvent être également utilisés pour d'autres fluides gazeux ou liquides, comme par exemple l'eau. 1L Empilement de plaques, se composant d'une multiplicite de plaques en matière thermoplastique soudable, comportant un grand nombre de saillies (2) qui sont unies d'une seule pièce au corps de plaque (1) et qui sont réparties sur la surface non 5 interrompue de la plaque, les faces des plaques (3Sa, b, c...) étant disposées parallèlement les unes aux autres dans l'empilement de plaques et les extrémites superieures des saillies (4-9) étant soudees a la surface de la plaque voisine. L_ Empilement de plaques selon la revendication 1, caractérisé 10 en ce que toutes les saillies (4-9) de chaque plaque individuelle sont disposées sur une face de la plaque. 3 Empilement de plaques selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que beaucoup ou la totalité des saillies do Empilement de plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les saillies {4-9) de chaque plaque individuelle ont des distances mutuelles de 20 à 200 mm. _ Empilement de plaques selon l'une quelconque des 20 revendications 1 a 4, caracterisé en ce que les saillies (4) ont, a la base, un plus grand diamètre qu'à la pointe. _ Empilement de plaques selon la revendication 5, caractérise en ce que les saillies L_ Empilement de plaques selon la revendication 5 ou 6, 25 caracterisé en ce que les faces des plaques se poursuivent dans la surface des saillies par une zone de transition ayant un rayon de courbure d'au moins 1 mm, de préference de 2 a 10 mm. Et Empilement de plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérise en ce qu'à l'endroit o les saillies de la plaque voisine sont soudGes, les plaques présentent des cavités aplaties (3). 9.5 Empilement de plaques selon l'une quelconque des revendications 1 a 8, caracterisé en ce que les saillies (4-9) ont une hauteur de plus du dbuble de l'épaisseur de la ?laque, en particulier de 2 à 10 fois cette épaisseur. 1(3. Empilement de plaques selon la revendication 9, caractérisé 10 en ce que les saillies ont une hauteur de i à 10 nm. 11. Empilement de plaques selon la revendication 10, caractérisé en ce que les saillies ont une hauteur de 3 à 6 mm. 12. Empilement de plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les saillies (4) 15 ont, à mi-hauteur, un diamètre qui est plus grand que l'épaisseur de la plaque. 13. Empilement de plaques selon la revendication 12, caractêrsé en ce que le diamètre des saillies (4) à mi-hauteur s'élève à 1,5-3 fois l'épaisseur de la plaque. L4. Empilement de plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les saillies (4) ont une surface de base approximativement carrée ou circulaire et ont la forme de pyramides ou de cônes. 15. Empilement de plaques selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les saillies (6-9) ont la forme de nervures disposées approximativement parallèlement. 1Q. Empilement de plaques selon la revendication 15, caractérisé en ce que les nervures (8) ont un diamètre qui 3Q varie périodiquement en direction longitudinale. 17. Empilement de plaques selon la revendication 15, caractérisé en ce que les nervures (7) sont ondulées en direction longitudinale. _ Empilement de plaques selon l'une quelconque des 35 revendications 15 à 17, caractérisé en ce que les nervures (69) sont séparées par des distances de 20 à 250 mr. 19. Empilement de plaques selon l'une quelconque des revendications 15 à 18, caractérisé en ce qu'a une extrémité au moins, les nervures (6--9) sont taillées en pointe ou arrondies de manière favorable à l'écoulement. 2au Empilement de plaques selon l'une quelconque des revendications 15- aà 19, caractérisé en ce que les nervures (75 9) s'etendent sans interruption sur toute la longueur de la plaque. 21. Empilement de plaques selon la revendication 20, caractérisé en ce que les nervures comportent un filament chauffant (14> au niveau du cordon de soudure avec la plaque 10 voisine. 22, Empilement de plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, se composant d'une matière plastique dont la température de déformation à chaud est supérieure à 'C. 23. Empilement de plaques selon la revendication 22, se composant d'oxyde de polyphénylène, de polyéthersulfone ou de polyétherimide. 24. Empilement de plaques selon la revendication 23, caractérisé en ce qu'il est composé de plaques individuelles de 20 mômes dimensions, dont les bords correspondants sont situés respectivement dans un même plan. ,f Empilement de plaques selon la revendication 24, caractérisé en ce qu'au niveau de chacun de deux bords opposés, chaque plaque contenue dans l'empilement comporte une nervure 25 bordante ininterrompue (5). 26. Empilement de plaques selon la revendication 25, caractérsé en ce que les nervures bordantes (5) de toutes les plaques individuelles sont disposées dans la même direction. 7.. Empilement de plaques selon la revendication 25, 30 caractérisé en ce que les nervures bordantes (5) de plaques superposées s'étendent à angle droit les unes par rapport aux autres.