Brevet FR2608746A1 — publié le 19880624

Echangeur de chaleur à circuits d'échange en spirale Plaque nervurée pour un tel échangeur. La présente invention concerne tout d'abord un échangeur de chaleur à circuits d'échange en spirale, du type comportant un empilement de plaques conductrices de la chaleur séparées par une nervure s'étendant de cha- que côté de ces plaques et définissant lesdits circuits d'échange en spirale, ces plaques séparant ainsi, de fa- çon étanche, les deux fluides entre lesquels doivent s'effectuer les échanges de chaleur, et les circuits d'échange de chacun des deux fluides étant connectés en parallèle, au niveau des extrémités respectivement in- ternes et externes des spirales, d'une part à au moins un collecteur d'entrée du fluide considéré, d'autre part à au moins un collecteur de sortie de ce fluide. On connait déjà de tels échangeurs de chaleur, par exemple par le brevet allemand n' 669 442. Dans ces échangeurs, cependant, n'est prévue sur chaque face de la plaque de base qu'une seule nervure en spirale, ce qui a pour effet favorable uniquement d'allonger le par- cours du fluide sur la plaque d'échange. En d'autres termes, chaque face de la plaque ne comporte qu'un seul trajet pour tout le fluide qui y entre ou qui en sort. Cela a pour inconvénient d'augmenter la perte de charge. Par ailleurs, il convient de remarquer que dans les échangeurs connus les nervures, qui d'ailleurs ne sont pas toujours en vis-à-vis sur les deux faces opposées des plaques, ne constituent que des cloisons de sépara- tion qui, comme indiqué plus haut, n'ont pour but que d'allonger les parcours des fluides, et qu'elles ne par- ticipent pas directement aux échanges de chaleur, ne pouvant transmettre des calories par conductibilité. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients des échangeurs connus, notamment des échangeurs à circuits d'échange en spirales, et,'à cet effet, un échangeur du type défini au début sera, con- formément à l'invention, essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs nervures élaborées sous la forme de surfaces d'échange thermique et qui font partie intégrante de la base desdites plaques, lesquelles sont donc des plaques nervurées sur leurs deux faces, et en ce qu'une même plaque porte sur une face, pour l'un des fluides, des nervures en spirale à enroulement dextror- sum et sur l'autre face, pour l'autre fluide, un même nombre de nervures en spirale à enroulement senestror- sum, ces nervures étant en exacte coïncidence par leurs bases, de sorte que les nervures d'une face de la plaque soient respectivement dans l'exact prolongement des ner- vures de l'autre face. Grâce à ces dispositions, on peut tout d'abord diminuer les pertes de charge des fluides à l'intérieur de l'échangeur car, sur chaque face des plaques, chaque fluide se divisera en un certain nombre de parcours pa- rallèles, en fonction du nombre des spirales. Par ailleurs, alors que dans les échangeurs classiques les calories sont échangées à travers une paroi mince de la plaque de base, selon la présente invention l'essentiel de l'échange de calories s'effec- tue par la conductibilité des nervures qui se font face, et qui sont élaborées, dans le même matériau que celui qui constitue la plaque de base, par coulée, par usinage mécanique, par électroérosion ou encore par estampage. Selon l'invention, la plaque de base et ses nervures forment un ensemble monobloc favorisant au maximum les échanges thermiques et conférant à tout l'échangeur une excellente rigidité, de beaucoup supérieure, par exem- ple, à celle des échangeurs à plaques minces. Cela au- torisera des différences de pression importantes entre les deux fluides, sans craindre les déformations. En outre, alors que dans les échangeurs classi- ques les seuls paramètres sont les distances entre plaques, ce qui interdit toute optimisation, selon l'in- vention le nombre des nervures, leur espacement ainsi que leur forme et leur hauteur, déterminées par le cal- cul, permettront de choisir, indépendamment l'un de l'autre, le nombre de Reynolds et le nombre de Mach, et *donc d'optimiser les coefficients d'échange et de mini- miseT les pertes de charge sur chacun des écoulements. D'autres caractéristiques d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention, ainsi que d'autres avantages, seront mentionnés plus bas, en regard des dessins. Il en sera de même pour les plaques nervurées destinées à équiper de tels échangeurs et dont la carac- téristique principale réside dans le fait que chacune d'elles comporte sur les deux faces des nervures en spi- rale faisant partie intégrante de la base de la plaque, et en ce qu'elle porte sur une face, pour l'un des fluides, des nervures en spirale à enroulement dextror- sum et sur l'autre face, pour l'autre fluide, un même nombre de nervures en spirale à enroulement senestror- sum, ces nervures étant en exacte coïncidence par leur base, de sorte que les nervures d'une face de la plaque soient dans l'exact prolongement des nervures de l'autre face. Des modes d'exécution de l'invention vont main- tenant être décrits à titre d'exemples nullement limita- tifs, avec référence aux figures du dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention, dans une première forme de réalisation comportant des plaques intermédiaires planes; - la figure 2 est une vue en plan d'une face d'une plaque nervurée conforme à l'invention; - la figure 3 est une vue en plan de la face opposée de la plaque de la figure 2; - la figure 4 est une vue partielle en coupe radiale à plus grande échelle d'une plaque de base, mon- trant une forme possible pour les nervures; et - la figure 5 est une vue en coupe axiale analo- gue à celle de la figure 1, montrant un échangeur de chaleur conforme à l'invention, dans une seconde forme de réalisaLion, à savoir sans plaques intermédiaires. Sur les différentes figures les plaques nei'u- rées ont été référencées 1. Dans l'échangeur de la figu- re 1 toutes les plaques 1 peuvent être identiques et sont circulaires et orientées dans le même sens, à sa- voir que le fluide froid à chauffer s'écoule entre les nervures en spirales 2 de leur face gauche et le fluide chaud à refroidir s'écoule entre les nervures en spira- les 3 de leur face droite, ces nervures étant portées par une base commune 4. Les plaques 1 peuvent être en tout matériau d'échange thermique approprié et notamment peuvent être en des matériaux pouvant résister aux tem- pératures très élevées, tels que les carbures et nitru- res de silicium, etc, et ayant également une excellente résistance vis-à-vis des fluides corrosifs. On peut éga- lement envisager d'utiliser des métaux comme Mg, Al, Cu, Fe, Ni, ou tout alliage métallique approprié. Entre les plaques d'échange nervurées et circulaires 1 sont inter- calées des plaques intermédiaires planes et circulaires , conductrices de la chaleur, et qui ont pour but de séparer l'écoulement d'un fluide de l'écoulement voisin de l'autre fluide; elles également peuvent être réali- sées en tout matériau approprié et être fixées de façon étanche sur les plaques nervurées I par des brasures ne supportant aucun effort mécanique. On obtient ainsi un empilement cylindrique de plaques alternées 1 et 5, avec une étanchéité parfaite entre ces plaques, que l'on enserre entre deux flasques extrêmes 6 grâce à un boulon central 7 vissé dans un noyau central et de guidage 8 solidaire de la carcasse 9 de l'échangeur, et grâce & des boulons périphériques 10. Le fluide froid (à chauffer) pénètre dans l'é- changeur par l'entrée latérale 11, accède à la partie centrale des plaques nervurées 1 par des collecteurs centraux et axiaux d'entrée 12 A, passe entre les nervu- res en spirale 2 des plaques, s'échappe de la périphérie des plaques Par des collecteurs axiaux et extérieurs de sortie 13A, et de l'échangeur par une sortie latérale 14, laquelle est disposée, par rapport à l'empilement de plaques, du côté opposé à l'entrée 11. Ce parcours du fluide froid à réchauffer a été représenté par les flè- ches F. Quant au fluide chaud qui cède les calories, il pénètre dans l'échangeur par l'entrée axiale 15 située du côté de la sortie 14, accède à la périphérie des pla- ques 1 par des collecteurs axiaux et extérieurs d'entrée 12B, passe entre les nervures en spirale 3 des plaques, s'échappe de la partie centrale des plaques 1 par des collecteurs centraux et axiaux de sortie 13B, et de l'é- changeur par une sortie axiale 16, opposée à l'entrée 15. Ce parcours du fluide chaud à refroidir a été repré- senté par les flèches C. On voit que l'on obtient ainsi un échangeur à contre-courant, puisque sur les plaques 1, le parcours en spirale des fluides est centrifuge pour le fluide froid F et centripète pour le fluide chaud C; les échanges de chaleur à contre-courant se prolongent aussi aux extrémités de l'échangeur, du fait de l'opposition des entrées 11,15 et des sorties 14,16. Cette disposition à contre-courant, connue en soi, n'est pas obligatoire, mais présente comme on le sait l'avantage de permettre d'obtenir un coefficient d'échange optimal. On a indiqué plus haut que dans le mode de réalisation de la figure 1 toutes les plaques 1 pou- vaient être identiques et orientées dans le même sens. Par ailleurs, pour obtenir la disposition essentielle de l'invention, il convient, dans ce cas, que, si l'on considère deux plaques nervurées voisines 1 situées de part et d'autre d'une même plaque intermédiaire 5, les nervures qui sur l'une des plaques définissent une par- tie du circuit d'échange de l'un (F) des fluides soient en coïncidence avec les nervures qui sur l'autre plaque définissent une partie du circuit d'échange de l'autre fluide (C). Pour réaliser ces conditions, il est nécessaire que sur une face des plaques 1 les nervures déterminant le trajet en spirale d'un des fluides soient à enroule- ment, par exemple dextrorsum, opposé à celui (alors senestrorsum) des nervures qui sur la face opposée dé- terminent le trajet en spirale de l'autre fluide. Cette disposition est mieux vue sur les figures 2 et 3, qui sont respectivement une vue en plan d'une face et une vue en plan de l'autre face des plaques ner- vurées 1 de la figure 1. On voit sur ces figures que l'on a choisi pour les nervures 2 de l'écoulement froid le sens d'enroulement dextrorsum et pour les nervures 3 de l'écoulement chaud le sens d'enroulement senestror- sum, ce qui permet d'obtenir une disposition parfaite- ment symétrique des nervures et donc une coïncidence exacte des bases des nervures d'une face avec celles de la face opposée, comme montré également sur la figure 4. On voit aussi sur ces figures 2 et 3 que chaque face porte neuf nervures en spirales parallèles, déca- lées de 40 l'une par rapport à la suivante. Cette disposition permet, comme on l'a déjà mentionné plus haut, de diminuer les pertes de charge, en obtenant une meilleure répartition des fluides sur chaque face des plaques. Les figures 2 et 3 montrent aussi clairement de quelle façon on peut obtenir, grâce au simple empilement des plaques 1, les collecteurs d'entrée 12A,12B et les collecteurs de sortie 13A,13B, respectivement pour les fluides F et C. Ces collecteurs sont formés par des alvéoles alignés que comportent les plaques 1 en leur centre et à leur périphérie et que, pour faciliter la compréhension, on a désigné respectivement par les mêmes références que les collecteurs oa'ils constituent, mais avec les minuscules a,b au liceu des majuscules A,B. Ainsi, en considérant la figure 2 on voit que les spirales constituées par les neuf nervures 2 relient trois alvéoles centraux d'entrée 12a à trois alvéoles périphériques de sortie 13a pour l'écoulement du fluide F. De même, en considérant la figure 3 on voit que les spirales constituées par les neuf nervures 3 relient trois alvéoles périphériques d'entrée 12b à trois alvéo- les centraux de sortie 13b pour l'écoulement du fluide C. Les alvéoles centraux 12a,13b ont la forme de secteurs de cercle, et les alvéoles périphériques 12b, 13a la forme d'arcs de cercle. Les alvéoles centraux 12a sont intercalés avec les alvéoles centraux 13b, et il en est de même pour les alvéoles périphériques 12b et 13a, de sorte qu'aussi bien à la périphérie qu'au centre, un alvéole traversé par le fluide F est compris entre deux alvéoles traversés par le fluide C et inversement. Cela permet encore d'améliorer considérablement les échanges thermiques dans un encombrement donné. Il convient de noter à ce sujet qu'une excellente répartition des différents écoulements est obtenue en prévoyant que le nombre des nervures sur chaque face des plaques est égal au nombre d'alvéoles ou à un petit multiple de ce nombre. C'est le cas dans l'exemple décrit, puisque l'on a neuf nervures pour des groupes de trois alvéoles. Pour améliorer encore les échanges thermiques des conduits d'entrée et de sortie, on peut encore pré- voir que les rayons, tels que 17 ou 18, qui séparent ces alvéoles sont nervures. Il peut par ailleurs être avantageux, pour tenir compte des différences des débits, de faire en sorte que la section de passage offerte au fluide le plus chaud C soit nettement supérieure à celle qui est offerte au fluide le plus froid F. Pour ce faire. et comme cela est bien visible sur la figure 4, qui muntre comment se transmet la cha- leur entre les deux faces d'une même plaque, on peut prévoir avantageusement que la hauteur des nervures 3 sur l'une des faces de la plaque, à savoir celle qui reçoit l'écoulement en spirale du fluide chaud à refroi- dir C, est notablement plus importante que la hauteur des nervures 2 sur l'autre face de la plaque, à savoir celle qui reçoit l'écoulement en spirale du fluide froid F à réchauffer. La forme de la section transversale des nervures qui est indiquée à la figure 4 n'est bien entendu aucu- nement limitative. Cette forme pourrait être triangulai- re, trapézoïdale ou rectangulaire, selon les besoins. Corrélativement, on prévoit que les alvéoles 12b et 13b du fluide chaud C ont un angle au centre notable- ment plus important que celui des alvéoles 12a et 13a du fluide froid F, comme cela est également bien visible sur les figures 2 et 3. Il y a lieu de noter en outre, concernant ces figures, que les surfaces S qui sur la figure 2 entou- rent les grands alvéoles 12b,13b sont en saillie par rapport à la base 4 et sont parfaitement planes, étant destinées à constituer des portées d'étanchéité sur les plaques intermédiaires 5; il en est de même des surfa- ces S' qui sur la figure 3 entourent les petits alvéoles 12a,13a. Les alvéoles centraux et phériphériques peuvent être réalisés sous la forme d'ouvertures cylindriques dans certaines applications o l'abaissement du coût de fabrication est recherché. La plaque comporte alors des ouvertures à section circulaire, d'une part une ouver- ture centrale pour l'un des fluides, entourée d'une sé- rie d'ouvertures de plus faible diamètre pour l'autre fluide, et d'autre part des ouvertures périphériques, alternativement pour l'un et pour l'autre des fluides. Quant au parcours des spirales, on peut choisir la spirale d'Archimède, comme représenté sur les figures 2 et 3, ce qui délimite pour chacun des écoulements une section de passage très sensiblement constante. Cepen- Àdant, grâce aux machines à commande numérique, à l'usi- nage chimique ou par électroérosion on peut envisager toute courbe plus complexe, en particulier la spirale logarithmique, procurant une section agrandie vers la sortie des spirales pour les deux fluides, ce qui per- mettrait de maintenir sensiblement constant le nombre de Mach de chacun des écoulements et constituerait par suite encore un avantage sur les échangeurs connus. Dans le mode de réalisation de la figure 5, l'é- changeur de chaleur, encore conforme à l'invention, est dépourvu de plaques intermédiaires. On a supposé ici que l'échangeur était incorporé à un ensemble compresseur- turbine, ces appareils étant logés dans un carter commun 20. L'air froid (ou tout autre fluide) arrive à l'échan- geur par le passage périphérique 11, se répartit dans les plaques 1 par les trois collecteurs centraux d'en- trée 12A et s'en échappe par les trois collecteurs exté- rieurs de sortie 13A (par souci de simplification on a utilisé sur la figure 5 les mêmes références que sur la figure 1 pour désigner les mêmes parties ou des parties analogues de l'échangeur). L'air chaud (ou tout autre fluide) entre dans l'échangeur par le passage axial 15, qui le répartit dans les plaques 1 par les trois collec- teurs d'entrée extérieurs 12B, et d'o il s'échappe par les trois collecteurs de sortie centraux 13B, puis par un conduit axial 21. Etant donné la suppression des plaques intermé- diaires 5, il convient qu'à une face "froide" d'une plaque nervurée 1 s'oppose maintenant une face "froide" (et non plus une face chaude, comme dans le cas de la figure 1) de la plaque nervurée voisine, et qu'à sa face "chaude" s'oppose la face "chaude" de la plaque nervurée voisine située de l'autre cié. Pour ce faire, et pour conserver la disposition essentielle de l'invention, consistant à faire en sorte que les nervures en spirale soient exactement dans le prolongement les unes des au- tres, il convient, conformément à une autre disposition de l'invention, de prévoir un empilement de plaques ner- vurées qui sont alternativement de deux types diffé- rents, à savoir d'un premier type dans lequel une même plaque 1 porte sur une face, pour l'un F des fluides, des nervures en spirale 2 à enroulement dextrorsum et sur l'autre face, pour l'autre fluide C, un même nombre de nervures en spirale 3 à enroulement senestrorsum, et d'un second type dans lequel, pour les mêmes fluides, les sens d'enroulement des nervures sont respectivement opposés aux précédents. On aura donc à utiliser alternativement d'une part des plaques 1 analogues à celles des figures 2 et 3, et d'autre part des plaques ayant des sens d'enroule- ment des spirales opposés (senestrorsum pour la face "froide" et dextrorsum pour la face "chaude"). On voit sur la figure 5 que l'on obtient ainsi entre les plaques des écoulements en spirale de section en moyenne double de celle des écoulements de la figure 1, mais ces écoulements sont en nombre moitié moindre, pour un même nombre de plaques. Bien entendu, on pourra brancher les échangeurs conformes à l'invention en série ou en parallèle, comme les échangeurs classiques: en série lorsque l'on sou- haitera obtenir une efficacité importante sans pour au- tant atteindre des diamètres de plaques prohibitifs, en parallèle pour les grands débits, les échangeurs pouvant alors être montés en batteries. Dans ce cas on obtiendra une compacité et une robustesse particulièrement impor- tantes en utilisant des plaques hexagonales, permettant un parfait emboîtement des échangeurs. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à circuits d'échange en spirale, du type comportant un empilement de plaques conductrices de la chaleur, séparées par une nervure s'étendant de chaque côté de ces plaques et définissant lesdits circuits d'échange en spirale, ces plaques sépa- rant ainsi, de façon étanche, les deux fluides entre lesquels doivent s'effectuer les écL.anges de chaleur, et les circuits d'échange de chacun des deux fluides étant connectés en parallèle, au niveau des extrémités respec- tivement internes et externes des spirales, d'une part à au moins un collecteur d'entrée du fluide considéré, d'autre part à au moins un collecteur de sortie de ce fluide, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs ner- vures (2,3) élaborées sous la forme de surfaces d'échan- ge thermique et qui font partie intégrante de la base (4) desdites plaques, lesquelles sont donc des plaques nervurées sur leurs deux faces, et en ce qu'une même plaque (1) porte sur une face, pour l'un (F) des fluides, des nervures en spirale (2) à enroulement dex- trorsum et sur l'autre face, pour l'autre fluide (C), un même nombre de nervures en spirale (3) à enroulement senestrorsum, ces nervures étant en exacte coïncidence par leurs bases, de sorte que les nervures (2) d'une face de la plaque (1) soient respectivement dans l'exact prolongement des nervures (3) de l'autre face. - 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un empilement de plaques nervurées identiques (1) séparées par des pla- ques intermédiaires planes (5), et en ce que, si l'on considère deux plaques nervurées voisines (1) situées de part et d'autre d'une même plaque intermédiaire (5), les nervures qui sur l'une des plaques définissent une par- tie du circuit d'échange de l'un (F) des fluides sont en coïncidence avec les nervures qui sur l'autre plaque définissent une partie du circuit d'échange de l'autre fluide (C). 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est dépourvu de plaques in- termédiaires, et en ce qu'il comporte un empilement de plaques nervurées qui sont alternativement de deux types différents, à savoir d'un premier type dans lequel une même plaque (1) porte sur une face, pour l'un (F) des fluides, des nervures en spirale (2) à enroulement dex- trorsum et sur l'autre face, pour l'autre fluide (C), un même nombre de nervures en spirale (3) à enroulement se- nestrorsum, et d'un second type dans lequel, pour les mêmes fluides, les sens d'enroulement des nervures sont respectivement opposés aux précédents. 4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités internes des spirales constituant les circuits d'échange d'un (F) des fluides sont reliées à au moins un collecteur d'entrée (12A) de ce fluide et les extrémités externes des mêmes spirales sont reliées à au moins un collecteur (13A) de sortie de ce fluide, l'agencement étant inverse pour les circuits d'échange de l'autre fluide (C), de sorte que les échanges sont à contre-courant. 5. Plaque nervurée destinée à être utilisée dans un échangeur de chaleur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle compor- te sur les deux faces des nervures en spirale (2,3) fai- sant partie intégrante de la base (4) de la plaque (1), et- en ce qu'elle porte sur une face, pour l'un (F) des fluides, des nervures en spirale (2) à enroulement dex- trorsum et sur l'autre face, pour l'autre fluide (C), un même nombre de nervures en spirale (3) à enroulement se- nestrorsum, ces nervures étant en exacte coïncidence par leurs bases, de sorte que les nervures (2) d'une face de la plaque (1) soient dans l'exact prolongement des ner- vures (3) de l'autre face. 6. Plaque nervurée selon la revendication 5, caractérisée en ce que sur chacune de ses faces, les spirales relient au moins un alvéole central (12a, 13b) à au moins un alvéole périphérique (12b,13a), ces alvéoles étant destinés à constituer par leur aligne- ment, lorsque plusieurs plaques (1) sont empilées, res- pectivement des collecteurs d'entrée (12A,12B) et de sortie (13A,13B) des fluides. 7. Plaque nervurée selon la revendication 6, ca- ractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs alvéoles centraux (12a,13b) ayant la forme de secteurs de cercle, et un même nombre d'alvéoles périphériques (12b,13a) en forme d'arcs de cercle. 8. Plaque nervurée selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits alvéoles sont de forme circulaire. 9. Plaque nervurée selon la revendication 7, ca- ractérisée en ce que les alvéoles centraux (12a) et pé- riphériques (13a) qui, sur une des faces de la plaque (1), sont reliés par plusieurs spirales pour l'écoule- ment d'un (F) des fluides sont intercalés respectivement avec les alvéoles centraux (13b) et périphériques (12b) qui, sur l'autre face de la plaque, sont reliés par plu- sieurs spirales pour l'écoulement de l'autre fluide (C). 10. Plaque nervurée selon la revendication 7 ou 9, caractérisée en ce que les alvéoles centraux (12a) et périphériques (13a) qui, sur une des faces de la plaque (1), sont reliés par plusieurs spirales pour l'écoule- ment du fluide froid (F) à chauffer ont un angle au centre notablement plus faible que celui des alvéoles centraux (13b) et périphériques (12b) qui, sur l'autre face de la plaque, sont reliés par plusieurs spirales pour l'écoulement du fluide chaud (C) à refroidir. 11. Plaque nervurée selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisée en ce que la hauteur des nervures (3) sur l'une des faces de la plaque, à y savoir celle qui reçoit l'écoulement en spirale du fluide chaud qui cède les calories (C), est notablement plus importante que la hauteur des nervures (2) sur l'autre face de la plaque, à savoir celle qui reçoit l'écoulement en spirale du fluide froid (F) à chauffer. 12. Plaque nervurée selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisée en ce que Fur chaque face les nervures ont un parcours en spirale d'Archi- mède. 13. Plaque nervurée selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisée en ce que sur chaque face les nervures ont un parcours en spirale logarithmi- que.