Brevet FR2604246A1 — publié le 19880325

ECHANGEUR DE CHALEUR ODULAIRE DESCRIPTION L'invention, réalisée dans le cadre de L'accord CEA AFE (6roupement pour la Recherche sur les Echangeurs Thermiques), concerne un échangeur de chaleur pour assurer un échange thermique entre un premier et un second fluides. Plus particulièrement, l'invention concerne un échangeur pour des fluides présentant une température élevée, constitue d'un assemblage d'éléments qui dé Limitent des passages pour la circulation de ces fluides. On connatt ("High-temperature cerarr.ic recuperator and combustion air burner programs", M. Coombs, D. Kotchick, N. Strumpf, R. Researche Manufacturing company, Toi tance, Californie, USA, avril 1982 - Report PB 83-210 427) des échangeurs de chaleur en céramique fonctionnant à contre-courants ou en courants croisés, constitues par un empilement de pieces allongées présentant une section transversale en forme de peigne délimitant des canaux de passage pour La circulation de l'un des fluides. Ce tels éléments sont superposés et une étanchéité est assurée par un ramollissement du matériau, c'est-à-dire la céramique, qui constitue ces éléments. Les canaux dans Lesquels circule le second fluide sont parallèles ou perpendiculaires aux canaux dans lesquels circule le premier fluide. Dans ce dernier cas, on a a'faire à un échangeur à courants croisés. On conna5t également des échangeurs de chaleur constitués par des briques comportant des canaux creux orientés selon La direction longitudinale de La brique. Ces briques sont juxtaposées pour former une couche ou niveau de circulation de l'un des fluides. On dispose des éLéments intercalaires orientés selon une direction perpendiculaire à la direction longitudinale des briques. Afin d'assurer L'étanchéité, qui est indispensable dans tout échangeur de chaleur, entre les fluides primaire et secondaire, les éléments ainsi assemblés sont chauffes jusqu'à une température pour laquelle le matériau constituant les briques se trouve à une température voisine de l'état pâteux afin de souder les différentes éléments entre eux. Cependant, L'échangeur de chaleur ainsi constitue est tres fragile. En effet, particulièrement dans un échangeur à courants croisés et à température élevée, il existe une zone située au voisinage de l'entrée des fluides primaire et secondaire où l'écart de température est très élevé, de l'ordre de 1200 C, tandis que dans une zone opposée, l'écart de température entre ces fluides n'est que de 1000C environ. Il en résulte des dilatations différentielles qui s' ajoutent aux chocs thermiques qui se produisent inévitablement au cours du fonctionnement transitoire de l'échangeur. Ces dilatations différentielles et ces chocs thermiques créent des amorces de fissures qui provoquent un défaut d'étanchéité entre les circuits primaire et secondaire de l'échangeur. La présente invention a précisément pour objet un échangeur de chaleur constitué par un assemblage d'éléments modulaires pouvant etre réalisés en un matériau tel que la céramique, afin de constituer un échangeur de chaleur à température élevée dans lequel les inconvénients mentionnés cidessus sont évités. En d'autres termes, l'échangeur de l'invention doit présenter une insensibilité aux dilatations différentielles et aux chocs thermiques de manière à supprimer l'apparition de fissures et à permettre une étanchéité parfaite des circuits primaire et secondaire. Ces objectifs sont atteints grâce au fait que L'échangeur de L'invention comporte : - des éléments de passage présentant au moins un passage longitudinal pour La circulation du premier fluide, et assemblés pour former des niveaux de circulation de ce premier fluide, - des éléments intercalaires disposés entre deux niveaux voisins de circulation du premier fluide de manière à déterminer un espace pour la circulation du second fluide, - des moyens de liaison pour assurer d'une part le maintien en position relative desdits éléments de passage entre eux et d'autre part le maintien des éléments intercalaires relativement aux éléments de passage, - des moyens d'étanchéité entre les éléments de passage et les éléments intercalaires. De préférence, lesdits éléments intercalaires présentent une section en "H" qui détermine deux rainures opposées, ces rainures étant situées chacune en regard d'une face au moins de l'un desdits éléments de passage, un moyen d'étanchéité étant dispose dans chacune desdites rainures pour assurer une étanchéité entre lesdites faces et lesdits éléments intercalaires. De préférence également, lesdits moyens pour maintenir les éléments de passage sont constitués par des queues d'aronde formées selon une direction longitudinale d'un élément et par des rainures présentant un profil de forme complémentaire à celle de la queue d'aronde formée sur un élément de passage voisin d'un même niveau de circulation. Selon une première variante de réalisation, les moyens pour assembler les éléments creux sont constitués par des emboptements en forme de "U" solidaires de l'un des éléments coopérant avec un embortement de forme identique solidaire d'un élément adjacent, nais disposé de manière inversée. Selon une autre variante, ils comprennent en outre des rainures de maintien formées perpendiculairement à une direction longitudinale des queues d'aronde, des rainures complémentaires aux queues d'aronde ou des emboStements en forme de "U", ces rainures étant formées en regard dans deux éléments adjacents pour déterminer les logements, et par des clavettes introduites dans lesdits logements. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaStront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre purement illustratif et nullement limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 est une vue d'ensemble en perspective d'un échangeur de chaleur 1ovulaire conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective de deux éléments de passage de l'échangeur représenté sur la figure 1 et d'un élément intercalaire disposé perpendiculairement aux éléments de passage, - la figure 3 est une représentation en perspective montrant la réalisation d'une étanchéité entre les éléments de passage et les éléments intercalaires. - ta figure 4 est une vue de dessus d'une variante de réalisation de l'échangeur représenté sur la figure 1, - la figure 5 est une vue de détail de l'extrémité d'un élément intercalaire utilisé dans l'échangeur de la figure 4, - la figure 6 représente une vue de dessus d'une deuxième variante de l'échangeur de la figure 1 dans laquelle les éLéments de passage sont de forme parallélépipédique, - la figure 7 est une vue de détail de l'extrémité d'un élément intercalaire utilisé dans L'échangeur représenté sur La figure 6, - la figure 8 est une première variante de réalisation des moyens de maintien des éléments de passage, - la figure 9 est une deuxième variante de réalisation des moyens de maintien des éléments de passage, - la figure 10 est une vue de dessus montrant l'emboStement d'éléments de passage conformes à la variante de la figure 9. On a représenté sur la figure 1 une vue en perspective d'un échangeur de chaleur constitué d'éléments nodulaires assemblés de manière à assurer un échange thermique entre deux fluides. Il est essentiellement constitué de deux types d'éléments, à savoir des éléments de passage 2 et des éléments intercalaires 4. Chaque élément 2 présente une forme sensiblement identique à celle d'une brique creuse. Il est assemblé avec d'autres éléments de forme et de dimension identiques, ou présentant une longueur réduite de moitié, de manière à pouvoir disposer les éléments en quinconce. Un grand nombre d'éléments de passage 2 disposés dans un meme plan horizontal (plan GOY), constitue un niveau de circulation pour un premier fluide. Des éléments intercalaires tels que 4 sont disposés perpendiculairement à La direction longitudinale des éléments de passage 2.Ils ont pour fonction d'espacer deux niveaux de circulation voisins de manière à déterminer une série de passages pour la circulation d'un second fluide circulant à courants croisés en relation d'échange thermique avec le premier fluide. Selon la réalisation de la figure 1, les éléments intercalaires 4 sont disposés L'un au bout de l'autre pour former une séparation continue entre deux canaux de circulation adjacents. Un élément de passage 2 présente une forme générale allongée, comme on peut le voir plus particulièrement sur les figures 2 et 3. Il est constitué d'une face supérieure 6 et d'une face inférieure 8 rectangulaires, d'une première face latérale 10 et d'une seconde face latérale 12. Les deux faces supérieure et inférieure 6, 8, ainsi que les deux faces latérales 10 et 12 délimitent un volume interne il pour la circulation d'un premier fluide de l'échangeur. Dans l'exemple de réalisation représenté, ce volume est divisé en plusieurs canaux longitudinaux par des cloisons intermédiaires 14. Toutefois, ces cloisons ne sont pas indispensables. Des moyens sont prévus pour assembler entre eux deux éléments de passage contigus d'un meme niveau. Ces moyens sont constitués par des queues d'aronde 16 prévues sur la face 10 de L'élément et par des rainures 18 prévues sur l'autre face latérale 12 de L'élément. Les rainures 18 de la face 12 présentent un contre-profil en creux identique en section au profil des queues d'aronde 16 de La face 10, de manière à pouvoir recevoir les queues d'aronde d'un élement adjacent pratiquement sans jeu.Des saignées 20, réalisées selon une direction perpendiculaire au plan de l'élément 2, c'est-à-dire une direction verticale sur les figures 1 à 3, sont prévues tant sur la face Latérale 10 que sur La face latérale 12 de chaque élément. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures I à 3, chaque élément de passage 2 comporte trois saignées 20 réparties selon la longueur de l'élément, de largeur e, et deux saignées 20', prévues à chacune des extrémités de L'élément, de largeur moitié. Deux éléments identiques sont assemblés l'un à l'autre en introduisant une queue d'aronde 16 de l'un dans la rainure 18 de L'autre élément, et en la faisant glisser à L'intérieur de cette rainure par un mouvement longitudinal d'un élément par rapport à L'autre. Lorsque les saignées de l'un des éléments sont en regard de l'autre élément, elles déterminent des logements à l'intérieur desquels on peut introduire des clavettes 22 qui immobilisent en translation les deux éléments l'un par rapport à l'autre. Les éléments intercalaires 4 présentent également une forme allongée. Ils comportent un profil en H qui délimite deux rainures, respectivement une rainure supérieure 32 et une rainure inférieure 34- (dans la position représentée sur les figures 1 à 3). Des moyens d'étanchéité peuvent être disposés à l'intérieur de chacune des rainures 32 et 34. Cette étanchéité est réalisée par tout oyen approprié, notamment par du mastic, du feutre, etc. Dans l'exemple représenté elle est réalisée par une garniture d'étanchéité constituée par un joint cylindrique déformable 36 représenté à L'état libre dans la rainure 32 et à l'état déformé dans la rainure 34. Le joint est déformé lorsque l'élément intercalaire 4 est serré entre deux faces d'élements de passage faisant partie de deux niveaux d'échange superposes.On realise ainsi une étanchéité entre les canaux de passage du premier et du second fluides. La garniture d'étanchéité 36 est réalisée à partir de matériaux compatibles avec ceux qui constituent les éléments de passage 2 et les éléments intercalaires 4, par exemple du feutre de fibres en céramique à base de matériaux silico-alumineux. Les clavettes 22 sont de préférence enrobées dans un matériau de garniture avant leur insertion dans un logement. Leur longueur est supérieure, selon La direction OZ, à l'épaisseur des éléments de passage 2, de telle sorte qu'clles dépassent audessus de la face supérieure 6 et en-dessous de la face inférieure 8, et s'engagent dans la rainure inférieure 34 d'un élément intercalaire 4 place sur la face superieure 6 et dans la rainure supérieure 32 d'un autre élément intercalaire (non représenté sur les figues 2 et 3) placé contre La face inférieure 8 de l'élément de passage 2 traversé par la clavette 22. De cette manière, les éléments intercalaires sont maintenus par ces clavettes selon la direction longitudinale OX des éléments de passage. Lorsque les éléments de passage 2 sont disposés en quinconce, chaque élément intercalaire 4 recouvre alternativement un élément de passage 2 et la jonction entre deux éléments de passage consécutifs selon la direction OX. Les rainures 32 et 34, pourvues des garnitures d'étanchéité 36 assurent une étanchéité selon la direction OY autour de la fente située dans le plan VOZ entre la face frontale d'un élément de passage 2 et la face postérieure de l'élément de passage 2 situé dans le prolongement de celui-ci. L'enrobage des clavettes 22 assure également l'étanchéité au second fluide selon la direction OZ. L'échangeur qui vient d'entre décrit en référence aux figures 1 à 3 présente L'avantage suivant : la déformation de L'un des éléments qui le constitue n'engendre pas de contraintes pouvant conduire à La rupture de l'échangeur du fait que sa conception permet de petits déplacements relatifs entre ses composants. En effet, la fonction d'étanchéité est indépendante de la fonction de maintien statique des éléments entre eux. Si accidentellement, un élément de passage venait à etre fissuré localement la fissure, et par suite le défaut d'étanchéité en résultant, ne s'étendraient pas aux autres éléments, comme c'est le cas dans les échangeurs de type connu. On a représenté sur la figure 4 une variante de réalisation de l'échangeur représenté sur les figures 1 à 3. Elle se différencie par le fait que les éléments intercalaires 104 présentent une longueur qui est seulement un peu supérieure à la largeur d'un élément de passage. De ce fait, ils ne recouvrent que la fente comprise entre deux éléments de passage consécutifs, par exemple la fente qui existe entre les éléments 2a et 2b, ou entre les éléments 2b et 2c. Comme on l'a représenté sur la figure 5, à chacune des extrémités des éléments intercalaires 104 sont taillés deux enfourchements 106.Les clavettes 122 qui traversent les éléments de passage 2 sont plus longues que dans le mode de réalisation des figures 1 à 3 afin de prendre place dans les enfourchements 106 et maintenir en position les éléments intercalaires 104. 6râpe à ce mode de réalisation, le second fluide peut circuler soit longitudinalement (selon la direction OX) soit transversalement (selon la direction OY). Lorsqu'il circule selon la direction OX, on obtient une circulation à contre-courants. Lorsqu'il circule selon OY, la circulation est à courants croisés. L'échangeur ainsi constitué comporte donc une pluralité de sous-canaux avec de nombreux changements de direction et se prete aux échanges thermiques à contre-courants. Contrairement aux échangeurs à plaques traditionnels, l'échangeur des figures 4 et 5 permet un nettoyage des canaux de passage du premier fluide, et par le choix des dimensions respectives des éléments 2 et 4, l'ajustement indépendant des diamètres hydrauliques des canaux de circulation du premier et du second fluides, respectivement. On a représenté sur les figures 6 et 7 une seconde variante de réalisation de L'échangeur conforme à l'invention. Dans ce mode de réalisation, les éléments de passage 202 sont de forme parallélépipédique au lieu d'entre rectangulaire. D'autre part, comme pour le mode de réalisation des figures 4 et 5, les éléments intercalaires 204 ne recouvrent que la fente située entre deux éléments de passage situés dans le prolongement l'un de l'autre. Les clavettes 222 situées à chacune des extrémités des éléments intercalaires 204 sont prévues de longueur plus grande que dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, de manière à s'engager dans les fourches 206 prévues dans les éléments intercalaires 222.Etant donné que chaque élément comporte trois saignées de largeur e, et deux saignées de largeur e/2 (de manière à former une fente de largeur totale e lorsqu'il est accolé à un autre élement), un logement sur deux, selon la direction longitudinale OX de L'échangeur, reçoit une clavette 22 de longueur identique à celles du mode de réalisation des figures 1 à 3. Sur la figure 6, on a schématisé par des flèches 208 le sens de passage du premier fluide et par des flèches 210 le sens de passage du second fluide. On remarque que l'orientation des éléments intercalaires 204 produit des turbulences de ce fluide qui améliorent le coefficient d'échange thermique avec le premier fluide. La réalisation des pièces 2, 4, 102, 104, 22, 222 est faite à partir de matériaux céramiques tels que le carbure de silicium, Le nitrure de silicium et les alumino-silicates. On a représenté sur la figure 8 une variante de réalisation qui permet le maintien des éléments de passage 2 l'un par rapport à l'autre. Ces moyens sont constitués par des embotements 40 en forme de U prévus sur l'une des faces laterales, par exemple la face 10, de l'élément de passage 2. Comme on peut le voir sur la figure 8, les emboStements 40 prévus sur la face 10 présentent un profil en U dont l'ouverture est dirigée vers Le bas. Au contraire, des emboStements 42, prévus sur la face en regard de L'élément de passage 2 voisin, à savoir La face Latérale 12, présentent un profil en U dont l'ouverture est dirigée vers Le haut. On peut donc embosser les profils 42 à l'intérieur des profiLs 40 de manière à retenir les éléments l'un par rapport à L'autre selon la direction transversale OY des éléments de passage.De manière identique à ce qui a été decrit en réference aux figures 1 à 3, on a prévu des saignées 20 dans lesquelles viennent se loger des clavettes 22 (non représentées sur la figure 8) qui assurent le maintien des éléments selon la direction longitudinale OX de l'échangeur. Sien entendu, les éléments de passage peuvent astre disposés en quinconce, comme représenté sur la figure 8 ou encore de manière que leurs faces anterieure et postérieure se trouvent dans l'alignement les unes des autres. On a représenté sur la figure 9 une autre variante de réalisation des moyens permettant d'assurer le maintien des éléments de passage de l'un par rapport à l'autre. Ces moyens sont constitués par des queues d'aronde 60 orientées selon la direction OZ, c'est-à-dire perpendiculairement au plan des éléments de passage. Des enbortements de profil, correspondant à la section transversale des queues d'aronde 60, sont réalisés sur l'autre face laterale de l'élément, à savoir la face 12, afin de recevoir les queues d'aronde 60. On remarque que, dans ce mode de réalisation, les queues d'aronde 60 engagées dans les emboStements 62 assurent en meme temps le maintien des éléments de passage 2 selon leur direction longitudinale.Il est donc nécessaire de prévoir des clavettes, telles que 22, seulement au niveau de la jonction des faces antérieure et postérieure des éléments de passage puisqu'elles n'assurent alors qu'une fonction d'étanchéité. Lorsque les éléments de passage 2 sont disposés en quinconce, comme représenté sur la figure 9, deux demi-logements prévus aux extremités de l'élément reçoivent une clavette 22, la clavette et les deux demi-queues d'aronde viennent se loger à L'intérieur de l'emboStement 62 de L'élément situé en regard. La clavette assure ainsi seulement une fonction d'étanchéité. On a représenté sur la figure 10 une vue de dessus de l'embotement de trois éléments de passage comportant des moyens de maintien conformes au mode de réaLisation de la figure 9. Les deux saignées verticales de Largeur e/2 pratiquées à chacune des extrémités des éléments 1OZa et 102b forment, ensemble, un logement de largeur e dans leQueL La clavette 22 vient se Loger. L'ensemble forné par les deux demi-queues d'aronde des éléments 102a et 102b et la clavette 22 vient se loger dans une rainure placée en regard de l'élément 20. Bien entendu, les modes de maintien décrits en référence aux figures 8 d'une part, 9 et 10 d'autre part peuvent s'appliquer à l'un quelconque des modes de réalisation de L'invention. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur pour assurer un echange thermique entre un premier et un second fluides, constitué d'un assemblage d'éléments (2, 4) qui délimitent des passages distincts pour la circulation desdits premier et second fluides, caractérisé en ce qu'il comporte : - des éléments de passage (2) présentant au moins un passage longitudinal (11) pour la circulation 'du premier fluide, et assemblés pour former des niveaux de circulation de ce premier fluide, - des éléments intercalaires (4) disposés entre deux niveaux voisins de circulation du premier fluide de manière à déterminer un espace pour la circulation du second fluide, - des moyens de liaison (16, 18, 40, 42, 60, 62) pour assurer d'une part le maintien en position relative desdits éléments de passage entre eux et d'autre part le maintien des éléments intercalaires relativement aux éléments de passage, - des moyens d'étanchéité (36) entre les éléments de passage et les éléments intercalaires. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments intercalaires (4) présentent une section en "H" qui détermine deux rainures opposées (32, 34), ces rainures étant situées chacune en regard d'une face au moins de l'un desdits éléments de passage, un moyen d'étanchéité (36) étant disposé dans chacune desdites rainures pour assurer une étanchéité entre lesdites faces et lesdits éléments intercalaires. 3. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens pour maintenir les éléments de passage sont constitués par des queues d'aronde (16) formées selon une direction longitudinale d'un élément et par des rainures (18) présentant un profit de forme complémentaire à celle de la queue d'aronde (16 > formée sur un élément de passage voisin d'un même niveau de circulation. 4. Echanger selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérise en ce que les moyens pour assembler les éléments creux sont constitués par des embottements (40) en forme de "U" solidaires de l'un des éléments coopérant avec des emboitements (42) de forme identique solidaire d'un élément adjacent, mais dispose de manière inversée. 5. élément creux selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'assemblage sont constitués par des queues d'aronde (60) orientées selon une direction OZ, perpendiculaire au plan des éléments de passage, par des emboitements (62) de profil correspondant à la section transversale des queues d'aronde (60). 6. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens pour maintenir les éléments creux comprennent en outre des saignées de maintien (20, 20') formees perpendiculairement au plan de l'élément pour déterminer les logements, et par des clavettes (22) introduites dans lesdits logements. 7. Echangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque clavette (22, 122, 222) est enrobée dans un matériau de garniture. 8. Echangeur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que chaque clavette (22) possède une hauteur qui est supérieure à la dimension des éléments creux selon la direction des rainures de maintien de manière à pénétrer dans une fente (32, 34) d'un élément intercalaire. 9. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel lesdits éléments de passage (22) sont constitués par des parallélépipèdes comportant une face supérieure (6), une face inférieure (8), une face frontale avant et une face frontale arrière, une première et une seconde faces latérales (10, 12), lesdits moyens pour assembler deux éléments et les saignées de maintien (20, 20') étant prévus sur lesdites faces latérales (10, 12). 10. Echangeur selon la revendication précédente, dans lequel le parallélépipède est rectangle. Il. Elément creux pour un échangeur de chaleur selon L'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il présente la forme d'un parallélépipède comportant une face supérieure, une face inférieure, une face frontaLe avant et une face frontale arrière et deux faces Latérales, des moyens d'assemblage étant prévus sur chacune desdites faces latérales. 12. Elément creux selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens d'assemblage sont constitués par des queues d'aronde formées sur une face latérale (10) et par des rainures de forme complémentaire formées sur l'autre face latérale (12). 13. élément creux selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que les moyens d'assemblage sont constitués par des emboStements en forme de "U". 14. Elément creux selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le parallélépipède est rectangle.