Brevet FR2621997A1 — publié le 19890421

262199y Cette invention a trait a des echangeurs de chaleur et plus particulièrement a des échangeurs de chaleur compacts qui sont capables de supporter de forts gradients thermiques. Une forme très connue d'échangeurs de chaleur compacts est couramment designee sous le terme generique "a allettes planes". De tels échangeurs de chaleur comprennent une matrice composée d'un empilement de feuilles ondulées en matériau métallique séparées chacune de sa feuille voisine par une feuille plane en matériau metalllque Les teuilles ondulees et planes sont soudees les unes aux autres de telle sorte qu'une feuille ondulée et deux feuilles parallèles coopèrent pour définir une série de passages parallèles pour l'écoulement d'un fluide d'échange de chaleur. Deux feuilles ondulées successives sont disposees a angle droit l'une par rapport a l'autre si bien que deux passages successifs sont de même disposés a angle droit I'un par rapport a l'autre. Cela permet le passage d'un premier fluide d'échange de chaleur par les passages successifs et d'un second fluide d'echange de chaleur par les passages restants. Une telle disposition facilite l'implantation de collecteurs convenables pour les premier et second fluides d'échange de chaleur aux coins de la matrice. Ce type de conception d'échangeurs de chaleur souffre d'inconvenients qui limitent leur utilisation a certaines applications De façon plus spécifique, puisque les premier et second fluides d'échange de chaleur s'écoulent dans des directions perpendiculaires, le taux d'écharige de la chaleur entre eux n'est pas aussi important que dans un veritable echangeur de chaleur a ecoulements contraires Une autre difficulté réside dans la liaison entre les feuilles ondulées et les feuilles planes. S'il y a une grande différence de température entre le premier et le second fluides d'échange de chaleur, les importants gradients thermiques qui en resultent au sein de la matrice rigide de l'échangeur de chaleur peuvent occasionner des fissures ou des ruptures de soudure indésirables. En outre, si de telles fissures ou ruptures de soudure se produisent, de graves difficultés apparaissent pour effectuer une reparation puisque de nombreux Joints soudes doivent être casses afin de libérer l'accès à la partie défectueuse de la matrice. La presente invention se propose de fournir une forme amelioree d'échangeur de chaleur pour laquelle ces difficultes sont dans l'ensemble f évitées. Selon la présente invention, un échangeur de chaleur comprend une matrice definlie par un empilement de couches alternees de feuilles planes dans leur ensemble et de feuilles ondulées dans leur ensemble qui coopèrent pour définir une série de passages parallèles dans leur ensemble, un passage sur deux parmi ceux déterminés par lesdites feuilles ondulees et leurs feuilles planes voisines etant devolu au passage d'un premier fluide d'échange de chaleur, les passages restants étant dévolus au passage d'un second fluide d'échange de chaleur, lesdits passages pour le passage dudit prerriler fluide d'échange de chaleur etant adaptes pour eviter tout contact physique entre lesdits premier et second fluides d'échange de chaleur, un premier système de collecteurs étant prévu et adapté de façon a diriger, en cours de fonctionnement, ledit premier fluide d'échange de chaleur à l'intérieur de chacun desdits passages devolus au passage dudit premier f luide d'ecnange de chaleur et un second système de collecteurs étant prévu et adapté de façon a évacuer, en cours de fonctionnement, ledit premier fluide d'échange de chaleur hors de chacun desdits passages dévolus au passage dudit premier fluide d'echange de chaleur L'invention va a présent être décrite au moyen d'un exemple en faisant référence aux dessins joints sur lesquels: - la figure I est une vue générale d'un échangeur de chaleur contormement a la presente invention, - la figure 2 est une vue selon la flèche C de la figure 1, la figure 3 est une vue en perspective avec section partielle de l'échangeur de chaleur montré sur les figures 1 et 2, - la figure 4 est une coupe d'une partie de la matrice de l'échangeur de chaleur montré sur les figures 1 à 3, - la figure 5 est une coupe selon la ligne AA de la figure 4, - la figure 6 est une coupe selon la ligne BB de la figure 4. Comme cela est montre sur la figure 1, un echangeur de chaleur portant globalement la référence 10 comprend une matrice 11 qui se compose de plusieurs modules 12 semblables, soudés les uns aux autres. 3 2621997 L'echangeur de chaleur I0 est conçu pour mettre deux tluides en condition d'échanger de la chaleur. Le premier fluide d'échange de chaleur, qui peut être par exemple l'air ayant été comprimé et devant servir a la combustion dans un moteur à turbine à gaz, penetre dans l'echangeur de chaleur 10 par un conduit 13 et s'evacue de l'échangeur de chaleur 10 par un autre conduit 14. Le second fluide d'échange de chaleur, qui peut être par exemple les effluents chauds d'un moteur à turbine à gaz, s'écoule dans la direction indiquée par les flèches 15 pour passer a travers la matrice 11 de l'echangeur de chaleur et s'en evacue dans la direction indiquée par les flèches 21. Comme cela est visible sur la figure 2, les conduits 13 et 14 d'admission et d'évacuation du premier fluide décharge de chaleur se trouvent sur des côtés opposés de la matrice I 1 La figure 3 montre de façon plus claire la structure interne de la matrice 11 de l'échangeur de chaleur. La matrice 11 comprend essentiellement un empilement de couches alternées de feuilles metallques planes 16 et de feuilles metalliques ondulees 17, les couches 17 étant disposées de sorte que toutes leurs ondulations sont parallèles. Sur la plupart de leurs surfaces en contact, Il n'y a aucune sorte de joints entre les feuilles planes 16 et ondulées 17. A la vérité, le seul Joint entre les feuilles planes 16 et ondulees 17 est constitue par des cordons de soudure dont l'un d'eux est visible sur la figure 3 le long des parties du pourtour de la matrice 11 qui est parallèle aux ondulations du nmatériau formant la feuille ondulée 17. L'absence de tout joint entre les mateériaux tormant les feuilles planes 16 et ondulées 17 a pour avantage que la matrice 11 est moins disposée aux endommagements tels qu'une fissuration résultant des gradients thermiques se développant en son sein. Les feuilles planes 16 et les feuilles ondulées 17 cooperent pour définir un grand nombre de passages parallèles 19 et 20 à l'intérieur de la matrice 11. Les passages 19 sont offerts à l'écoulement d'un second fluide d'échange de chaleur comme l'indiquent les flèches 15. Ainsi le second flulde d'échange de chaleur penetre-t-ll a l'nterieur de la matrice 11 de l'échangeur de chaleur dans la direction des flèches 15, 4 26219 9 7 passe dans' les passages 19 et s'evacue de la matrice 11 dans la direction des flèches 1. Les passages 20 alternent avec les passages 19 au niveau d'une feuille ondulée 17 donnée et des feuilles planes 16 adjacentes qui cooperent avec elle. Les passages 20 sont devolus au passage du premier fluide d'échange de chaleur et ainsi constate-t-on que les premier et second fluides d'échange de chaleur échangent leur chaleur de part et d'autre de chaque feuille ondulée 17 selon des écoulements eftectivement contraires Afin d'assurer que les premier et second fluides d'échange de la chaleur ne viennent pas en contact physique, deux feuilles ondulées 17 adjacentes convergent l'une vers l'autre au niveau de leurs lrrilmites decoulement et sont soudees ensemble par un cordon de soudure 22 convenable comme cela apparaît sur la figure 3. De la sorte chaque paire de feuilles ondulées 17 enveloppe plusieurs passages 20 du premier fluide d'échange de chaleur qui se trouvent ainsi totalement séparés des passages 19 du second fluide d'echange de chaleur Le premier fluide d'échange de chaleur est introduit au sein des passages 20 enveloppés par chaque paire de feuilles ondulées 17 au moyen d'un premier collecteur 23. Chaque collecteur 23 admet, comme cela est visible sur les figures 3 et 4, une section de forme hexagonale Il est pris en sandwich par une paire de feuilles ondulées 17 et se trouve au voisinage de leurs limites d'écoulement. Afin d'accueillir chaque collecteur 23, chaque feuille plane 16 présente une longueur inférieure a celle de la paire de feuilles ondulees 17 qui sont adjacentes En outre, les ondulations de chaque paire de feuilles ondulées 17 admettent une plus petite amplitude aux abords du collecteur 23 qu'ailleurs. Cela apparaît plus clairement sur les figures - 4, 5 et 6. La figure 4 montre egalement qu'un second collecteur 24 est pris en sandwich par la même paire de feuilles ondulées 17 que celle enveloppant le premier collecteur 23. Le second collecteur 24 sert à l'évacuation du premier fluide d'échange de chaleur. Il présente la rriême configuration que le premier collecteur 23 et est pris en sandwich par la paire de feuilles ondulees 17 de la même manière. 262 1 9 9 7 Comme cela a deJa ete signale, chaque feuille plane 16 presente une longueur inférieure à celle de la paire de feuilles ondulées 17. A la vérité, la figure 4 indique que chacune des extrémités des feuilles planes 16 plus courtes correspond à l'un des premier et second collecteurs 23 et 24 Une autre caractéristique de chacune des feuilles planes 16 plus courtes apparaît sur la figure 3. Celle-ci montre qu'au voisinage irnmédiat de chacun des premiers collecteurs 23, chaque feuille plane s'elargit en une piece 25 en forme d'anneau complet qui saille hors de la matrice 11 de l'échangeur de chaleur. Chacune des pièces 25 est, a son tour, placée entre une paire d'éléments 26 en forme d'anneau, goujonnés extérieurement et fixée à elle. Les élements 26 peuvent faire partie des feuilles ondulees 17 ou bien être fixes a leurs extremîtes Deux éléments 26 goujonnés en forme d'anneau voisins sont lies l'un à l'autre de telle sorte que les éléments 26 et les pièces 25 coopèrent pour définir un canal 27. Une plaque obturatrice 28 ferme de façon etanche une extremite du canal 27 tandis que le conduit 13 d'admission du premier fluide d'échange de chaleur communique avec son autre extrémité comme indiqué sur la figure 1. D'autres pièces 25 et d'autres éléments 26 goujonnés defirnissent un second canal 29, semblable au premier canal 27, qui se trouve a l'extérieur de la matrice 1 1 à proximité des seconds collecteurs 24. Une plaque obturatrice 30 ferme de façon étanche une extrémité du canal 29 tandis que l'autre extrémité communique avec le conduit 14 d'évacuation du premier fluide d'echange de chaleur Chacun des premiers et seconds collecteurs 23 et 24 communique avec l'intérieur des premier et second canaux 27 et 29 respectivement. Ainsi en cours de fonctionnement, le premier fluide d'échange de chaleur s'ecoule-t-îl a travers le conduit 13, puis au sein du premier canal 27 pour enfin déboucher dans les premiers collecteurs 23. Chacun des premiers collecteurs 23 présente une série d'ouvertures 31 (voir figures 3 et 4) qui sont placées de façon à diriger le premier fluide d'échange de chaleur vers les passages 20 de la matrice Chaque ouverture 31 se trouve donc sur la surface la plus extrême 32 du premier collecteur 23 afin de diriger le premier fluide d'échanqe de la chaleur à l'intérieur d'un 6 2621997 des passages 20 Comme cela est visible sur la tigure 5, les ouvertures 31 dirigent le premier fluide d'echange de chaleur dans les passages 20 défInis de chaque côté du collecteur 23 les séparant. Les seconds collecteurs 24 présentent une série d'ouvertures 33 sur leurs surfaces les plus extrêmes 34 (voir figure 4) qui correspondent avec les ouvertures 31 des premiers collecteurs 23. Ainsi, chacune des ouvertures 33 des seconds collecteurs 24 se trouve- t-elle placée de telle sorte qu'elle reçoit le prermiler fluide d'echange de chaleur qui a passe dans l'un des passages 20 Les seconds collecteurs 24 amènent ensuite le premier fluide d'échange de chaleur (qui bien entendu a déjà été en contact thermique avec le second fluide d'échange de la chaleur passant par les passages 19) a l'intérieur du second canal 19 a partir duquel il secoule enfin dans le conduit 14 Afin de prévenir toute différence de pression entre des passages 19 adjacents et entre des passages 20 adjacents, chacune des feuilles 16 planes présente un grand nombre d'entailles allongées 35 (voir figure 3). Les entailles 35 rellent chacun des passages 19 adjacents et cnacun des passages 20 adjacents de façon a permettre un écoulement transversal du premier fluide d'échange de chaleur entre des passages 20 adjacents et un écoulement transversal du second t luide d'echange de chaleur entre des passages 19 adjacents, permettant ainsi un equillbrage convenable de la pression. Ainsi chaque module 12 comprend deux feuilles ondulées 17, deux feuilles planes 16, deux collecteurs 23 et 24 ainsi que la structure necessaire pour detinir des portions des canaux 27 et 29 C'est pourquoi l'assemblage d'un nombre convenable de modules 12 est aise pour parvenir à un échangeur de chaleur de la taille souhaitée. Il convient de noter que les cordons de soudure 18 maintenant chaque module 12 sont exteérieurs au module 12 et donc a la matrice 1 1 C'est ainsi que des échangeurs de chaleur selon la présente invention établissent un échange de chaleur à écoulenrients effectivement contraires entre un premier et un second fluides d'echange de chaleur, et cela a l'interieur de dimensions tres compactes En outre la modularité de la construction des échangeurs de chaleur signifile qu'un echangeur de chaleur de capacite adaptee peut etre assemblé facilement en empilant un nombre convenable de modules 12. Un autre avantage des échangeurs de chaleur selon la présente invention consiste dans le fait que les seuls cordons de soudure 18 dans l'echangeur de chaleur sont exteérieurs a ce dernier et donc tacilernent accessibles pour des besoins de réparation. Ainsi, dans le cas o une rupture Interviendrait à l'intérieur de la matrice 1l 1, seuls les cordons de soudure 18 extérieurs devraient être cassés pour permettre l'acces à l'nterieur de la matrice 11. L'absence de Joint interne a la matrice 1 1 assure également qu'un mouvement relatif limité est possible entre les différents composants de la matrice 1l 1, d'o une matrice très résistante aux endommagements qui résultent des importants gradients thermiques 8 COC262199 7 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur comprenant une matrice (11) déterminée par l'empilement de couches alternées de feuilles planes (16) dans leur ensemble et de feuilles ondulées (17) dans leur ensermble qui coopèrent pour definir une serle de passages (19,20) paralleles dans leur ensemble, un sur deux parmi lesdits passages (19,20) déefinis par chacune desdites feuilles ondulées (17) et leurs feuilles planes (16) voisines étant dévolu au passage d'un premier fluide d'échange de chaleur, les autres passages (19,20) etant devolus au passage d'un second fluide d'échange de chaleur, lesdits passages (20) dévolus au passage du premier fluide d'échange de la chaleur étant adaptés pour éviter tout contact physique entre les premier et second fluides d'echange de chaleur, un premier systeme de collecteurs (23) etant prevu et adapte pour diriger, en cours de fonctionnement, ledit premier fluide d'échange de chaleur à l'intérieur de chacun desdits passages (20) dévolus au passage dudit premier fluide d'échange de chaleur et un second systeme de collecteurs (24) etant prevu et adapte pour evacuer, en cours de fonctionnement, ledit premier fluide d'échange de chaleur hors de chacun desdits passages (20) dévolus au passage du premier fluide d'écharige de chaleur, caractérise en ce que - lesdites feuilles ondulees dans leur ensemble (17) sont plus longues dans la direction desdits passages (19,20) que lesdites feuilles planes (16) intermédiaires, - chacun desdits premier et second systerme de collecteurs (23.24) étant dispose au voisinage des extremites de la plus courte des feuilles planes (16) et intercalé entre deux feuilles ondulées (17) adjacentes de façon à être en contact avec elles, - l'amplitude des ondulations desdites feuilles ondulées (17) étant reduite au voisinage desdits collecteurs (23,24) afin de faciliter l'adaptation desdits collecteurs (23,24). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites feuilles ondulées (17) adjacentes dont les ondulations sont d'amplitude reduite, s'etendent au-dela des premier et second systemes de collecteurs (23,24) pour converger et s'engager l'une dans l'autre de 9 2621997 façon etanche et ainsi eviter le contact physique entre lesdits premier et second fluides d'échange de chaleur. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites feuilles planes (16) et lesdites feuilles ondulées (17) sont liees les unes aux autres uniquement le long des portions de la périphérie desdites feuilles ondulées (17) qui sont dans l'ensemble parallèles auxdits passages (19,20). 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1. caractérisé en ce que chacun desdits premier et second systemes de collecteurs (23,24) est respectivement adapté pour diriger ledit premier fluide d'échange de chaleur à l'intérieur desdits passages (20) dévolus au passage dudit premier fluide d'échange de chaleur et pour en évacuer ledit premnier fluide d'echange de chaleur dans les directions qui sont dans l'ensemble opposées a la direction d'écoulement dudit second fluide d'échange de chaleur à travers lesdits passages (19) dévolus au passage dudit second fluide d'échange de chaleur. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caracterise en ce que chacun desdits premier et second systemes de collecteurs (23,24) présente une série d'ouvertures (31,34) permettant respectivernent de diriger ledit premier fluide déchange de chaleur à l'nterieur desdits passages (20) devolus au passage dudit premier fluide d'echange de chaleur et de l'en évacuer, chacune desdites ouvertures (31,34) étant disposée de façon à communiquer avec lesdits passages (20) dévolus au passage dudit premier fluide d'échange de chaleur. 6 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérise en ce que chacune desdites feuilles planes (16) présente des entailles (35) qui permettent l'écoulement transversal dudit second fluide d'échange de chraleur entre lesdits passages (19) dévolus au passage dudit second fluide d'echange de chaleur 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des premiers et seconds canaux (27, 29) sont prévus au niveau de chaque extrémité de ladite matrice (11) de l'échangeur de chaleur, lesdits premiers canaux (27) communiquant avec ledit premier systeme de collecteurs (23), recevant ledit premier fluide d'échange de chaleur et dirigeant ledit premier fluide d'échange de chaleur à l'intérieur dudit 26 2 1 9 9 7 premier systeme de collecteurs (23), lesdits seconds canauy (29) communiquant avec ledit second systeme de collecteurs (24), recevant ledit premier fluide d'échange de chaleur évacué par ledit second système de collecteurs (24). 8 Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caracterise en ce que lesdits premiers et seconds canaux (27,29) sont au moins partiellement constitués par des parties desdites feuilles planes (16) s'étendant audelà des zones o lesdites feuilles planes (16) et lesdites feuilles ondulees (17) sont en contact 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérise en ce que ladite matrice ( 1 1) comprend une série desdlts premiers collecteurs (23) et une série desdits seconds collecteurs (24). 1 5