Brevet FR2626356A1 — publié le 19890728

2,626356 Echangeur de chaleur à plaques, de préférence pour des fluides à élément de courbe dont la courbure est iden- tique et différente avec un signe algébrique opposé." La présente invention concerne un échangeur de chaleur à plaques notamment pour des flui- des, composé d'un certain nombre de plaques d'échange de chaleur principalement de même type, qui sont reliées tout en laissant entre elles une certaine distance de fa- çon à former des canaux de passage entre chaque fois deux plaques d'échangeur, voisines, canaux dont la hau- teur est faible par rapport a leur largeur et à leur lon- gueur, les surfaces des plaques qui délimitent les canaux d'écoulement ayant des profilés dans la direction trans- versale à la largeur des plaques ou faisant un certain -15 angle constant ou variant périodiquement par rapport à la direction transversale des plaques de façon que les éléments de profil de deux plaques voisines soient pra- tiquement parallèles et que les canaux d'écoulement déli- mités par ces éléments de profil se composent d'un cer- tain nombre de segments de 'canaux d'eécoulement qui se répètent périodiquement dans la direction de l'écoulement avee une géométrie pratiquement identique, et que les élé- ments de profil projetés sur un plan perpendiculaire aux plaques de l'échangeur et parallèlement à la direction d'écoulement et qui délimitent un tel segment de canal de passage, se composent soit de deux éléments de courbe qui sont reliés l'un à l'autre avec une transition conti- nue, éléments de courbe dont la courbure est identique ou différente avec toutefois un signe algébrique opposé, ou encore deux tels éléments de courbe et un élément de droite reliant ces éléments en des points de même pente. On eonnait déjà des échangeurs de chaleur à plaques composés d'un certain nombre de pla- ques principalement de même type et qui écartées l'une de l'autre d'une certaine distance et forment entre elles des canaux de passage ou canaux d'écoulement dont la hau- teur est faible par rapport à la largeur et à la longueur. Les surfaces des plaques qui délimitent les canaux d'eécou- lement ont des profils ondulés qui sont dirigés soit transversalement à la direction d'écoulement, soit en faisant un certain angle constant ou variable periodique- ment par rapport à la direction transversale des plaques. Les éléments de profil chaque fois en regard appartenant aux plaques voisines sont ainsi pratiquement parallèles. On forme ainsi des canaux d'écoule- ment entre les plaques d'échange de chaleur qui se com- posent d'un grand nombre- de segments de canaux de passage se répétant périodiquement dans la direction d'écoulement avee une geometrie pratiquement constante. Les éléments de profil délimitant ces segments de canal de passage et qui correspondent à la projection sur un plan perpen- dieulaire aux plaques de l'échangeur parallèlement à la direction de l'écoulement sont formés.soitjpar deux élé- ments courbes qui sont reliés par une transition continue, éléments dont la courbure est égale ou différente mais présente un signe algébrique opposé ou encore,se compos nt de deux tels éléments de courbe et d'un élément de droite. les reliant en des points de méme pente. Cette forme de profil fait varier la section d'écoulement dans le seg- ment de canal de passage, de manière continue dans la direction de l'écoulement et cela en passant toujours d'une valeur maximale à une valeur minimale, puis en croissant jusqu'à atteindre de nouveau la valeur maximale. Cela accélère le fluide qui passe dans le premier segment d'un tel canal de passage alors que l'écoulement est re- tardé dans le second segment.-Le rapport entre le rende- ment de l'échange thermique et la puissance de transfert à fournir dépend principalement d'une part du rapport ob- tenu entre la section d'écoulement maximale et la section d'écoulement minimale ainsi qu'entre le type de forme de transition entre ces sections de passage ainsi que du rap- port de la longueur des segments de canal de passages segment sur lesquels le fluide est acéeléré et ceux sur lesquels il est retardé. Ces deux conditions sont Influencées par la courbure ou le profil de courbure ainsi que par la longueur des éléments courbes formant les éléments de pro- fil délimitant le segment de passage d'écoulement ainsi que de la longueur de l'élément de droite reliant ces élé- ments courbes. En plus de cette mise en forme des éléments de profil, la distance choisie entre les plaques de l'échangeur de chaleur influence également de manière importante le profil de la variation de la section d'eécou- lement dans la direction d'écoulement et ainsi le rapport que l'on peut réaliser entre le rendement de l'échange de chaleur et la puissance de transfert nécesssaire. Cette influence est étroitement liée à la forme des éléments de profil en particulier de l'évolution de la courbure de l'élément de courbe choisi et non de manière indépendante de cette évolution. Dans les solutions connues, on envi- sage toutefois soit de préférence la forme du profil, soit l'écartement des plaques de l'échangeur. La présente invention a pour but en tenant compte de l'influence variable de la forme du pro- fil et de la distance des plaques de l'échangeurs d'amé- liorer le rapport obtenu entre le rendement de l'échange de chaleur et la puissance de transfert nécessaires. L'invention a pour but de détermi- ner la distance entre les plaques de l'écehangeur dans le cas d'échangeurs de chaleur cqnnus dans lesquels les sur- faces des plaques ont un profil qui délimite les can- nauxdans la direction transversale à la direction de l'écoulement ou suivant un angle constant sur la largeur des plaques ou variant de manière périodique, tel que les profils de deux plaques voisines soient pratique- ment parallèles en définissant la forme des éléments de profil dans le sens d'une action alternée pour que la courbe de variation de la section de l'écoulement dans la direction de l'écoulement se fasse dans les segments-de canal d'écoulement pour que la puissance de transfert appliquée au fluide traversant les canaux de passage soit utilisée de manière optimale pour léchange de cha- leur. A cet effet, l'invention concerne un échangeur du type ci-dessus caractérisé en ce que la distance des plaques et la longueur des éléments de droite sont choisies pour que les courbes orthogonales aux lignes d'écoulement d'un faisceau de courbes corres- pondent à l'écoulement sans frottement du fluide à tra- vers le segment de oWff:-de passage, courbes orthogonales passant par les points respectivement auxquels les élé- ments de courbe qui forment les éléments de profil pro- jetés dans un plan perpendiculaire aux plaques et paral- lèles è la direction d'écoulement sont reliés l'un à l'autre par une transition eontinue et délimitent un segment de canal de passage, ou encore les courbes qui passent par les points auxquels l'élément de droite relie les éléments courbes dont les pentes sont égales aux points, la liaison étant continue sur l'élément de courbe et en ce que l'élément de droite qui relie les éléments de courbe aux points de même pente, est relié en continu à l'élément de courbe, ces courbes orthogonales coupant la ligne médiane du canal de passage de façon que le seg- ment de la ligne médiane du canal de passage entre les points d'intersection soit égal à la moitié de la lon- gueur de la ligne médiane du canal de passage d'un seg- ment de canal d'écoulement et qu'en même temps sur l'en- semble de toutes les courbes orthogonales d'un segment de canal de passage, il n'y ait au plus que trois points qui ne présentent pas de courbure finie. Grâce à la solution de l'invention, on donne une forme symétrique au tracé de la section du canal de passage le long de la ligne médiane du canal qui correspond au tracé d'une fonction sinusoïdale avec un maximum au début et à la fin et un minimum au milieu de chaque segment de canal d'écoulement ainsi que les points d'inversion au milieu des valeurs extremes. Ainsi on répartit non seulement les phases d'accéleration et de décélération des fluides qui traversent les canaux mais également les phases de leur accélération croissante et décroissante ainsi que de leur décélération croissante et décroissante, de manière régulière sur la longueur du canal d'écoulement, réduisant au minimum la puissance de transfert nécessaire par rapport au rendement de l'échange de chaleur réalisable. La présente invention sera décrite de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réa- lisation représenté schématiquement dans les dessins annexés, dans lesquels: --la figure 1 est une coupe longitudinale des segments de canal de passage projetés sur un plan perpendiculaire aux plaques de changeur de chaleur, parallèlement à la direction de l'écoulement, segments dont les éléments de profils se composent de deux éléments de eourbes. - la figure 2 est une coupe longitudinale d'un segment de canal de passage projeté-sur un plan perpendieulaire aux plaques de l'échangeur et parallèle à la direction de l'écoulement en relation avec la figure 1, et dont les éléments de profil qui délimitent le segment de pas- sage se composent de deux éléments courbes et d'un élément droit reliant ces deux éléments en des points ayant la même pente. Selon l'exemple de réalisation re- présenté aux dessins, les éléments de profil des plaques en regard de l'échangeur de chaleur à plaques se compo- sent de deux lignes courbes (2a, 3a ô 2b, 3b) qui sont reliées l'une à l'autre de' manière continue; ainsi, se- lon la figure 1, les surfaces associées aux segments des canaux de passage la,-lb, le situés dans un plan perpen- diculaire aux plaques d'échange de chaleur et parallèle- ment d la direction d'écoulement, sont délimitées respec- tivement par deux éléments de courbe 2a, 3a, 2b, 3b; 2c, 3c; ces éléments se composent de deux parties de courbe 2a, 2b et 3a, 3b avee une transition continue de liune vers l'autre aux points 5 et 6 pour le segment de canal de passage 1bz Le faisceau de courbe correspondant'aux trajectoires du fluide s'écoulant sans frottement à tra- vers les segments de canal de passage las lb, le, la courbe orthogonale 10 a ees trajectoires, partant du point 6 coupe la ligne médiane d'écoulement 7 au point 8; la courbe orthogonale 11 partant du point 5 coupe cette li- gne au point 9. La distance O entre les plaques de l'échangeur de chaleur est choisie de façon que la Ion- gueur de la ligne centrale d'écoulement 7 entre les points 30. d'intersection 8 et 9 sait égale à la moitié de la lon- gueur de la ligne centrale d'écoulement 7 du segment de canal de passage lb. Si par exemple les éléments profilés en regard, appartenant aux plaques voisines de l'échangeur se composant de deux parties courbes 12a, 13a; 12b, 13b et-d'une partie droite l4a, 14b de liaison, ainsi selon la figure 2, la surface associée au segment de canal de passage ld en projection dans un plan perpendiculaire à la plaque d'échangeur de chaleur et parallèle à la direction d'écoulement, est définie d'un eoté par l'élé- ment de courbe 12a qui est relié de manière continue au point 15a à l'élément de droite 14a et au point 16a de manière continue à l'élément courbe 12b et de l'autre ecté par l'élément de courbe 13a qui est relié au point b de manière continue à l'élément de droite 14b et l'élément de courbe 13a. La courbe orthogonale 17 passant par le point 15a coupe la ligne médiane d'eécoulement 19 au point 20 et la courbe orthogonale passant par le point 16b coupe cette ligne 19 au point 21. La distance 0 entre les plaques de l'échangeur de chaleur est choisie de façon que la lon- gueur de la ligne médiane du canal 19 entre les points d'intersection 20 et 21 soit égale à la moitié de la lon- gueur de la ligne médiane d'écoulement 19 du segment de canal d'écoulement Id. En même temps, on choisit la lon- gueur des éléments de droite 14a et 14b de façon qu'en dehors des points 16a et 15b, il-n'y ait pas d'autres éléments de droite 14b et 14a situes sur une et même courbe orthogonale; cela signifie également qu'à l'in- térieur des surfaces associés au segment'de canal Id compris entre les coubes orthogonales 17 et 18, il y a au plus une seule courbe orthogonale qui présente une courbure finie en aucun point appartenant à celle-ci. LISTE DES REFERENCES: O: eécartement la, lb, 1e, ld: segment de canal de passage 2a, 2b, 2e: élément eourbe 3a, 3b, 3c e: élément courbe : point de transition des courbes 6; point de transition des courbes 7 e ligne médiane du canal de passage 8: point d'intersection 9: point d'interseetion courbe orthogonale 1il i courbe orthogonale 12a, 12b i élément courbe 13a, 13b: élément eourbe 14a, 14b: élément droit iSa, 15b: point de meme pente 16at 16b: point de meme pente 17: courbe orthogonale 18: courbe orthogonale 19: ligne médiane du canal de passage : point d'intersection 21: point d'intersection R E E N DICAT I 0 N Echangeur de chaleur à plaques no- tamment pour des fluides, composé d'un certain nombre de plaques d'échange de chaleur principalement de même type, qui sont reliées tout en larssant entre elles une certai- ne distance de façon à former des canaux de passage entre chaque fois deux plaques d'échangeur, voisines, canaux dont la hauteur est faible par rapport à leur largeur et à leur longueur, les surfaces des plaques qui délimitent les eanaux d'écoulement ayant des profils dans la direc- tion transversale à la largeur des plaques ou faisant un certain angle constant ou variant périodiquement par rapport à la direction transversale des plaques de façon que les éléments de profil de deux plaques voisines soient pratiquement parallèles et que les canaux d'écou- lement délimités par ces éléments de profil se composent d'un certain nombre de segments de canaux d'écoulement qui se répètent périodiquement dans la direction de l'écoulement avec une géométrie pratiquement identique, et que les éléments de profil projetés sur un plan per- pendiculaire aux plaques de l'échangeur et parallèlement à la direction d'écoulement et qui délimitent un tel seg- ment de canal de passages se composent soit de deux élé- ments de courbe qui sont reliés l'un à l'autre avee une transition continue, éléments de courbe dont la courbure. est identique ou différente avec toutefois un signe al- gébrique opposé, ou encore deux tels éléments de courbe et un élément de droite reliant ces éléments en des points de même pente, échangeur caractérisé en ce que la distance (0) des plaques et la longueur des éléments de droite (14a, 14b) sont choisies pour que les courbes orthogonales (11 et 10 ou 17 et 18) aux lignes d'écoule- ment d'un faisceau de courbes correspondent à l'écoule- ment sans frottement du fluide à travers le segment de canal de passage (la, lb, lc ou ld), courbes orthogonales o passant par les points (5 et 6) respectivement auxquels les éléments de courbe (2a, 2b, 2e et 3a, 3b et 3e) qui forment les éléments de profil projetés dans un plan perpendiculaire aux plaques et parallèle à la direction d'écoulement sont reliés l'un.d l'autre par une transi- tion continue et délimitent un segment de canal de pas- sage (la, 1lb, lc), ou encore les courbes qui passent par les points (15a et 16b) auxquels l'élément de droiteo(4a) relie les éléments courbes (12a, 12b) dont les pentes sont égales aux points (15a et 16a), la liaison étant continue sur l'élément de courbe (12a), et en ce que l'élément de droite (14b) qui relie les éléments de c.our- be (13a, 13b) aux points (15b, 16b) de màme pente, est relié en continu à l'élément de courbe (13b), ces cour- bes orthogonales coupant la ligne médiane du canal de passage (7, 19) de façon que le segment de la ligne mé- diane du canal de passage (7, 19) entre les points d'in- tersection (8 et 9 ou 20 et 21) soit égal à la moitié de la longueur de la ligne médiane du canal de passage (7, 19) d'un segment de canal d'écoulement (1a, lb, le et ld) et qu'en même temps sur l'ensemble de toutes les. courbes orthogonales(17, 18} d'un segment de canal de passage (ld), il n'y ait au plus que trois points qui ne présentent pas de courbure finie.