Brevet FR2650381A1 — publié le 19910201

1i 2650381 Echangeur de chaleur à Dlaaues. L'invention concerne un échangeur de chaleur à plaques, constitué d'éléments de plaques comportant des empreintes régulièrement réparties et reliées par leurs bords dépourvus d'empreintes en des paires de plaques qui forment des ouvertures côtés fentes, alors que les paires de plaques sont reliées, par les cordons de soudure en congé qui relient entre eux les joints frontaux des éléments de plaques qui se font face de deux paires de plaques voisines qui forment des ouvertures côté tubes, pour constituer une pile dont les ouvertures côté fentes et côté tubes sont disposées de manière & former entre elles un angle. Dans l'échangeur de chaleur à plaques mentionné ci- dessus, les trajets d'écoulement des deux milieux prenant part à l'échange thermique sont séparés aux sommets de la pile par des cordons de soudure d'angle s'étendant perpendi- culairement aux cordons de soudure à la molette et aux cor- dons de soudure en congé. Exécuter des soudures d'angle de ce genre est dif- ficile, du point de vue de la soudure, notamment si les épaisseurs de tôle des éléments de plaques à réunir en une pile sont petites, par exemple inférieures ou égales à 0,2 um. Une autre difficulté est que ces cordons de soudure d'angle servent en même temps d'éléments de raccordement de la pile à l'enveloppe qui l'entoure. Ces cordons de soudure d'angle sont donc des points d'affaiblissement de la résis- 2 2650381 tance d'un échangeur de chaleur à plaques de ce genre, dont les paires de plaques, constituées d'éléments de plaques rassemblés en piles, forment ce que l'on appelle des modules qui sont réunis en échangeurs de chaleur à plaques de n'im- porte quelle dimension. On connait également des échangeurs de chaleur à plaques, dans lesquels les éléments de plaques sont, pour séparer les trajets d'écoulement des deux milieux participant à l'échange de chaleur, rendus étanches au moyen de joints d'étanchéité sur leurs points de liaison mutuels et maintenus ensemble solidement par des goujons qui servent en même temps d'éléments de liaison à l'enveloppe entourant la pile; voir brevet du Royaume-Uni de Grande-Bretagne et d'Irlande No 10 34 466. On peut, certes, fabriquer ainsi des modules faciles à monter et à manipuler, qui peuvent être réunis en échan- geurs de chaleur à plaques de n'importe quelle capacité, mais la multiplicité des joints d'étanchéité élastiques entre les éléments de plaques individuels fait que l'on ne peut pas tirer entièrement parti de la résistance mécanique des élé- ments de plaques, car la résistance d'une pile de plaques de ce genre est déterminée, en premier lieu, par la résistance à la pression et à la température des matériaux d'étanchéité qui, en outre, ont une longévité relativement petite dans les conditions de fonctionnement auxquelles ils sont soumis et doivent donc être remplacés assez souvent. En outre, l'étan- chéité- de ces points de liaison laisse beaucoup à désirer, notamment pour des milieux d'échange de chaleur ayant des propriétés agressives. La protection de l'environnement et les mesures d'économie d'énergie exigent de plus en plus l'utilisation d'échangeurs de chaleur, même dans des installations pour des procédés qui opèrent dans des conditions de fonctionnement extrêmes, si bien que l'on impose des exigences de plus en plus grandes à des échangeurs de chaleur de ce genre. On exige, en outre, une grande capacité spécifique, c'est-à-dire 3 2650381 un rapport optimum entre le volume de la construction et la capacité de l'échangeur de chaleur, ainsi qu'un bon rapport capacité-poids. La puissance calorifique spécifique déter- mine, outre les pressions et les températures autorisées pour les milieux pendant le fonctionnement, la capacité spécifique et donc également le rapport du poids à la capacité. Pour cela, l'épaisseur de la tôle des éléments de plaques joue un rôle essentiel. L'invention vise donc, pour un échangeur de chaleur 10. plaques constitué d'éléments de plaques relativement min- ces, qui sont soudés entre eux en vue de former les trajets d'écoulement des milieux qui participent à l'échange de cha- leur, une nouvelle liaison d'angle servant simultanément d'élément de raccordement de l'enveloppe, qui peut être fabriqué facilement et qui est facile à monter, et qui fixe statiquement, même pendant de longues durées de fonctionne- ment, les éléments de plaques dans la pile et dans l'envelop- pe, tout en assurant une bonne étanchéité dans toutes les conditions de fonctionnement. Ce problème est résolu, suivant l'invention, par le fait que, pour la séparation du point de vue des fluides des c6tés fentes et des côtés tubes formés par les paires de plaques, il est prévu des tôles, en forme de peigne, s'éten- dant des deux c6tés sur la longueur des bords des côtés fron- taux de la pile et dont les dents, qui sont disposées à des intervalles mutuels correspondant à la somme de la profondeur des empreintes d'une paire de plaques et du double de l'épaisseur de tôl6ie d'un élément de plaque, pénètrent par le côté tube entre les paires de plaques et sont reliées rigide- ment le long des côtés fentes à des tôles de cadre s'étendant également sur la longueur des bords de la pile, pour former des cadres disposés respectivement sur les côtés frontaux- de la pile et dont les sommets sont reliés rigidement par des barres profilées entourant les côtés longitudinaux de la pile, en vue de former un bâti de pile. 4 2650381 Grâce à la constitution suivant l'invention de la liaison d'angle, sous la forme de cadres, on ménage côté tubes, au début et à la fin d'une pile d'éléments de plaques, des cadres frontaux servant à la fois à l'étanchéité et comme éléments de raccordement et reliés entre eux par des barres profilées disposées perpendiculairement au plan des cadres, de sorte que l'on crée des modules de dimension déterminée à l'avance, faciles à fabriquer et à manipuler et pouvant être assemblés en des échangeurs de chaleur de n'importe quelle capacité. Grâce à la constitution en forme de U des tôles en forme de peigne et des tôles de cadres, on obtient une grande résistance mécanique pour une faible épaisseur de matériau, les branches courtes des tôles de cadres formant en même temps des butées pour les côtés extérieurs de l'élément de plaque extérieur de la pile. Si l'on assemble plusieurs modules de ce genre en un échangeur de chaleur à plaques, par l'intermédiaire des barres profilées, on empêche d'une manière sûre, par les élé-. ments d'appui qui recouvrent des surfaces, la formation entre les piles de bosses dans les éléments de plaques minces de la pile. Grâce à la réglette d'étanchéité en silicone inter- posée entre les tôles en forme de peigne et les paires de plaques de la pile, on obtient de manière sûre la séparation nécessaire du point de vue des fluides aux sommets de la pile, pour de. longues durées de fonctionnement, car ces réglettes d'étanchéité ne sont soumises à aucune contrainte mécanique, par exemple par suite de goujons assurant la pres- sion d'étanchéité. La fixation mécanique des éléments de pla- ques de la pile s'effectue simplement par les dents des toles en forme de peigne qui pénètrent, par'le côté tube, entre les paires de plaques. Les tôles en forme de peigne, constituées sous la forme de barres profilées en T, présentent, suivant un autre 2650381 mode de réalisation de l'invention, l'avantage qu'en raison de la moindre épaisseur de leurs dents, celles-ci peuvent être soudées aux points de contact aux paires de plaques. L'invention est décrite, dans ce qui suit, au moyen de deux exemples de réalisation représentés plus ou moins schématiquement au dessin, dans lequel: la figure 1 est une vue en perspective, partielle- ment en coupe, d'un module d'échangeur de chaleur suivant l'invention, avec un second module d'échangeur de chaleur voisin simplement esquissé; la figure 2 est une vue en plan, côté fente du module d'échangeur de chaleur de la figure 1, vue dans le sens de la flèche 2; la figure 3 est une vue en élévation latérale, dans le sens de la flèche 3, du module d'échangeur de chaleur de la figure 1; la figure 4 est une élévation latérale du module d'échangeur de chaleur de la figure 1, vue du côté tube, dans le sens de la flèche 4; la figure 5 est une vue en perspective d'une tôle en forme de peigne, qui fait partie du cadre se trouvant du coté frontal du module de l'échangeur de chaleur; la figure 6 est une vue en perspective d'une tôle de cadre qui fait partie du cadre se trouvant du côté frontal du module d'échangeur de chaleur; la figure 7 est une vue en perspective, partielle- lent en coupe, de l'insertion d'une tôle en forme de peigne d'un second mode de réalisation de l'invention, qui est for- mée de barres profilées en forme de T; la figure 8 est une vue en perspective de la tôle formant peigne en T de'la figure 7. Un module d'échangeur de chaleur WM, qui peut rece- voir les applications les plus diverses, est, comme le montre notamment la figure 1, constitué d'éléments de plaques 10 assemblés en une pile et présentant des empreintes 11 répar- 6 2650381 ties régulièrement. Deux éléments de plaques 10 munis d'empreintes sont réunis, en étant symétriques comme en un miroir, par des premiers cordons de soudure 13, -cordons de soudure à la molette-, par leurs parties marginales 12 oppo- sées et dépourvues d'empreintes, en des paires de plaques 14, dont les éléments de plaques forment, par leurs surfaces se faisant face, des ouvertures en forme de fente -fente 15 (voir figures 2 et 7). Chaque paire de plaques 14 est reliée rigidement à la paire de plaques 14 voisine par de seconds cordons de sou- dure 16 -soudure sans surépaisseur sur champ et bout à bout- opposés reliant les joints frontaux des bords voisins. Les surfaces des paires de plaques qui se font face forment des ouvertures tubulaires ou tubes 18 (figure 4). Les éléments de plaques, et les paires de plaques ainsi formés, sont disposés de façon que les ouvertures côté fente et côté tube, pour les milieux échangeant de la cha- leur, fassent entre elles un angle. Les paires de plaques 14 assemblées en une pile St par les cordons de soudure sur champ sont maintenues en leur position empilée par quatre tôles en forme de peigne 20, qui s'étendent de part et d'autre sur la longueur des bords fron- taux de la pile St, les uns en face des autres, ainsi que cela- est représenté notamment dans les figures 1 et 2. Les tôles en forme de peigne 20 ont une section transversale en forme de U (voir figure 5), à branches 22 et 23 de longueurs inégales, les branches 23 comportant des dents 25. L'intervalle a mutuel entre les dents 25 correspond à la somme de la profondeur des empreintes t d'une paire de plaques augmentée du double de l'épaisseur de tôle s d'un élément de plaque (voir figure 2). Les tôles formant peigne sont disposées de manière que les dents 25 pénètrent, par le côté tube des paires de plaques, entre les paires de plaques et ainsi les fixent par complémentarité de forme. (voir figures 1, 2 et 4.) Entre les tôles formant peigne 20 et les 7 2650381 paires de plaques 14 sont montées des réglettes d'étanchéité 37 en silicone, pour obtenir une séparation sure, du point de vue des fluides, aux sommets de la pile St; voir figures 2 et 3 (non représentées à la figure 1 par souci de clarté). Les tôles supérieures et inférieures formant peigne , en se reportant à la figure 2, sont soudées à leurs extrémités à deux tôles de cadres 30 également opposées, pour donner respectivement un cadre se trouvant du côté frontal, par rapport à la pile St, les tôles 20 étant donc reliées rigidement aux tôles 30. A cet effet, les tôles en forme de peigne 20 comportent, aux deux extrémités, respectivement des languettes 26 en saillie, dont la largeur correspond à celle de la branche longue 31 de la tôle de cadre 30 de section transversale également en forme de U (voir figure 6). La branche courte 33 de la tôle de cadre 30 sert de surface d'appui pour le joint soudé du premier et du dernier élément de plaque de la pile St, comme le montre nettement la figure 1. Les cadres, qui se trouvent sur les côtés frontaux et qui sont formés des tôles en forme de peigne et des tôles de cadres, sont soudés entre eux, donc reliés rigidement par quatre barres profilées 40 ayant un profil coudé, en un bâti de pile SG entourant la pile St de tous côtés. On obtient ainsi un module d'échangeur de chaleur de capacité déterminée à l'avance, qui est facile à manipuler, plusieurs modules WM, WM-2... WM-n de ce genre pouvant être alors assemblés en un échangeur de chaleur de n'importe quelle capacité. Il est avantageux d'insérer entre deux modules des éléments d'appui , voir figure 1, qui peuvent être constitués de matériaux différents suivant l'utilisation; un verre cellulaire entou- ré d'une enveloppe 51 en silicone s'est avéré avantageux. Un autre exemple de réalisation des tôles formant peigne décrits en liaison avec la figure 5, est représenté aux figures 6 et 7, les parties identiques portant les mêmes références. 8 2650381 Comme le montrent les figures 6 et 7, il y est prévu des tôles en forme de peigne 70, qui sont fabriquées à partir de profilés en forme de T. L'une des branches 72 des barres profilées est moins épaisse, de préférence de 2 mm environ, que le matériau de la partie 71, pour permettre un soudage avec les parties marginales 12 des paires de plaques 14. On obtient ainsi un échangeur de chaleur entièrement sou- dé, de sorte que l'on peut renoncer aux réglettes d'étanchéi- té 37 du premier exemple de réalisation (voir figures 2 et 3). Les dents 25 sont usinées dans la partie de moindre épaisseur 71, par fraisage, conformément à l'exemple de réalisation déjà mentionné. On y prévoit également des tôles de cadres 74 qui forment, avec les tôles en forme de peigne 71, les cadres du côté frontal, lesquels sont reliés à leur tour par les sur- faces suivant lesquelles elles s'étendent en le bâti de pile SG déjà décrit, qui entoure une pile St de paires de plaques 14 et qui forme avec celle-ci le module d'échangeur de cha- leur WM mentionné. 9 2650381 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à plaques, constitué d'éléments de plaques (10) comportant des empreintes (11) régulièrement réparties et reliées par leurs bords dépourvus d'empreintes en des paires de plaques qui forment des ouver- tures côtés fentes (15), alors que les paires de plaques sont reliées par les cordons de soudure en congé qui relient entre eux les joints frontaux (16) des éléments de plaques (10) qui se font face de deux paires de plaques voisines qui forment des ouvertures côté tubes (18) , pour constituer une pile (St) dont les ouvertures côté fentes (15) et côté tubes (18) sont disposées de manière à former entre elles un angle, caracté- risé en- ce que, pour la séparation du point de vue des fluides des côtés fentes (15) et des côtés tubes (18) formés par les paires de plaques (14), il est prévu des tôles, en forme de peigne (20), qui s'étendent des deux côtés sur la longueur des bords des côtés frontaux de la pile (St) et dont les dents (25), qui sont disposées à des intervalles mutuels (a) qui correspondent à la somme de la profondeur des empreintes (t) d'une paire de plaques et du double de l'épaisseur de tôle (s) d'un élément de plaque (10), pénè- trent par le côté tubes entre les paires de plaques (14) et sont reliées rigidement le long des côtés fentes à des tôles de cadre (30) s'étendant également sur la longueur des bords de la pile (St), pour former des cadres disposés- respective- ment sur les côtés frontaux de la pile et dont les sommets 2650381 sont reliés rigidement par des barres profilées (40) qui entourent les côtés longitudinaux de la pile, en vue de former un bâti de pile (SG). 2. Echangeur de chaleur à plaques suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que les tôles en forme de peigne (20) ont une section transversale en forme de U à branches (22, 23> de longueurs inégales, la branche (23) étant dentée (dents 25). 3. Echangeur de chaleur à plaques suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que les tôles de cadres (30) ont également une section transversale en forme de U à branches (31, 33) de longueurs inégales et sont reliées rigi- dement aux tôles formant peigne (20), en s'appliquant au côté extérieur de l'élément de plaques (10) extérieur de la pile (St). 4. Echangeur de chaleur à plaques suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que les tôles formant peigne (20) comportent, à leur extrémité, des languettes (26) qui correspondent à la largeur des branches longues (31) des tôles de cadres (30) et qui servent à assurer la liaison avec les tôles de cadres. 5. Echangeur de chaleur à plaques suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les tôles formant peigne (20) et les tôles de cadres (30) ainsi que les barres profilées (40) sont réunies rigidement les unes aux autres au moyen de joints soudés, et en ce que, entre les tôles formant peigne (20) et les paires de plaques (14) de la pile (St), est interposée une réglette d'étanchéité (37) en silicone rendant étanches l'un par rapport à l'autre les côtés fentes (15) et les côtés tubes (18). 6. Echangeur de chaleur à plaques suivant la reven- dication 4, caractérisé en ce que, dans le cas d'une succes- sion côte à côte de plusieurs piles (St), il est prévu, entre les éléments de plaques se faisant face d'une pile (St) entourée par un bâti de pile (SG), un élément d'appui (50) 11 2650381 qui repose & plat sur les éléments de plaques, et en ce que les éléments d'appui (50) sont constitués de verre cellulaire entouré d'une enveloppe en silicone (51). 7. Echangeur de chaleur à plaques suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que les tôles formant peigne sont constituées en barres profilées (70) en forme de T, dont les branches (71) portant les dents (25) ont un retrait d'épaisseur de 2 mm environ dans la partie (72) des dents, et en ce que les tôles de cadres sont constituées de barres (75) rectangulaires soudées aux ames (74) des barres profilées (70). 8. Echangeur de chaleur & plaques suivant la reven- dication 7, caractérisé en ce que les dents (25) des barres profilées (70) sont soudées aux points de contact aux paires de plaques (14).