Brevet FR2680566A1 — publié le 19930226

ECHANGEUR A PLAQUES La présente invention concerne la conception des échangeurs thermiques du type à plaques. Ceux-ci se distinguent d'une manière générale des échangeurs tubulaires par le fait que les fluides en situation d'échange thermique circulent longitudinalement de part et d'autre de plaques disposées jointives parallèlement les unes aux autres. Tels qu'ils sont décrits, par exemple, dans le brevet français nO 2.471.569 ou dans la demande de brevet français nO 8.813.883, des échangeurs de ce type comportent un faisceau de plaques planes parallèles qui sont constituées de tôles fines, le plus souvent en acier inoxydable, munies d'ondulations par lesquelles elles sont en contact les unes sur les autres et par lesquelles elles organisent la circulation des fluides longitudinalement d'une extrémité à l'autre de l'échangeur (en général à contre-courant l'un de l'autre), en créant des turbulences favorables aux échanges thermiques qui ont lieu entre les fluides à travers chaque plaque.Sur leurs bords longitudinaux, les plaques sont soudées entre elles par l'intermédiaire de languettes ou de cadres formant entretoises qui maintiennent l'écartement entre deux plaques successives. L'empilement de plaques est encadré par deux tôles relativement épaisses, qui reportent le poids du faisceau sur un support. Suivant la technique connue, les languettes sont placées continûment tout au long des bords latéraux plats des plaques. Leur épaisseur équilibre celle des ondulations par lesquelles les tôles fines constituant les plaques s'appuient les unes sur les autres tout en ménageant des canaux de circulation d'un fluide d'échange entre deux plaques successives. Un tel mode de réalisation du faisceau est particulièrement délicat à mettre en oeuvre. De plus, dans la mesure où l'opération de soudage porte sur des épaisseurs de matériaux à souder sensiblement différentes, entre les languettes et les tôles fines, cela conduit à des tensions et des fissures dues aux différences d'inertie thermique. La présente invention vise notamment la conception d'un faisceau de réalisation plus aisée qui soit plus léger et qui remédie aux inconvénients ci-dessus. Selon sa caractéristique principale, la présente invention concerne un faisceau de plaques d'échange thermique entre des fluides circulant entre elles pour un échangeur de type à plaques, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un empilement de couples de plaques pourvues d'ondulations et réunies par soudure par leurs bords latéraux respectifs, ménageant ainsi des canaux de passage fermés d'un premier fluide d'échange thermique longitudinalement d'une extrémité à l'autre du faisceau, les intervalles entre deux couples de plaques voisins, en contact par des crêtes extérieures de leurs ondulations, ménageant des canaux de passage ouverts d'un second fluide d'échange thermique. En supprimant les languettes, on aboutit non seulement à un allégement notable de l'ensemble du faisceau, mais surtout on évite les conséquences d'opérations de soudage portant sur des épaisseurs de matériaux à souder sensiblement différents, entre les languettes et les tôles fines, d'où des tensions et des fissures dues aux différences d'inertie thermique. Conformément à l'invention, on s'attache à fermer hermétiquement un canal sur deux seulement. Une première étape de soudure consiste à souder deux par deux les bords latéraux des plaques, pressés l'un contre l'autre, de préférence sans métal d'apport. Chaque couple de deux plaques forme ainsi un canal de passage de fluide, longitudinalement d'une extrémité à l'autre du faisceau. La présente invention vise également la réalisation d'un échangeur thermique de type à plaques comportant une enceinte de résistance en pression dans laquelle est placé un faisceau de plaques d'échange thermique selon l'invention. L'échangeur suivant l'invention comporte avantageusement des moyens d'amenée et d'évacuation des fluides d'échange thermique entre l'extérieur de l'enceinte et le faisceau. Comme on le verra par la suite, ces moyens d'amenée et d'évacuation sont aménagés de sorte que le second fluide circulant dans les canaux de passage ouverts remplisse l'enceinte. Le second fluide sera de préférence le fluide à plus haute pression, de sorte qu'il ne soit pas nécessaire de prévoir des éléments de reprise des efforts de pression sur le faisceau, la tenue de l'empilement étant assurée par le fluide à plus haute pression emplissant l'enceinte. Une telle réalisation, qui ne nécessite pas d'opération de soudage de l'ensemble du faisceau sur ses bords latéraux, permet également dans une variante de réalisation, d'assurer un meilleur remplissage en volume de l'enceinte, généralement cylindrique, en autorisant la réalisation d'un faisceau de plaques à partir de couples de plaques de largeurs différentes. On obtient donc une meilleure capacité d'échange de l'échangeur pour un encombrement donné. Afin, d'une part, de faciliter l'assemblage de l'échangeur et, d'autre part, de guider le second fluide longitudinalement dans le faisceau, ce dernier est avantageusement entouré par un caisson sensiblement parallélépipédique ouvert en ses deux extrémités longitudinales. Selon l'invention, ce caisson est de constitution particulièrement simple, dans la mesure où il n'est pas nécessaire qu'il assure une reprise des efforts de pression. Avantageusement le second fluide à plus haute pression circulant dans les canaux ouverts et dans le volume de l'enceinte permet d'éviter des éléments de reprise de ces efforts. Selon une variante de réalisation de l'invention, le caisson est remplacé par deux plaques constituant des jouées latérales de longueur identique à la longueur des plaques et de largeur quelque peu supérieure à la hauteur de l'empilement. Ces jouées assurent le guidage du second fluide dans les canaux ouverts du faisceau, le maintien de l'empilement, avant son assemblage aux moyens d'amenée et d'évacuation, son positionnement dans l'enceinte pouvant être assuré par des moyens de fixation des jouées entre elles les reliant l'une à l'autre en des points de leurs bords latéraux, par exemple par des tirants ou tout autre moyen. Selon une autre variante de réalisation où le maintien de l'empilement préalablement à son assemblage aux moyens d'amenée et d'évacuation n'est pas nécessaire, ce qui peut être le cas par exemple d'un faisceau de largeur variable destiné à occuper un plus grand volume en section dans une enceinte cylindrique, le faisceau sera placé directement dans l'enceinte et le maintien de l'empilement sera assuré une fois la mise en pression effectuée par le second fluide à plus haute pression. Afin de permettre l'organisation de la circulation des fluides dans le faisceau à partir de ses extrémités, celui-ci comporte avantageusement à ses extrémités longitudinales, des languettes intercalaires qui déterminent les passages des fluides à l'entrée et à la sortie du faisceau. Ces languettes sont placées de sorte que les canaux de passage fermés latéralement sont ouverts aux extrémités dans la partie centrale et les canaux ouverts pour le second fluide entre deux couples accolés de deux plaques soudées latéralement sont au contraire fermés par des languettes dans la même zone centrale. Dans les deux zones latérales de part et d'autre de la zone centrale, on trouve à l'inverse des languettes fermant les canaux de passage fermés alors que les canaux de passage du premier fluide restent ouverts. Les languettes destinées à fermer chaque canal de passage fermé dans les zones latérales sont taillées en biseau à leur extrémité en regard des bords latéraux des plaques afin de permettre leur soudure de raccordement aisée à la soudure étanche du canal correspondant. En regardant le faisceau en bout, on voit donc en succession, transversalement à l'empilement, alternativement une languette centrale et deux languettes latérales, avec toutefois avantageusement un recouvrement d'un canal à l'autre sur les bords de la zone centrale, là où, comme on le verra par la suite, un collecteur interne constituant les moyens d'amenée ou d'évacuation du premier fluide viendra se souder sur les languettes par une boîte de raccordement. On notera que le soudage à ce niveau ne pose nullement les problèmes que l'on rencontrait dans l'art antérieur avec les languettes latérales. En fait, les languettes relativement épaisses ont avantageusement une longueur beaucoup plus faible le long des tôles fines à souder, et de plus, le soudage fait intervenir les parois du collecteur, qui sont également relativement épaisses par rapport aux tôles fines constituant les plaques. Les moyens d'amenée et d'évacuation du premier fluide entre l'extérieur de l'enceinte et les extrémités du faisceau comportent avantageusement selon l'invention, à chaque extrémité longitudinale du faisceau, un circuit collecteur interne constitué d'une boîte de raccordement interne, soudée par ses bords longitudinaux sur la zone de recouvrement des languettes latérales et centrale et par ses bords transversaux sur les plaques externes de l'empilement, et d'un conduit interne assurant la liaison entre la boîte de raccordement et l'extérieur de l'enceinte en traversant cette dernière. Les moyens d'évacuation du second fluide d'échange comportent avantageusement un circuit collecteur externe, constitué d'une boîte de raccordement externe, soudée par ses bords sur l'extrémité du caisson, et d'un conduit externe coaxial au conduit interne du collecteur interne constituant les moyens d'amenée du premier fluide, assurant la liaison entre la boîte externe et l'extérieur de l'enceinte. Les boîtes de raccordement sont réalisées de préférence sous la forme de demi-cylindres, la boîte d'amenée du premier fluide étant à l'intérieur de la boîte d'évacuation du second fluide. Les moyens d'amenée du second fluide peuvent être réalisés de manière semblable à ses moyens d'évacuation, mais ils consistent avantageusement en un simple orifice dans l'enceinte, le second fluide à plus haute pression pénétrant ainsi librement dans le faisceau en même temps qu'il remplit l'enceinte, conçue pour résister à la haute pression. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un échangeur de type à plaques consistant - lors d'une première étape de soudage, à souder deux par deux les bords latéraux des plaques, pressés l'un contre l'autre, de préférence sans métal d'apport. - à empiler les couples de plaques ainsi réalisés les uns sur les autres, en contact par leurs ondulations respectives extérieures, l'ensemble étant de préférence maintenu dans un caisson parallélépipédique ouvert aux deux extrémités, - à mettre en place, à ces deux extrémités, les languettes intercalaires qui déterminent les passages de fluide aux deux extrémités du faisceau - lors d'une deuxième étape de soudage, à souder les languettes d'extrémités et les bords transversaux des plaques, et simultanément les botes de raccordement internes sur la zone de recouvrement des languettes - lors d'une troisième étape de soudage, à souder la ou les boîtes de raccordement externes sur les extrémités du caisson entourant le faisceau. On décrira maintenant plus en détail des formes de réalisation particulières de l'invention qui en feront mieux comprendre les caractéristiques essentielles et les avantages, étant entendu toutefois que ces formes de réalisation sont choisies à titre d'exemples non limitatifs. Leur description est illustrée par les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente en coupe transversale, dans une région où les plaques présentent des ondulations, un faisceau de plaques d'échange thermique selon l'invention - la figure 2 représente en coupe transversale un faisceau de plaques selon l'invention, la coupe étant réalisée dans la région d'une des extrémités longitudinales du faisceau - la figure 3 représente une vue partielle en perspective éclatée d'un échangeur selon l'invention - la figure 4 représente schématiquement une coupe transversale d'une variante de réalisation d'un échangeur selon l'invention ; et - la figure 5 représente schématiquement et partiellement une vue en perspective d'un échangeur selon l'invention. Dans toutes ces figures, et pour des raisons de clarté, les échelles n'ont pas été respectées et les représentations sont schématisées. De plus, et toujours pour des raisons de clarté, les mêmes éléments seront désignés par les mêmes références sur les différentes figures. Un faisceau 1 de plaques d'échange thermique selon l'invention tel que représenté aux figures 1 et 2 est constitué d'un empilement de couples 2 de plaques 3, 3'. Chaque couple 2 de plaques 3, 3' est réalisé en superposant deux tôles fines constituant les plaques 3, 3' prenant appui l'une sur l'autre par des crêtes intérieures 4 d'ondulations qu'elles comportent et qui constituent des moyens propres à organiser la circulation des fluides d'échange thermique circulant entre deux plaques voisines. Les plaques 3, 3' comportent en outre un encadrement à surface lisse, dépourvu d'ondulations et permettant notamment que deux plaques 3, 3' constitutives d'un couple 2 soient soudées l'une à l'autre par les bords latéraux respectifs 5, 5' des plaques 3, 3' pressés l'un contre l'autre, sans métal d'apport. Les couples 2 de plaques 3, 3' ainsi réalisés constituent des canaux de passage fermés 6, longitudinalement d'une extrémité à l'autre du faisceau 1, pour un premier fluide d'échange thermique. Les couples 2 de plaques 3, 3' sont ensuite empilés les uns sur les autres et les intervalles entre deux couples de plaques voisins, en contact par des crêtes extérieures 7 de leurs ondulations, ménagent des canaux de passage ouverts 8 pour un second fluide d'échange thermique. L'empilement est ensuite, dans l'exemple décrit, maintenu dans un simple caisson 9 parallélépipédique ouvert aux deux extrémités. Ce caisson 9 a pour but d'une part de canaliser le second fluide d'échange thermique dans les canaux ouverts 8, et d'autre part, accessoirement, de maintenir l'empilement en place jusqu'à sa mise sous pression dans une enceinte 10 (figure 5), conçue quant à elle pour résister à la pression du fluide de plus haute pression. Dans l'échangeur, le fluide circulant dans les canaux fermés 6 sera préférentiellement le fluide à plus basse pression, ou du moins celui qui ne remplit pas l'enceinte, généralement à virole cylindrique, contenant le faisceau de plaques. En effet, le fluide à plus haute pression circulant ainsi dans les canaux ouverts 8 en même temps qu'il remplit l'enceinte 10 comme on le verra par la suite, cela permet d'éviter que le caisson 9 ait à reprendre des efforts de pression. Aux deux extrémités de l'empilement constitutif du faisceau 1, on met en place des languettes intercalaires 11, 12 (figure 2) qui déterminent les passages du fluide à l'entrée et à la sortie du faisceau, là où les canaux de passage 6, 8 se connectent à des boîtes de raccordement 13, 14 (figure 3), afin de réaliser ensuite le soudage des languettes d'extrémité 11, 12 et des bords transversaux 15, 15' à surface lisse des plaques 3, 3' en même temps que celui de boîtes de raccordement internes 13, 16 (figure 5) pour le premier fluide. L'échangeur tel que représenté à la figure 5 est un échangeur où l'ensemble du faisceau 1 est suspendu à l'enceinte 10 à virole cylindrique par un collecteur externe 17 du premier fluide d'échange thermique à basse pression, passant à l'extrémité de tête de l'échangeur à l'intérieur d'un collecteur interne 18 du second fluide d'échange thermique à haute pression, tandis qu'à l'extrémité de pied, le second fluide à haute pression pénètre librement dans le faisceau 1 en même temps qu'il remplit l'enceinte 10, conçue pour résister à la haute pression, et que le premier fluide à basse pression sort du faisceau 1 par un collecteur interne 19. Ces collecteurs 17, 18, 19 constituent des moyens d'amenée et d'évacuation des fluides d'échange thermique depuis l'extérieur de l'enceinte 10 vers les extrémités du faisceau. Les circuits collecteurs internes 18 et 19 sont constitués chacun d'une boîte de raccordement interne 13, 16 de forme générale semi-cylindrique, et d'un conduit interne 20, 21 assurant la liaison entre la boîte de raccordement 18 ou 19 et l'extérieur de l'enceinte 10. Le circuit collecteur externe 17 est constitué d'une boîte de raccordement externe 14 de forme généralement semicylindrique et d'un conduit externe 22 assurant la liaison entre la boîte de raccordement 17 et l'extérieur de l'enceinte 10, les conduits interne 20 et externe 22 étant coaxiaux. Les canaux 6 qui ont été fermés latéralement lors de l'étape de soudage plaque 3 sur plaque 3' sont ouverts aux extrémités dans une zone centrale 23 et sont fermés dans les deux zones latérales 24 et 25 de part et d'autre de la zone centrale 23 par les languettes 11, aussi bien en tête qu'en pied du faisceau. Les canaux ouverts 8 formés pour le second fluide entre deux couples 2 accolés de deux plaques 3, 3' soudées latéralement sont au contraire fermés par des languettes 12 dans la zone centrale 23 afin de ne pas communiquer avec les collecteurs internes 18, 19.Dans les deux zones latérales 24, 25 on trouve des languettes 11 fermant les canaux 6 du premier fluide alors que les canaux 8 du second fluide restent ouverts pour communiquer soit avec le collecteur externe 17 à l'extrémité de tête, soit avec des moyens de guidage ou collecte analogue, ou directement avec le volume interne de l'enceinte 10 en pied de faisceau. Une fois les languettes 11, 12 mises en place, on réalise donc le soudage de ces languettes sur les bords transversaux des plaques en même temps que le soudage des boîtes de raccordement internes 13, 16 sur une zone de recouvrement 30 des languettes 11, 12 aux deux bords de la zone centrale 23 et sur la zone centrale des bords transversaux des deux plaques externes du faisceau 1. Enfin, une dernière étape de soudage consiste à souder la boîte de raccordement externe 17 sur l'extrémité du caisson 9 entourant le faisceau. La variante de réalisation représentée à la figure 4 montre le meilleur remplissage en volume qui peut être obtenu selon l'invention dans une virole cylindrique 26 constitutive de l'enceinte de l'échangeur. On réalise dans ce cas un faisceau 27 de plaques 28 de largeurs différentes. Cette forme de faisceau est rendue possible grâce à la réalisation du faisceau sous forme de couples de plaques empilés entre lesquels les canaux de passage pour le second fluide peuvent rester ouverts. Mais naturellement, l'invention n'est en rien limitée aux modes de réalisation préférés donnés ci-dessus à titre d'exemples. On concevra au contraire qu'elle s'étend à de nombreuses autres variantes. En particulier, il peut être utile de rajouter des cales latérales, en longueur des couples de plaques soudées, entre deux couples adjacents, pour réduire les vibrations pouvant intervenir en cet endroit. REVENDICATIONS 1. Faisceau de plaques d'échange thermique entre des fluides circulant entre elles pour un échangeur de type à plaques, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un empilement de couples (2) de plaques (3, 3') pourvues d'ondulations et réunies par soudure par leurs bords latéraux (5, 5') respectifs, ménageant ainsi des canaux de passage fermés (6) pour un premier fluide d'échange thermique longitudinalement d'une extrémité à l'autre du faisceau (1), les intervalles entre deux couples (2) de plaques (3, 3') voisins, en contact par des crêtes extérieures (7) de leurs ondulations, ménageant des canaux de passage ouverts (8) d'un second fluide d'échange thermique. 2. Faisceau de plaques d'échange thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bords latéraux (5, 5') de deux plaques voisines constituant un couple (2) de plaques (3, 3') sont soudés en étant pressés les uns contre les autres, de préférence sans métal d'apport. 3. Faisceau de plaques d'échange thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque canal de passage fermé (6) comporte à ses deux extrémités longitudinales deux languettes intercalaires (11) obturant chaque extrémité de part et d'autre d'une zone centrale (23) constituant l'accès au canal de passage (6) et en ce que chaque canal de passage ouvert (8) comporte à ses deux extrémités longitudinales une languette intercalaire (12) obturant chaque extrémité dans ladite zone centrale (23). 4. Faisceau de plaques d'échange thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la longueur desdites languettes intercalaires (11, 12) est telle qu'elles présentent une fois placées une zone de recouvrement d'un canal à l'autre sur les bords de ladite zone centrale (23). 5. Echangeur thermique de type à plaques comportant une enceinte (10) de résistance en pression dans laquelle est placé un faisceau (1) de plaques d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6. Echangeur thermique selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comporte un caisson (9) ouvert à ses deux extrémités et entourant le faisceau (1), de sorte à canaliser le second fluide d'échange thermique dans lesdits canaux ouverts (8). 7. Echangeur thermique selon la revendication 5 ou 6 caractérisé en ce que le faisceau (27) est constitué de couples de plaques (28) de largeurs différentes autorisant un meilleur remplissage du volume d'enceinte à virole cylindrique (26). 8. Echangeur thermique selon la revendication 5 ou 7 caractérisé en ce qu'il comporte de part et d'autre du faisceau (1), en regard des bords latéraux des plaques, deux jouées de longueur sensiblement égale à la longueur des plaques et de hauteur sensiblement égale à la hauteur de l'empilement, de sorte à canaliser le second fluide d'échange thermique longitudinalement d'une extrémité à l'autre du faisceau. 9. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 5 à 8 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'amenée et d'évacuation des fluides d'échange thermique entre l'extérieur de l'enceinte (10) et les extrémités du faisceau (1). 10. Echangeur thermique selon la revendication 9 caractérisé en ce que lesdits moyens d'amenée et d'évacuation d'un premier fluide d'échange thermique, destiné à circuler dans lesdits canaux fermés (6), comportent un circuit collecteur interne (18, 19) comportant une boîte de raccordement interne (13, 16), de préférence de forme générale demi-cylindrique, soudée sur lesdites languettes (11, 12) dans des zones de recouvrement suivant la revendication 4 et sur les bords transversaux des plaques externes du faisceau (1), et un conduit interne (20, 21) assurant la liaison entre ladite boîte de raccordement interne (13, 16) et l'extérieur de l'enceinte (10). 11. Echangeur thermique selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que les moyens d'évacuation d'un second fluide d'échange thermique, destiné à circuler dans lesdits canaux ouverts (8), comportent un circuit collecteur externe (17) comportant une boîte de raccordement externe (14), de préférence de forme générale semi-cylindrique, soudée sur une extrémité ouverte dudit caisson (9), et d'un conduit externe (22) assurant la liaison entre ladite boîte de raccordement externe (14) et l'extérieur de l'enceinte (10). 12. Echangeur thermique selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que ledit collecteur interne (18) d'amenée du premier fluide est contenu dans ledit collecteur externe (17) d'évacuation du second fluide. 13. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les moyens d'amenée du second fluide consistent en un simple orifice dans l'enceinte (10), le second fluide pénétrant ainsi librement dans le faisceau (1) en même temps qu'il remplit l'enceinte (10) 14. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 5 à 13, caractérisé en ce que lesdites languettes intercalaires (11) destinées à obturer chaque canal de passage fermé (6) de part et d'autre de la zone centrale (23) sont taillées en biseau à leur extrémité en regard des bords latéraux (5, 5') des plaques (3, 3'). 15. Procédé de réalisation d'un échangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 5 à 14 comportant un faisceau de plaques selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste - à souder deux par deux, lors d'une première étape, les bords latéraux (5, 5') des plaques (3, 3'), pressés l'un contre l'autre, de préférence sans métal d'apport - à empiler les couples (2) de plaques (3, 3') ainsi réalisés les uns sur les autres et à placer l'empilement dans un caisson parallélépipédique (9) ouvert aux deux extrémités - à mettre en place aux extrémités des canaux (6, 8) réalisés par l'empilement, des languettes intercalaires (11, 12) propres à déterminer les passages des fluides aux deux extrémités du faisceau - à souder, lors d'une deuxième étape de soudage, les languettes (11, 12) et les bords transversaux (15, 15') des plaques et des boîtes de raccordement internes (13, 16) sur la zone de recouvrement des languettes (11, 12) - à souder, lors d'une troisième étape de soudage, au moins une boîte de raccordement externe (14) sur une extrémité du caisson (9) entourant le faisceau (1).