Brevet FR2685462A1 — publié le 19930625

ECHANGEUR DE CHALEUR A PLAQUES SOUDEES ET PROCEDE DE FABRICATION DE MODULES DE PLAQUES PERMETTANT L'OBTENTION DE TELS ECHANGEURS La présente invention se rattache au secteur technique des échangeurs à plaques et de leurs différents constituants. Les échangeurs de chaleur développés à ce jour peuvent être répertoriés dans deux grandes catégories, à savoir : les échangeurs tubulaires et les échangeurs à plaques avec joints ou soudés. Ces différents échangeurs sont exploités par plusieurs constructeurs. Ces exploitations sont satisfaisantes, bien que présentant, dans tous les cas, un certain nombre d'inconvénients non négligeables qui en limitent leurs performances et leur fiabilité. - Les échangeurs tubulaires ont l'inconvénient d'être peu performants et exigent des grandes surfaces d'échange par le fait de leur coéfficient d'échange. Ils sont lourds, volumineux et coûteux. - Les échangeurs à plaques avec joints sont constitués par un empilement d'un nombre approprié de plaques profilées et nervurées qui sont serrées entre deux bâtis au moyen de tirants. Ces plaques possèdent dans leurs angles des ouvertures qui délimitent, dans l'empilement, des passages d'entrée et de sortie pour les fluides. L'alternance de ces derniers dans les espaces successifs définis entre les plaques est obtenue par l'utilisation de joints de profil et formes appropriés. Ces échangeurs présentent de bonnes performances thermiques avec un faible encombrement, mais leur fiabilité est limitée par la tenue des joints : à la nature, à la température et à la pression du produit à véhiculer ; de plus d'autres facteurs, tel le vieillissement ou autres sont susceptibles d'agir sur ces joints. Les échangeurs à plaques soudées reprennent les avantages des échangeurs à plaques avec joints, pour un coût plus élevé tout en supprimant les inconvénients de ceux-ci. Ils ont néanmoins plusieurs inconvénients qui leur sont propres, et proviennent de leur mode d'élaboration et conception, ces inconvénients sont admis et reconnus par les constructeurs. Un premier inconvénient réside dans le fait que les plaques sont réalisées par emboutissage, ce qui donne des contraintes ou tensions résiduelles suite au mode d'obtention pour obtenir le profil des plaques. Un deuxième inconvénient réside dans l'apparition d'anfractuosités qui sont constatées, d'une part, au niveau du raccordement des plaques entre elles constituant le faisceau et, d'autre part, des boîtes collectrices des fluides avec ce faisceau. On a ainsi représenté, de manière schématique, aux figures 1 et 2 des dessins ; le profil des plaques soudées (1 - 2) selon la technique antérieure avec la zone de soudure (3) source d'anfractuosités. On a également représenté à la figure 3 la déformation obtenue par la pression. On constate que celle-ci dans l'échangeur accentue les anfractuosités (4) inhérentes au mode de fabrication utilisé, d'abord on forme, puis on soude, et facilite ainsi la stagnation de produits tels que les chlorures de l'eau. Par conséquent, il y a stagnation et concentration de ces derniers dans ces anfractuosités, puis corrosion pouvant engendrer à terme la destruction des appareils en acier inoxydable. Un troisième inconvénient des échangeurs à plaques réside dans les contraintes de dilatation. En effet, dans les appareils parallélépipédiques ou cubiques où le faisceau constitué de plaques liées deux à deux par soudure et ensuite empilées verticalement, la résistance à la pression de l'appareil est constitué par un bâti ou boîte muni de porte, le faisceau se trouve à ses extrémités haute et basse à des températures très différentes ; ainsi, le bâti est lui aussi soumis à des températures homothetiques au faisceau mais différentes du fait de son épaisseur. Du fait des différences de température, les plaques se dilatent toutes différemment, et le bâti ou boîte se trouve déformé progressivement en donnant un aspect troncopyramidal. Donc, le faisceau est sous tension par suite de ces différences de températures, ce qui entraîne des contraintes supplémentaires à celles inhérentes au mode de fabrication (emboutissage) Dans le cas où l'appareil parallélépipédique est un faisceau autorésistant et que seulement deux plaques externes épaisses forment bâti en reprenant les efforts de pression, la conception du faisceau qui présente deux parois externes , qui font partie intégrante des deux chambres autorésistantes d'extrémité, et qui elles ne participent pas complétement à la surface d'échange, sont donc à des températures différentes de toutes les autres plaques constituant le faisceau, "car en aucun cas les points de contact sont suffisants pour assurer une homogénéité des températures entre les parois constituant ces chambres d'extrémité, le coéfficient de transfert de chaleur par convection étant généralement supérieur à celui par conduction", donc contraintes importantes dans ces deux chambres d'extrémités. Au niveau du raccordement par soudage de celles-ci avec les autres chambres et les boites collectrices, ces contraintes peuvent engendrer des bris ou fuites Un quatrième inconvénient des échangeurs à plaques soudées réside dans le fait qu'ils ne sont pas radiographables à 100 %. Il existe des parties d'accès impossibles à contrôler, notamment au niveau de l'assemblage du faisceau de plaques sur le bâti, ces zones étant inaccessibles aux moyens actuels de contrôle. Le but recherché selon la présente invention était donc de remédier aux inconvénients constatés des échangeurs tubulaires et des échangeurs à plaques soudées. En l'occurence, le but est de concevoir un échangeur ayant les performances des échangeurs à plaques soudées, avec la même compacité, et offrant la fiabilité de l'échangeur tubulaire. Un autre but est de concevoir un échangeur qui n'engendre pas des contraintes par suite de sa méthode de fabrication. Un autre but est de concevoir un échangeur qui peut être radiographé en totalité avec une accessibilité totale pour contrôle. Un autre but est de concevoir un échangeur supprimant toutes zones d'anfractuosités entre ses plaques ou entre les plaques et le bâti. Un autre but est de concevoir un échangeur offrant une grande facilité de nettoyage sur l'un de ses circuits, et supportant par ailleurs, sans difficulté particulière, des pressions importantes. Ces buts et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description. Selon une première caractéristique, ltéchangeur de chaleur à plaques soudées, est remarquable en ce qu'il comprend et reçoit notamment un faisceau de plusieurs modules constitué de deux plaques, lesdites plaques étant reliées entre elles par des zones de liaison obtenues par soudage au laser et étant mises en forme par hydroformage, lesdites plaques présentant leurs extrémités transversales rabattues et débouchantes en définissant entre elles une cavité intérieure longitudinale constitutive d'un premier conduit de circulation d'un fluide A, lesdits modules étant associés entre eux par liaison des extrémités rabattues des plaques en regard en définissant ainsi dans un plan transversal un second circuit d'un fluide B. Selon une autre caractéristique, on réalise différents modules de deux plaques pour constituer un faisceau de modules destiné à être inséré dans le corps d'un échangeur1 le procédé consistant à réaliser chaque module à partir de deux plaques qui sont préalablement liées entre elles par des zones de liaison définies le long de leur périphérie et en certains points intérieurs, dans une phase suivante à mettre en forme les deux plaques par hydroformage en définissant après mise en forme une cavité intérieure, dans une phase suivante à découper les extrémités transversales des plaques constitutives du module afin de définir un sens de circulation d'un premier fluide, puis de mettre en forme lesdites extrémités transversales des plaques de chaque module pour permettre après mise côte à côte des modules adjacents la liaison des extrémités des plaques entre elles pour constituer un second circuit de passage d'un fluide. Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description. Pour fixer l'objet de l'invention illustré non limitativement aux figures des dessins où Les figures 1, 2 et 3 sont des vues à caractère schématique illustrant les zones de liaison par soudure des échangeurs à plaques soudées, et mettant en valeur leurs anfractuosités. La figure 4 est une vue à caractère schématique illustrant le principe du procédé de fabrication des plaques d'échangeur et de l'échangeur constitué de telles plaques selon l'invention. La figure 5 est une vue à caractère schématique montrant la formation de zones de liaison de deux plaques de l'échangeur constituant un module. La figure 6 montre la mise en forme des deux plaques entre elles constituant un module, afin de définir un conduit de circulation de fluides. La figure 7 est une vue à caractère schématique montrant la mise en forme avec découpe transversale de l'une des extrémités du module. La figure 8 est une vue de face d'un module de plaques avant mise en forme de ses extrémités. La figure 9 est une vue à caractère schématique du module selon la figure 7 avec retournement des extrémités des plaques en regard. La figure 10 est une vue illustrant l'assemblage de plusieurs modules de plaques entre eux. La figure 11 est une vue de dessus illustrant la liaison de deux modules entre eux. La figure 12 est une vue en coupe d'un échangeur agencé avec des modules de plaques selon l'invention. La figure 13 est une vue en coupe transversale selon la ligne A-A de la figure 12. La figure 14 est une vue extérieure d'un échangeur à plaques selon l'invention. Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative aux figures des dessins. Ainsi qu'il est apparu dans la description relative à l'art antérieur pour les échangeurs à plaques, la technique connue consistait dans son principe à mettre en forme les plaques de l'échangeur puis à effectuer leur soudage dans des zones appropriées. L'originalité de l'invention réside dans le fait que les plaques (5 - 6) qui sont susceptibles d'être intégrées dans l'échangeur sont liées entre elles préalablement pour définir un module (M), puis ensuite on procède à leur mise en forme afin de définir des canaux de circulation des fluides. En se rapportant aux figures 4 à Il des dessins, le procédé de fabrication des plaques d'échange et de l'échangeur constitué de celles-ci consiste dans les phases suivantes On réalise des plaques (5 - 6) de section rectangulaire de dimensions appropriées et en matériau métallique. On procède à la superposition de deux plaques entre elles. La phase suivante consiste à assurer des zones de liaison (7) entre les deux plaques dans une configuration judicieusement étudiée pour répondre à un profil de plaque tenant compte des problèmes thermiques, hydrauliques et de résistance à la pression, lesdites zones définissant des lignes de liaison (7.1), ou points (7.2) de liaison des plaques entre elles. Ces liaisons sont obtenues par l'exécution d'un soudage de formes appropriées à l'aide d'un faisceau laser qui permet ainsi un assemblage des plaques entre elles en supprimant toute matière rapportée pour assurer leur fixation. Lorsque les différentes zones de liaison suivant la configuration appropriée, sont effectuées, on procède à une liaison sur la totalité de la périphérie des deux plaques et du talon (8) débordant constituant un module, qui devient étanche en ayant préalablement introduit un opuscule (9) qui permettra l'entrée du fluide de formage (figure 5). La phase suivante consiste à introduire, par l'opuscule, un fluide sous pression (air, huile, eau, etc...) susceptible de provoquer par hydroformage, la déformation des plaques entre elles qui restent maintenues et liées par les soudures laser sur leur périphérie et aux différents endroits appropriés. On obtient ainsi une configuration des plaques illustrée par les figures 4 et 6. La phase suivante (figure 7) consiste alors à enlever et détacher le talon (8) contenant l'opuscule (9), en récupérant celui-ci, d'une part, et, d'autre part, (figure 8) à couper chacune des extrémités transversales des plaques suivant une découpe adaptée qui permet ensuite l'obtention d'un profil circulaire en forme d'un secteur C que l'on voit figure 10 puis séparer les deux plaques aux quatre coins. La phase suivante illustrée figure 9 consiste à plier les deux extrémités (5.2 - 6.2) des plaques (5 - 6) constitutives du module jusqu'à une position horizontale sensiblement en équerre par rapport au plan longitudinal des plaques. On fait ainsi apparaître des bandes transversales qui, après arasage des bords (5.3 6 6.3), permettront l'assemblage des modules (M) entre eux, au moyen de soudures bout à bout, ainsi qu'il apparaît figure 10. On détermine ainsi le second circuit de passage du fluide de l'échangeur référencé par la lettre (B), alors que le premier circuit défini par les modules est référencé par (A). D'une manière particulièrement avantageuse, ainsi qu'il apparaît aux figures 10, 11 et suivantes, le faisceau constitué par les différents modules (M) de plaques (5 - 6) est introduit dans l'échangeur (E) de forme cylindrique. A cet effet, la mise en forme illustrée figure 8 des découpes (5.1 - 6.1) aux extrémités transversales des modules est telle que lors de l'assemblage des différents modules entre eux, on obtient par la juxtaposition de l'ensemble des secteurs (C), une couronne circulaire (Cl) correspondant au profil intérieur de l'échangeur. On a représenté aux figures 12, 13 et 14, l'introduction de différents modules (M) de plaques objet de l'invention à l'intérieur d'un échangeur. Ce dernier comprend un corps (11) longitudinal de grande longueur, en tous matériaux soudables, en une ou plusieurs parties, susceptible d'être maintenu en position par rapport à des plans d'appui, par couronne de bridage (15) ou autre. A chacune de ses extrémités, le corps reçoit des chapeaux (12 - 13) préformés définissant deux chambres intérieures (12.1 - 12.2 - 13.1 - 13.2) séparées pour le passage des deux fluides (A et B) séparément. Le fluide (A) traverse longitudinalement l'échangeur à travers les conduits formés sur les chapeaux et traversant longitudinalement les différents modules. Le fluide (B) est collecté par des embouts (14) le dirigeant ensuite dans la chambre intérieure périphérique des deux chapeaux en traversant, /puis longitudinalement dans un plan transversal; les différents modules dans le plan indiqué selon la figure 10, les deux circuits étant parfaitement à contre-courant. Les avantages ressortent bien de l'invention et en particulier on souligne la nouvelle conception de l'échangeur qui combine l'ensemble des avantages des échangeurs tubulaires et échangeurs à plaques soudées connus de l'art antérieur. I1 répond également aux différents buts recherchés, tels que rappelés à l'origine de l'invention. Cet échangeur trouve de très nombreuses applications telles que non limitativement en pétrochimie. REVENDICATIONS -1- Echangeur de chaleur à plaques soudées, caractérisé en ce qu'il comprend et reçoit notamment un faisceau de plusieurs modules (M) constitué de deux plaques (5 - 6), lesdites plaques étant reliées entre elles par des zones de liaison obtenues par soudage au laser et étant mises en forme par hydroformage, lesdites plaques présentant leurs extrémités transversales rabattues et débouchantes en définissant entre elles une cavité intérieure longitudinale constitutive d'un premier conduit de circulation d'un fluide, lesdits modules étant associés entre eux par liaison des extrémités rabattues des plaques en regard en définissant ainsi dans un plan transversal un second circuit d'air fluide (B). -2- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que à l'état initial, les plaques (5 - 6) présentent près de l'une de leurs extrémités transversales un talon (8) débordant susceptible de recevoir un opuscule (9) autorisant l'entrée d'un fluide de formage. -3- Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les zones de liaison (7) entre les plaques (5 - 6) comprennent des lignes de liaison (7.1) le long de la périphérie des plaques et des points de liaison (7.2) intérieurs des plaques entre elles à l'état initial, tandis qu'après constitution des modules de plaques, les zones de liaison sont définies par les lignes (7.1) formées le long des bordures longitudinales des plaques soudées entre elles et par les points de liaison (7.2). -4- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités (5.2 - 6.2) des plaques constitutives du module (M) sont après pliage dans une position horizontale sensiblement en équerre par rapport au plan longitudinal des plaques, les extrémités des plaques en regard de deux modules consécutifs étant mis bout-à-bout et soudées entre elles. -5- Echangeurs selon l'une quelconque des revendications 1 et 4, caractérisé en ce que chacune des extrémités transversales des plaques est établie avec l'obtention d'un profil d'un secteur circulaire (C), de telle sorte qu'après introduction du faisceau de modules (M) de l'échangeur, les différents modules (M) définissant à leurs extrémités une couronne circulaire (1) correspondant au profil intérieur de l'échangeur. -6- Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'échangeur comprend un corps (11) longitudinal recevant intérieurement un faisceau de modules (M) de plaques (5 - 6), et à chacune de ses extrémités des chapeaux (12 - 13) préformés définissant des chambres intérieures (12.1 - 12.2) - (13.1 - 13.2) séparées pour le passage de deux fluides séparés (A) (B), le fluide (A) traversant longitudinalement l'échangeur à travers les conduits formés sur les chapeaux (12 - 13) et traversant longitudinalement les différents modules à travers les cavités intérieures définies entre les plaques entre elles, et le fluide (B) dirigé et traversant la chambre intérieure périphérique des transver/%S/llfle%itUdiLeennts chapeaux et dans un plan modules, les deux circuits étant parfaitement à contre-courant. -7- Procédé de fabrication d'un échangeur à plaques soudées, caractérisé en ce que l'on réalise différents modules (M) de deux plaques (5 - 6) pour constituer un faisceau de modules destiné à être inséré dans le corps d'un échangeur, le procédé consistant à réaliser chaque module (M) à partir de deux plaques qui sont préalablement liées entre elles par des zones de liaison définies le long de leur périphérie et en certains points intérieurs, dans une phase suivante à mettre en forme les deux plaques par hydroformage en définissant après mise en forme une cavité intérieure, dans une phase suivante à découper les extrémités transversales des plaques constitutives du module afin de définir un sens de circulation d'un premier fluide, puis de mettre en forme lesdites extrémités transversales des plaques de chaque module pour permettre après mise côte à côte des modules adjacents la liaison des extrémités des plaques entre elles pour constituer un second circuit de passage d'un fluide (B). -8- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les plaques (5 - 6) de chaque module sont liées entre elles par soudure au laser. -9- Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que, en l'état initial, les plaques (5 et 6) sont agencées avec un talon (8) débordant agencé pour recevoir un opuscule (9) d'introduction d'un fluide de formage et en ce que après la liaison des plaques (5 et 6) entre elles et en particulier sur toute leur périphérie pour obtenir une étanchéité puis leur mise en forme par le fluide de formage, on procède à la découpe transversale des extrémités des plaques en enlevant en particulier la partie talon (8). -10- Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 9, caractérisé en ce qu'après découpage des extrémités transversales des plaques et mise en forme de celles-ci par pliage, on procède à l'obtention d'un profil en forme de secteur circulaire (C), de sorte que la juxtaposition de l'ensemble des secteurs par constitution d'un faisceau de modules définit une couronne circulaire (C1) correspondant au profil intérieur de l'échangeur.