Brevet FR2704310A1 — publié le 19941028

La presente invention concerne les échangeurs de chaleur à plaques et barrettes qui comportent des éléments refroidisseurs, constitués par une plaque portant des dissipateurs entre deux barrettes formant des entretoises, et des éléments dits à refroidir qui comportent également une plaque et des barrettes entre lesquelles sont disposés des perturbateurs, ces éléments refroidisseurs et à refroidir étant empilés les uns sur les autres de manière que les canaux, délimités entre les plaques des éléments refroidisseurs et des éléments à refroidir, soient parcourus, d'une part, par le fluide à refroidir et, d'autre part, par le fluide refroidisseur, la circulation s'effectuant le plus souvent à angle droit en ce qui concerne les deux fluides considérés. Les échangeurs de cette nature sont utilisés principalement pour assurer l'échange thermique entre des fluides gazeux, par exemple entre de l'air à refroidir et de l'air froid. Etant donné que les éléments refroidisseurs sont reliés aux éléments à refroidir par des barrettes, les barrettes des éléments à refroidir sont évidemment chauffées par le fluide chaud entrant en circulation et assurent une transmission de la chaleur par conduction vers le fluide refroidi sortant, ce qui réduit de façon appréciable l'effica- cité de ces appareils, cette efficacité étant encore réduite par la conduction qui se produit au niveau des plaques délimitant les circuits de circulation chauds et froids. La présente invention vise à remédier aux défauts mentionnés ci-dessus en créant un nouveau procédé permettant d'obtenir une efficacité proche de l'unité. Conformément à l'invention, le procédé pour assurer un échange thermique à grande efficacité est caractérisé en ce qu'on fait circuler un premier fluide suivant un trajet en boucle à deux branches, en ce qu'on isole thermiquement les deux branches pour empêcher la propagation de la chaleur par conduction de l'une à l'autre, et en ce qu'on fait circuler un second fluide à température différente contre lesdites deux branches dans un sens pour lequel la branche, dans laquelle circule le premier fluide, subit un second échange de chaleur avec le second fluide ayant déja circulé contre la branche dans laquelle circule le premier fluide et ayant lui-même déjà subi un premier échange de chaleur. L'invention s'étend, en outre, à un échangeur pour la mise en oeuvre du procédé. Conformément à cette seconde disposition de l'invention, l'échangeur de chaleur à grande efficacité du type à plaques est caractérisé en ce qu'il comporte deux éléments échangeurs reliés entre eux à une extrémité pour la circulation du premier fluide amené à l'un d'eux par une première boite collectrice et évacué de l'autre par une seconde boîte collectrice, lesdits deux éléments échangeurs étant séparés par un puits et étant parcourus transversalement par un second fluide passant de l'un à l'autre par le puits. Suivant un mode de réalisation particulièrement avantageux pour la constitution d'un échangeur compact, celui-ci est caractérisé par un faisceau échangeur unique constitué par un empilage d'éléments échangeurs comportant chacun une plaque supportant des dissipateurs s'étendant entre des barrettes terminales, et des organes d'échange comportant chacun une plaque munie de perturbateurs disposés entre des barrettes, les éléments échangeurs présentant une fente sur une partie de la longueur de la plaque et des dissipateurs, les organes d'échange comportant chacun une plaque supportant une barrette périphérique en U et une barrette médiane en U bordant une découpe de la plaque qui est réunie à une barrette bordant un côté de la plaque de chaque élément échangeur et à des demi-barrettes bordant le côté de la plaque de chaque élément échangeur dans lequel débouche la fente, l'empilage des éléments échangeur et des organes d'échange délimitant ainsi un puits formé par les fentes et découpes, puits qui est fermé sur un côté par un barreau en matière isolante reliant les demi-barrettes des éléments échangeurs et l'extrémité des barrettes médianes en U. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, aux dessins annexés. La fig. 1 est une perspective, en partie schématique, d'un échangeur à plaque et barrettes à circuits croisés faisant application de l'invention. La fig. 2 est une perspective éclatée illustrant la réalisation de deux éléments complémentaires que comporte l'échangeur de la fig. 1. Les fig. 3 et 4 sont des perspectives éclatées analogues à la fig. 2 illustrant deux caractéristiques supplémentaires de l'invention. La fig. 5 est, en perspective, un schéma à plus petite échelle d'une variante. L'échangeur illustré par les fig. 1 et 2 est constitué par un empilage d'éléments échangeurs désignés dans ce qui suit éléments refroidisseurs 1 et des organes d'échange 2 désignés dans ce qui suit éléments à refroidir pour faciliter la compréhension du texte. Les éléments refroidisseurs 1 comportent chacun une plaque 3 supportant des dissipateurs 4 habituellement réalisés par des feuilles ondulées de la manière représentée. Chaque plaque 3 présente une fente ou découpe 5 qui, de préférence, est prévue à sa partie médiane sur une partie de sa longueur mais qui pourrait être aussi décalée par rapport à l'axe longitudinal de la plaque 3. Les dissipateurs 4, qui s'étendent transversalement à la plaque, présentent eux-mêmes une découpe 6 qui correspond à la fente ou découpe 5 de la plaque. Chaque plaque 3 est munie, à son extrémité opposée à celle présentant la fente ou découpe, d'une barrette 7 de hauteur correspondant à celle du dissipateur 4. A son autre extrémité, la plaque 3 est munie de deux demi-barrettes 8, 8a laissant libre la fente ou découpe 5. L'élément dit à refroidir comporte, de façon analogue, une plaque 9 présentant une découpe 10 correspondant à la fente ou découpe 5 de la plaque 3. Une barrette 11 en U est disposée au pourtour de la découpe 10 et une barrette périphérique 12 également en U est disposée sur le bord de la plaque 9 pour délimiter un circuit ou canal en U destiné à être parcouru par le fluide à refroi dir dans le sens illustré par les flèches fl et f2 de la fig. 2. Des perturbateurs 13, 13a et 13b, par exemple des segments de plaques ondulées, sont disposés entre les barrettes 11, 12 de la manière illustrée à la fig. 2, c'est-à-dire pour s'étendre le long du canal en U. La fig. 1 montre que les éléments refroidisseurs 1 et les éléments à refroidir 2 constituent un empilage fermé en partie haute et en partie basse par des plaques 3, 3a. Le fluide à refroidir est amené aux éléments dits a refroidir par une boîte collectrice 14 et le fluide refroidi est ensuite collecté par une boîte collectrice 15 de manière à établir une circulation illustrée par les flèches de la fig. 1 à laquelle les boîtes collectrices sont représentées ouvertes pour faciliter la compréhension. Les plaques 3, 3a, 9 de même que les dissipateurs 4 et les perturbateurs 13, 13b sont généralement fabriqués en alliage d'aluminium ou autres métaux appropriés et sont brasés ensemble ainsi qu'aux barrettes 7. 8. 8a et 11, 12 pour constituer un ensemble monobloc. Les boîtes collectrices 14 et 15 sont. par ailleurs, soit brasées aux barrettes 8, 8a ainsi qu'aux plaques 3, 3a, 9, soit soudées après brasage desdits plaques, dissipateurs, perturbateurs et barrettes. La construction décrite ci-dessus a pour effet de ménager sur toute la hauteur de l'échangeur, un puits 16 qui est en communication avec l'air à refroidir circulant entre les plaques 3 et 9 le long des dissipateurs 4 en suivant le trajet des flèches f3, c'est-à-dire que le fluide refroidisseur le plus froid assure le refroidissement final du fluide pré-refroidi circulant suivant la flèche f2 et est amené ensuite à refroidir le fluide le plus chaud circulant suivant la flèche fl. Pour fermer le puits 16, un barreau isolant 17 est disposé à l'extrémité ouverte des barrettes 11 en U et entre les demi-barrettes 8, 8a sur toute la hauteur de l'échangeur. On évite ainsi qu'une transmission de chaleur par conduction puisse s'établir entre les demi-barrettes 8, 8a de même qu'entre les plaques 3 et 9 ainsi évidemment qu'entre les extrémités des barrettes il en U, ce qui permet d'augmenter très sensiblement l'efficacité thermique de l'échangeur réalisé. Bien que l'échange thermique à travers les plaques d'extrémité 3 et 3a ne puisse qu'être faible, il est préférable selon l'invention que ces plaques d'extrémité présentent également une découpe comme l'illustre la fig. 1 en ce qui concerne la plaque 3a. On ne sortirait cependant pas du cadre de l'invention en utilisant des plaques d'extrémité continues formant des joues. Lorsque le fluide de refroidissement ne doit pas pouvoir s'échapper et que les plaques d'extrémité présentent une fente, l'ensemble du faisceau échangeur décrit peut être mis en place dans une enveloppe ou le puits 16 peut être fermé à sa partie haute et à sa partie basse par un joint en matière isolante analogue au barreau 17 qui est. par exemple, constitué en élastomère, en résine par exemple en polyuréthane ou encore en une matière céramique isolante lorsque l'échan- geur doit travailler à partir de fluides à haute température. La largeur du puits 16 est généralement faible de sorte que la fixation par soudure des boîtes collectrices 14 et 15 sur les barrettes 12 et les demi-barrettes 8, 8a peut s avérer difficile voire impossible au voisinage de l'extrémité du puits 16. Pour pallier cette difficulté, la fig. 3 montre que les plaques 3 de même que les dissipateurs 4 ainsi que les plaques 9 peuvent être découpés à l'extrémité devant recevoir les boîtes collectrices 14 et 15 pour former des biseaux 18, 19. Les barrettes 11 et 12 en U présentent également des extrémités biseautées comme illustré par le dessin et les demi-barrettes 8, 8a sont disposées obliquement, ce qui permet de faciliter grandement la soudure desdites boîtes collectrices 14, 15. La forme en biseau des plaques 3 et 9 a pour effet que les demi-barrettes 8, 8a délimitent des zones 20 de part et d'autre du puits 16 dans lequel la circulation du fluide refroidisseur est ralentie, voire inexistante. Pour pallier cet inconvénient, la fig. 4 montre que les dissipateurs 4 peuvent être constitués par plusieurs feuilles ondulées 4a, 4b et 4c dont les ondulations sont parallèles au sens principal d'écoulement du fluide refroidisseur circulant suivant la flèche f3 en ce qui concerne la feuille 4a et disposés parallèlement aux demi-barrettes 8, 8a en ce qui concerne les feuilles 4b et 4c qui s'étendent le long des bords de la découpe 5 de la plaque 3. La fig. 5 illustre une variante selon laquelle on dispose deux échangeurs de chaleur 21, 22 de manière qu'ils délimitent entre eux un puits 16. Chacun des deux échangeurs 21, 22 comporte des éléments refroidisseurs et des éléments à refroidir, semblables aux éléments 1 et 2 décrits dans ce qui précède, mais les éléments à refroidir comportent, pour l'un, des perturbateurs dirigés seulement suivant la flèche fl et, pour l'autre, suivant la flèche f2. Une boîte collectri ce 24 est prévue pour relier les éléments à refroidir à l'extrémité des échangeurs 21, 22 opposée à celle comportant les boîtes collectrices 14, 15. Le fluide refroidisseur est amené comme précédemment à circuler suivant les flèches f3. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation, représentés et décrits en détail, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. En particulier, on ne sortirait pas du cadre de l'invention en réalisant les barrettes 7, 8, 8a, 11 et 12 en matière isolante et en collant ces barrettes sur des plaques fines 3 et 9 en matière bonne conductrice de la chaleur servant de support tant aux dissipateurs 4 qu'aux perturbateurs 13-13b. De même, en particulier dans ce dernier cas, les barrettes 11 en U pourraient être remplacées par un barreau isolant ; la liaison entre les plaques et barrettes serait alors assurée avantageusement par collage de même que la fixation des boîtes collectrices 14, 15 et 24 qui pourraient également être réalisées en matière isolante notamment en matière synthétique armée ou non. De même, les circuits peuvent être inversés, le premier fluide pouvant être le fluide chaud ou le fluide froid et le second fluide le fluide froid, respectivement le fluide chaud. I1 découle de ce qui précède que les éléments refroidisseurs 1 peuvent être parcourus par le fluide chaud en devenant les éléments d'échange 1 et que les éléments à refroidir 2 sont alors parcourus par le fluide froid en devenant les organes d'échange 2. REVENDICATIONS 1 - Echangeur de chaleur à grande efficacité du type à plaques, caractérisé en ce qu'il comporte deux éléments échangeurs (13, 13b, 21, 22) reliés entre eux à une extrémité pour la circulation d'un premier fluide amené à l'un d'eux par une première boîte collectrice (14) et évacué de l'autre par une seconde boîte collectrice (15), lesdits deux éléments échangeurs étant séparés par un puits (16) et étant parcourus transversalement par un second fluide passant de l'un a l'autre par le puits (16). 2 - Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé par un faisceau échangeur unique constitué par un empilage d'éléments échangeurs (1) comportant chacun une plaque (3) supportant des dissipateurs (4) s'étendant entre des barrettes terminales (7, 8, 8a), et des organes d'échange (2) comportant chacun une plaque (9) munie de perturbateurs (13, 13a, 13b) disposés entre des barrettes, les éléments échangeurs présentant une fente (5) sur une partie de la longueur de la plaque (3) et des dissipateurs (4), les organes d'échange comportant chacun une plaque (9) supportant une barrette périphérique (12) en U et une barrette médiane (11) en U bordant une découpe (10) de la plaque (9) qui est réunie à une barrette (7) bordant un côté de la plaque (3) de chaque élément échangeur (1) et à des demi-barrettes (8, 8a) bordant le côté de la plaque de chaque élément échangeur (1) dans lequel débouche la fente (5), l'empilage des éléments échangeurs (1) et des organes d'échange (2 ? délimitant ainsi un puits (16) formé par les fentes et découpes, puits qui est fermé sur un côté par un barreau (17) en matière isolante reliant les demi-barrettes (8, 8a) des éléments échangeurs et l'extrémité des barrettes médianes (11) en U. 3 - Echangeur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les organes d'échange délimitent, entre la barrette (11) en U bordant la découpe (10) de la plaque (9) et la barrette périphérique (12) en U, un canal contenant des perturbateurs (13, 13a, 13b). 4 - Echangeur suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que des boîtes collectrices (14, 15) disposées à une extrémité de l'échangeur sont réunies, pour l'une, aux demi-barrettes (8) des éléments échangeurs ainsi qu'à un côté des barrettes périphériques (12) en U et des barrettes (11) en U et, pour l'autre, aux demi-barrettes (8a) et à l'autre côté des barrettes périphériques (12) et des barrettes (11) en U des organes d'échange (2) empilés sur les éléments échangeurs (1). 5 - Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les boîtes collectrices (14, 15, 24) sont fixées par soudure tant aux barrettes (8, 8a, 11, 12) qu'aux plaques (3, 9) des éléments échangeurs (1) et des organes d'échange (2). 6 - Echangeur suivant l'une des revendications 2 a 5, caractérisé en ce qu'un côté des éléments échangeurs (1) et des organes d'échange (2) forme des biseaux (18, 19) par les demi-barrettes (8, 8a) des éléments échangeurs (1) auxquels sont soudées les boîtes collectrices (14, 15). 7 - Echangeur suivant l'une des revendications 2 a 6, caractérisé en ce que les dissipateurs (4) comportent une zone (4a) s'étendant dans une direction correspondant à celle de l'écoulement du second fluide et des zones (4b, 4c) stétendant parallèlement aux biseaux (18, 19). 8 - Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que des éléments échangeurs (1) constituent des éléments refroidisseurs et en ce que des organes d'échange (2) constituent des éléments à refroidir, ou inversement. 9 - Procédé pour assurer un échange thermique à grande efficacité, caractérisé en ce qu'on fait circuler un premier fluide suivant un trajet en boucle à deux branches, en ce qu'on isole thermiquement les deux branches (13, 13b, 21, 22) pour empecher la propagation de la chaleur par conduction de l'une a l'autre, et en ce qu'on fait circuler un second fluide à température différente contre lesdites deux branches dans un sens pour lequel la branche, dans laquelle circule le premier fluide, subit un second échange de chaleur avec le second fluide ayant déjà circulé contre la branche dans laquelle circule le premier fluide et ayant lui-même déjà subi un premier échange de chaleur. 10 - Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les plaques (3, 9), les dissipateurs (4), les perturbateurs (13-13b) ainsi que les barrettes (7, 8, 8a, 11, 12) sont fabriques en métal et sont brasés ensemble pour constituer un faisceau auquel les boites collectrices (14, 15) sont ensuite fixées par soudure avant la mise en place du barreau en matière isolante (17) fermant le puits (16). 11 - Echangeur suivant la revendication 2, carac tErisi en ce qu'au moins certaines des barrettes (7, 8, 8a, 11, 12) sont fabriquées en matière isolante et sont réunies aux plaques collectrices (3, 9) par collage, les boîtes collectrices (14 et 15) pouvant être également collées.