Brevet FR2698436A1 — publié le 19940527

i "Echangeur massique et thermique à plaques poreuses" La présente invention concerne un échangeur massique et thermique à plaques poreuses, composé d'un circuit pour le premier fluide (gaz chaud contenant5 des vapeurs condensables) et un circuit pour un second fluide (gaz froid susceptible de se charger en va- peur), le premier fluide devant fournir de la chaleur et de l'humidité au second fluide, échangeur selon le- quel le circuit du premier et du second fluide sont10 séparés par des surfaces poreuses, assurant le passage des condensats du premier circuit vers le second tout en évitant le passage des gaz. On connaît de multiples formes de réalisation d'échangeurs thermiques à plaques De façon géné- rale, ces échangeurs sont constitués par des ensembles de cadres et de plaques serrés entre des plaques d'ex- trémité par l'intermédiaire de moyens de serrage tels que des tiges filetées. Ces échangeurs à plaques sont certes inté- ressants pour les emplois usuels mais leur réalisation est trop compliquée et trop lourde pour des échangeurs à plaques poreuses. Un échangeur massique et thermique est no- tamment cité dans le document FR 87 00 359. Il se compose d'une boîte à deux comparti- ments séparés par une cloison poreuse définissant les deux compartiments pour les fluides participant à l'é- change simultané de chaleur et de matière. Suivant l'importance des débits qu'il doit traiter, cet échangeur se compose d'un assemblage de plusieurs telles boîtes. Cet échangeur présente l'inconvénient d'une structure relativement compliquée du fait de sa réali- sation sous forme de boîtes ou d'empilage de boîtes. La présente invention a pour but de créer un échangeur massique et thermique de constitution et de fabrication simples, modulaire, adaptable facilement à des débits de fluide très variables. A cet effet, l'invention concerne un échan- geur massique et thermique caractérisé en ce qu'il est formé d'un empilage d'éléments du premier circuit et d'éléments du second circuit, chaque élément comprenant: un cadre muni d'une entrée et d'une sortie de flui- de, la surface poreuse qui peut être par exemple un tissu, étant placée sur l'une des faces du cadre, les différents éléments et leur tissus étant empilés directement et réunis les uns aux autres par un agent adhésif. Il est à noter que, selon l'invention, la paroi poreuse participe par sa fonction de capillarité à l'étalement de l'agent adhésif et à l'efficacité de l'assemblage. On obtient ainsi un échangeur compact, c'est-à-dire dontla surface d'échange par rapport au volume est beaucoup plus importante que dans l'échan- geur connu La réalisation est également beaucoup plus simple à la fois à cause de sa structure modulaire et du faible nombre de pièces différentes Le mode d'as- semblage, par un agent adhésif, tel qu'une colle ou une soudure à froid ou à chaud, simplifie considéra- blement la fabrication en particulier dans le cas de cadres et de tissus en un même type de matériau comme du PVC permettant un collage très efficace avec de la colle PVC. Suivant une autre caractéristique, le cadre de l'échangeur comporte: une découpe principale délimitant la surface d'é- change du tissu, et occupée par la grille formant entretoise, cette découpe principale étant munie dans deux positions opposées par deux prolongements formant une entrée et une sortie de fluide (premier fluide/deuxième fluide), deux orifices traversants étant placés à côté des prolongements des entrées/sorties, sans communiquer avec la découpe principale du cadre pour former des passages aller/retour de l'autre fluide (deuxième fluide-premier fluide), le tissu formant la surface poreuse comprend quatre orifices dans des positions homologues aux deux pro- longements et aux deux orifices du cadre. Cet élément d'échangeur et par suite l'é- changeur formé de tels éléments intègre dans son volu- me les conduites de distribution et de collecte des fluides participant à l'échange thermique et massique. Il suffit de brancher l'échangeur sur les deux circuits de fluide. Une forme de réalisation particulièrement avantageuse de cet échangeur est caractérisée en ce que le cadre est une surface rectangulaire et sa dé- coupe principale est également une surface rectangu- laire moins longue que la surface principale en lais- sant subsister à chaque extrémité de la place pour les découpes des entrée/sortie et les orifices traver- sants. Suivant une autre forme de réalisation, le cadre de chaque élément est formé par deux équerres, identiques, ayant un grand et un petit côté, l'un des côtés ayant une longueur inférieure à celle du côté correspondant de l'élément d'échangeur pour former une entrée/sortie de fluide, ainsi que des boîtes distri- butrices et collectrices destinées à coiffer les en- trées/sorties de fluide. Cette réalisation a l'avantage d'être plus simple au niveau de l'échangeur proprement dit puisque l'élément de base est une équerre et que pour chaque cadre pour l'un et l'autre fluide on utilise seulement deux équerres identiques. Toutefois, ce type d'échangeur nécessite des boîtes fournissant et recueillant les fluides. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de différents exem- ples de réalisation d'un échangeur massique et thermi- que représentés aux dessins annexés dans lesquels les figures l A-1 C représentent respective- ment un premier mode de réalisation d'un élément d'é- changeur massique et thermique, montrant à la figure l A le cadre et l'entretoise, à la figure 1 B le cadre encollé, à la figure 1 C le tissu poreux formant la pa- roi d'échange pour les condensats. la figure 2 est une vue en coupe transver- sale d'un échangeur selon les figures l A-l C. les figures 3 A-3 E représentent un second échangeur massique et thermique selon l'invention, montrant en figure 3 A le cadre pour le premier fluide, à la figure 3 B le cadre pour le second fluide, à la figure 3 C la toile de séparation, aux figures 3 D et 3 E deux formes de réalisation de la grille formant entre- toise. la figure 4 montre un élément de cadre se- ion le mode de réalisation des figures 3 A, 3 B. la figure 5 montre l'assemblage d'un élé- ment selon les figures 3 A-3 D. la figure 6 montre l'assemblage d'un élé- ment selon les figures 3 A-3 C et 3 E. Selon les figures 1 A-2, un échangeur massi- que et thermique de l'invention est formé d'un empila- ge d'éléments d'échangeur 1 pour le premier fluide et 2 pour le second fluide; l'ensemble de l'échangeur est composé par l'empilage de modules 3 formés des éléments 1 et 2. Chaque élément 1,2 se compose d'un cadre 4, d'un tissu 5 formant la surface poreuse et d'une gril- le formant entretoise 6 Le tissu 5 est collé sur l'u- ne des faces du cadre 4 et la grille 6 est placée dans l'ouverture 7 du cadre 4 pour compenser l'épaisseur du cadre et éviter l'écrasement ou la déformation du tis- su 5 d'un côté ou de l'autre suivant la pression de l'un des fluides par rapport à l'autre. Selon le mode de réalisation de l'élément représenté à la figure 1 A, le cadre 4 est constitué par un élément de format rectangulaire muni d'une en- trée/sortie 8, 9 d'un premier fluide et d'un passage d'alimentation/évacuation 10, 11 pour le second flui- de. Les entrées 8, 9 du premier fluide prolon- gent la découpe 7 du cadre alors que les passages d'a- limentation/évacuation 10, 11 du second fluide sont des orifices traversants ne communiquant pas avec la découpe 7 dans le plan du cadre. Comme déjà indiqué, la découpe 7 reçoit la grille 6 formant entretoise destinée à éviter l'écra- sement du tissu 5. Selon la figure 1 B, on munit le cadre d'un cordon de soudure ou de colle 12 pour y fixer la toile (figure 1 C) Cette toile 5 est munie d'orifices 8 ', 9 ', 10 ', il' correspondant aux prolongements 8, 9 de la découpe 7 et aux passages 10, 11 du cadre 4 Puis on place la toile 5 par-dessus le cadre 4 (figure 1 B) pour le coller. L'empilage des cadres et tissus se poursuit pour réaliser autant d'éléments d'échangeur que la puissance d'échange demandée à l'échangeur. L'ordre d'assemblage choisi dans le mode de réalisation des figures 1 A-2 pour l'empilage consiste à superposer chaque fois un tissu 5 par-dessus un ca- dre 4 L'ordre d'empilage pourrait également être l'inverse c'est-à-dire empiler un cadre sur un tissu; il s'agit simplement d'une question de convention. On remarque également que l'empilage des tissus 5 se fait toujours dans le même sens puisque les tissus 5 n'ont pas d'orientation Par contre, pour réaliser alternativement les éléments 1 et 2 destinés au premier et au second fluide, il faut retourner les cadres 4 En d'autres termes, pour un élément on pla- cera le cadre 4 dans la position représentée aux figu- res l A et 1 B alors que pour l'élément qui vient par- dessus, après avoir placé le tissu 5, on collera sur ce tissu un nouvel élément 4 identique au précédent mais dans une position retournée, pour que les passa- ges du second fluide arrivent dans des prolongements de la découpe de la plaque et qu'au-dessus des prolon- gements 8, 9 de la découpe 7 de la plaque précédemment mise en place se trouvent maintenant des passages 10, Il pour le premier fluide. Selon l'invention, pour des raisons d'homo- généité et de cohésion de l'ensemble, les caches et les plaques poreuses sont constitués d'un même maté- riau. Selon l'invention, les cadres 4 et les tis- sus 5 sont de préférence en chlorure de polyvinyle (PVC) et la liaison entre les tissus et cadres se fait par une soudure à froid, c'est-à-dire par une colle à base de PVC. Il convient également de remarquer que les grilles formant entretoises 6 sont placées librement dans les découpes 7. On obtient ainsi un empilage solidaire d'é- léments d'échangeur massique et thermique et les faces d'extrémité, c'est-à-dire la face inférieure et la face supérieure sont fermées par des plaques étanches, également soudées à la face correspondante du cadre inférieur et du cadre supérieur. Les figures 3 A-5 représentent un autre mode de réalisation de l'invention avec sa variante. Ce mode de réalisation de l'élément est re- présenté à l'état terminé à la figure 5 et sa variante est représentée à l'état terminé à la figure 6. Pour ce second mode de réalisation, le cadre 40 est en fait constitué de deux équerres 40 A, 40 B identiques, à deux branches 41, 42 correspondant aux côtés de l'échangeur (l'échangeur a en général une section rectangulaire ou carrée) Toutefois, l'une des branches, par exemple la petite branche 42, a une lon- gueur inférieure à la longueur 1 de ce côté, de façon à laisser libre une partie 43 qui constitue l'en- trée/sortie du fluide correspondant à ce cadre. La figure 3 B montre la forme du second ca- dre Cette forme est identique à celle de la figure 3 A sauf que les ouvertures 44 sont placées à un autre en- droit. En fait, le cadre de la figure 3 B s'obtient simplement en disposant les équerres 41, 42 autrement qu'à la figure 3 A. La figure 3 C montre le tissu 50, de forme rectangulaire, sur lequel on colle les équerres 41, 42 du cadre La figure 3 D montre un premier mode de ré- alisation de la grille formant entretoise 60 Dans ce mode de réalisation, la grille 60 a la forme d'un rec- tangle qui s'inscrit dans le cadre 40, 41, 42. Par contre, dans le mode de réalisation de la figure 3 E, la grille 60 ' formant entretoise compor- te des prolongements 61, 62 qui viennent dans les par- ties dégagées 43 (figure 3 A) ou après retournement dans les parties dégagées 44 (figure 3 B) pour soutenir la toile dans ses parties dégagées. La figure 5 montre l'élément obtenu par la fixation du cadre 40 (figure 3 A) sur le tissu 50 (fi- gure 3 C) et mise en place de la grille formant entre- toise 60, représentée partiellement arrachée pour laisser apparaître le tissu 50. La figure 6 montre la mise en place d'un ca- dre 40 A, 40 B, 40 (figure 3 A) sur une toile 50 n'appa- raissant pas à% cette figure et avec mise en place d'u- ne grille formant entretoise 60 ' dont les prolonge- ments 61, 62 occupent les parties dégagées 44 laissées libres chaque fois par l'une des branches du cadre 40. Comme dans les modes de réalisation précé- dents, l'assemblage de l'échangeur se fait par empila- ge des tissus et des cadres et soudure, notamment une soudure à froid, le tissu et les équerres constituant les cadres étant de préférence en PVC. Dans les réalisations selon les figures 5 et 6, l'alimentation en fluide des éléments échangeurs se fait par des boîtes distributrices et collectrices , 201 accolées aux côtés des éléments et conduisant les deux fluides. Bien que décrit de façon préférentielle avec une paroi poreuse constituée d'un tissus, le mode de réalisation, selon l'invention, peut tout aussi bien être exécuté avec d'autres types de parois poreuses. R E V E N D I C A T I O N S ) Echangeur massique et thermique à pla- ques poreuses, composé d'un circuit pour le premier fluide (gaz chaud contenant des vapeurs condensables) et un circuit pour un second fluide (gaz froid suscep- tible de se charger en vapeurs), le premier fluide de- vant fournir de la chaleur et de l'humidité au second fluide, échangeur selon lequel les circuits du premier et du second fluide sont séparés par des surfaces po- reuses, assurant le passage des condensats du premier circuit vers le second tout en évitant le passage des gaz, échangeur caractérisé en ce qu'il est formé d'un empilage d'éléments ( 1, 2) du premier circuit et d'é- léments du second circuit, chaque élément comprenant un cadre ( 4, 40) muni d'une entrée et d'une sortie de fluide ( 8, 9), une paroi poreuse ( 5, 50) formant la surface poreuse étant placé sur l'une des faces du cadre ( 4, 40), les différents éléments ( 1, 2) et leur paroi poreuse ( 5) étant empilés directement et réunis les uns aux autres par un agent adhésif. ) Echangeur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les éléments du cadre ( 4-40) et la paroi poreuse ( 5) sont constitués de la même matière et sont soudés entre eux. 3) Echangeur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'il comprend: une entretoise ( 6, 60, 60 ') étant placée dans le ca- dre ( 4, 40) au-dessus de la paroi poreuse ( 5, 50) pour occuper l'épaisseur laissée libre par la paroi poreuse. ) Echangeur selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que la paroi poreuse est un tissu. 5) Echangeur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le cadre ( 4) comporte une découpe principale ( 7) délimitant la surface d'échange du tissu, et occupée par la grille formant entretoise ( 6), cette découpe principale ( 7) étant munie dans deux positions opposées par deux prolon- gements ( 8, 9) formant une entrée et une sortie de fluide (premier fluide/deuxième fluide), deux orifices traversants ( 10, 11) étant placés à côté des prolongements ( 8, 9) des entrées/sorties, sans communiquer avec la découpe principale ( 7) du cadre ( 4) pour former des passages aller/retour de l'autre fluide (deuxième fluide-premier fluide), le tissu ( 5) formant la surface poreuse comprend quatre orifices ( 8 ', 9 ', 10 ', 11 ') dans des posi- tions homologues aux deux prolongements ( 8, 9) et aux deux orifices ( 10, 11) du cadre ( 4). 6 ') Echangeur selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que le cadre ( 4) est une surface rec- tangulaire et sa découpe principale ( 7) est également une surface rectangulaire moins longue que la surface principale en laissant subsister à chaque extrémité de la place pour les découpes des entrée/sortie ( 8, 9) et les orifices traversants ( 10, 11). ) Echangeur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le cadre ( 40 A, 40 B) de chaque élé- ment est formé par deux équerres ( 40), identiques, ayant un grand et un petit côté ( 41, 42), l'un des cô- tés ayant une longueur inférieure à celle ( 1) du côté correspondant de l'élément d'échangeur pour former une entrée/sortie de fluide, ainsi que des boîtes distri- butrices et collectrices ( 200, 201) destinées à coif- fer les entrées/sorties de fluide. 8 ') Echangeur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cadre ( 4, 40) et le tissu ( 5, 50) sont en chlorure de polyvinyle PVC.