Brevet FR2714456A1 — publié le 19950630

ECHANGEUR DE CHALEUR A PLAQUES AMELIOREES DESCRIPTION L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur à plaques, formé d'un empilement de plaques ondulées délimitant des canaux à section variable. Les ondulations ont pour fonction générale de perturber l'écoulement des fluides pour accroître les transferts de chaleur à travers les plaques, mais elles présentent l'inconvénient de rendre les pertes de charge beaucoup plus importantes qu'avec des plaques planes. Dans un brevet français antérieur (FR-A2 648 220), on décrivait une forme particulière de plaque ondulée qui permettait de réduire le volume des zones mortes ou de recirculation, où le fluide stagne sensiblement, ce qui est une des causes principales des pertes d'efficacité d'échange de chaleur et des encrassements des plaques si le fluide est chargé de particules, car celles-ci se déposent alors beaucoup plus facilement. Les plaques de cette invention antérieure présentaient des facettes alternativement de deux longueurs différentes et étaient assemblées entre elles de telle façon que les ondulations des plaques consécutives formaient des angles de préférence proches de 1800, c'est-à-dire que, dans chaque canal, les facettes longues étaient orientées sensiblement vers une même direction, qui correspondait à la direction d'écoulement du fluide dans le canal : les facettes courtes faisaient donc face au fluide et, grâce à leur pente plus forte, le déviaient fortement vers les facettes longues de l'autre plaque délimitant le canal. I1 en résultait que le courant de fluide léchait les facettes longues sur une grande partie de leur surface et que les zones de recirculation, qui se forment derrière les ondulations qui restreignent le canal, à savoir devant les facettes longues, étaient réduites en conséquence. On obtenait donc de meilleures performances d'échange de chaleur et aussi un écoulement plus facile. Les objectifs assignés à cette invention étaient ainsi remplis, mais on peut trouver certains inconvénients à une telle configuration de plaques. Tout d'abord, les ondulations composées d'une facette longue et d'une facette courte ont, à pas identique (le pas désignant la largeur de l'ondulation), une hauteur moindre que les ondulations d'une plaque ondulée classique, composée de deux facettes semblables. En d'autres termes, les canaux ont une section moyenne plus réduite. En pratique, on souhaite cependant ne pas diminuer cette section, ce qui oblige à utiliser des plaques de forme semblable mais aux ondulations plus grandes et à pas plus grand. Les lignes d'ondulations sont alors plus espacées et le nombre de points de contact des plaques entre elles plus petit, ce qui amoindrit la résistance mécanique de l'empilement. Un autre inconvénient provient de ce que l'effet bénéfique n'est obtenu que pour un seul sens d'écoulement du fluide dans chaque canal, alterné dans des canaux adjacents, ce qui impose des circulations à contre-courant des fluides qui ne sont pas toujours souhaitées. Enfin, si les pertes de charge sont plus faibles qu'avec des plaques ondulées classiques, elles restent importantes. La présente invention peut être regardée comme un perfectionnement de l'invention antérieure, puisqu'elle offre des avantages sensiblement équivalents en ce qui concerne la performance d'échange thermique et la faiblesse de l'encrassement des parois des plaques, mais aussi des pertes de charge sensiblement plus faibles, tout en impliquant le même nombre de points de contact entre plaques que les plaques ondulées ordinaires. Dans ses meilleures réalisations, l'invention se prête aussi à des écoulements semblables des fluides dans les deux sens, ce qui permet de choisir librement des écoulements à courants parallèles aussi bien qu'à contre-courant. L'invention est relative sous sa forme la plus générale à un échangeur de chaleur composé de plaques ondulées et accolées entre elles pour délimiter des canaux, les plaques étant semblables, composées de facettes jointes par des lignes de fond et de sommet, les plaques étant jointes entre elles à des points de contact, caractérisé en ce que les plaques sont alternativement retournées et jointes soit par leurs lignes de sommet, soit par leur lignes de fond, et en ce que les facettes comprennent des bosses près des lignes de sommet et des creux près des lignes de fond. On préconise que creux et bosses soient discontinus le long des facettes, les bosses étant situées près des points de contact, ce qui permet qu'elles ne jouent le rôle de réduction de volume du canal qu'aux endroits où les zones mortes ou stagnantes sont le plus susceptibles de se former. Les bosses sont beaucoup moins utiles ailleurs. Une construction simple est celle dont les facettes comprennent des creux et des bosses qui alternent. Enfin, si chaque point de contact est situé entre deux bosses appartenant à des facettes adjacentes d'une même plaque, la réversibilité de l'écoulement dans les canaux est assurée. On va maintenant décrire l'invention plus en détail à l'aide des figures suivantes annexées à titre illustratif et non limitatif la figure 1 est une vue générale d'un échangeur de chaleur à plaques, où les plaques sont représentées en éclaté par souci de clarté, la figure 2 est une vue partielle, en coupe, d'une plaque conforme à l'invention, la figure 3 est une vue de dessus d'une plaque de 1 invention, destinée à montrer la répartition des bosses et des creux, la figure 4 illustre la façon dont les plaques sont superposées et en particulier l'angle de leurs ondulations, et la figure 5 illustre les positions respectives des creux et des bosses sur les deux plaques superposées, selon une coupe plane indiquée par la trace V-V sur une plaque sur la figure 3. Une échangeur de chaleur à plaques d'un genre courant est représenté à la figure 1. I1 est formé d'une superposition de plaques 1 rectangulaires, porteuses de quatre perçages 2 aux coins, d'une gorge lisse 3 périphérique et d'ondulations 4 sur le reste de leur surface. Les plaques peuvent être fabriquées par divers moyens, par emboutissage, usinage ou moulage, et dans l'échangeur de chaleur réel elles sont appuyées les unes sur les autres par leurs ondulations 4. Des joints non représentés sont alors comprimés entre les gorges 3 et maintiennent l'étanchéité. L'empilement est maintenu par serrage. Dans la réalisation représentée, la circulation des fluides est à contre-courant, mais il pourrait en être autrement. Les ondulations 4 sont en forme de chevrons mais pourraient être rectilignes. Les fluides sont généralement des liquides dans les réalisations existantes, mais ce n'est pas obligatoire, et il peut aussi y avoir des changements d'état. L'invention peut s'appliquer à toutes ces catégories d'échangeurs ainsi qu'à des genres d'échangeurs encore différents. Selon l'invention (figures 2 à 5), les ondulations 4 des plaques 1 peuvent être décomposées en lignes de sommet 10 alternant avec des lignes de fond 11, les lignes 10 et 11 étant toutes parallèles entre elles et séparant des facettes 12 jointives. Les facettes 12 ont une surface accidentée, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas droites sur l'essentiel de leur longueur comme dans les plaques ondulées classiques, mais présentent des bosses 13 et des creux 14. Pour les besoins de la description, la référence d'observation est située dans le canal 6 au-dessus de la plaque 1, et les lignes de sommet 10 sont au-dessus de lignes de fond 11 ; les bosses 13 sont des reliefs convexes et les trous 14 des reliefs concaves dans ce canal 6. Creux et bosses 14 et 13 sont produits sans difficulté avec les ondulations 4, par exemple par emboutissage avec des matrices spéciales, sans opération particulière. On voit sur la représentation générale de la figure 3 que les creux 14 et les bosses 13 ne s'étendent pas sur toute la longueur des ondulations 4 mais sont au contraire discontinus et que les bosses 13 s'étendent près des lignes de sommet 10, environ sur la moitié de la longueur des ondulations 4, et aux endroits proches des points de contact 15 de la plaque 1 voisine ; plus précisément, les bosses 13 des facettes 12 adjacentes s 'étendent de part et d'autre de la ligne de sommet 10 mitoyenne de façon à entourer par paires les points de contact 15. Les creux 14 sont adjacents aux lignes de fond 11 et s'étendent chacun entre deux bosses 13 consécutives de la facette 12 à laquelle ils appartiennent (creux 14 et bosses 13 alternent donc le long de chacune des facettes 12), de telle façon qu'ils forment une suite à peu près ininterrompue le long de chacune des lignes de fond 11, alternativement sur les deux facettes 12 qui la bordent. Dans cette réalisation, la direction moyenne de l'écoulement du fluide dans le canal 6 est verticale (selon la représentation de cette figure 3) et l'angle CL des ondulations 4 avec cette direction est de 600. L'autre plaque 1 délimitant le canal 6 sera semblable mais posée après avoir été retournée, si bien que les plaques 1 se joindront par leurs lignes de sommet 10 (figures 4 et 5), leurs ondulations 4 faisant des angles de 600. Il en sera de même pour chaque couple de plaques 1, qui seront jointes soit par leurs lignes de sommet 10 respectives, soit par leurs lignes de fond 11. Que le sens d'écoulement soit ascendant ou descendant, les caractéristiques de l'écoulement sont identiques car la forme des canaux 6 est symétrique. On remarque en particulier que les bosses 13 forment des zones où la section du canal 6 est très réduite autour des points de contact 15, où le fluide aurait eu tendance à stagner, mais que les bosses 13 ne contribuent pas à gêner l'écoulement aux autres endroits des canaux 6. De même, les points de contact 16 avec l'autre plaque 1 adjacente, situés au centre des losanges formés par quatre points de contact 15 voisins, seront entourés par deux paires de creux 14 des deux plaques 1 concernées, mais qu'on voit comme des bosses 13 dans le canal 6 voisin que ces deux plaques 1 délimitent. On s'aperçoit donc que tous les canaux 6 auront la même forme. L'influence des creux 14 n'est guère sensible sur l'écoulement dans les canaux 6. Pour permettre le bon positionnement des plaques les unes par rapport aux autres, des creux 17 peuvent être réalisés sur les lignes de sommet 10 aux points de contact 15, entre les bosses 13. Ces creux permettent d'une part de positionner de façon précise les plaques et d'autre part de mieux profiler l'écoulement autour de l'ondulation. La dimension de ces creux 17 est de 0,5 mm de profondeur environ (entre 0,3 mm et 1 mm), et leur forme permet l'emboîtement des points de contact 15 de la plaque supérieure. Leur réalisation se fait de la même façon que le reste de la plaque, sans coût supplémentaire. Les creux 17 sont établis sur une plaque 1 sur deux ; les lignes de sommet 10 des autres plaques 1 restent droites. Des bosses pourraient aussi être réalisées aux lignes de fond 11, à l'endroit des points de contact 16, de certaines des plaques 1 pour faciliter aussi 11 emboîtement des plaques 1 par ces lignes de fond 11. D'autres réalisations sont envisageables en fonction en particulier des angles que font les ondulations par rapport à la direction moyenne de l'écoulement. Une réalisation effectivement essayée comprenait des plaques avec des ondulations 4 dont l'angle a par rapport à l'écoulement était égal à 600, des plaques 1 dont le pas p (figures 2 et 3) était de 13 mm et la hauteur e (figure 2) de 3,9 mm, pour des hauteurs ou des profondeurs maximales de 0,8 mm et des diamètres de 3 à 4 mm pour les bosses 13 et les creux 14. Les canaux 6 avaient 0,4 m de longueur et 0,14 m de largeur. Le débit était de 6 à 40 m3 à l'heure dans chaque canal 6. Les plaques 1 conformes à l'invention ont produit une perte de charge (ou de pression) de 30 à 50% moindre qu'une plaque ondulée classique, c'est-àdire dépourvue de bosses 13 et de creux 14. Les coefficients d'échange de chaleur ont été proches, avec des écarts inférieurs à 5*. Les plaques étaient formées par un emboutissage de tôles d'acier inoxydable de 0,6 mm d'épaisseur. L'invention peut être appliquée à tous les domaines d'activité où ce genre d'échangeurs trouve déjà emploi, et notamment les industries chimiques, para-chimiques, pétrolières, climatiques, agroalimentaires, productrices d'énergie et métallurgiques. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur composé de plaques (1) ondulées et accolées entre elles pour délimiter des canaux (6), les plaques (1) étant semblables, composées de facettes (12) jointes par des lignes de fond (11) et de sommet (10), les plaques étant jointes entre elles à des points de contact (15, 16), caractérisé en ce que les plaques sont alternativement retournées et jointes soit par leurs lignes de sommet (10, 10), soit par leurs lignes de fond (11, 11), et en ce que les facettes (12) comprennent des bosses (13) près des lignes de sommet (10) et des creux (14) près des lignes de fond (11). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que creux et bosses sont discontinus le long des facettes, les bosses (13) étant situées près des points de contact (15). 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque facette (12) comprend des creux (14) et des bosses (13) qui alternent. 4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque point de contact (15) est situé entre deux bosses (13) appartenant à des facettes (12) adjacentes d'une même plaque (1). 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les lignes de sommet (10) de certaines des plaques (1) portent des creux (17) aux points de contact (15), dans lesquels les lignes de sommet (10) d'autres des plaques (1) s'emboîtent.