Brevet FR2718835A1 — publié le 19951020

La présente invention est relative à un échangeur de chaleur à plaques brasées du type comprenant un empilage de plaques parallèles et, entre ces plaques, d'ondes-entretoises, chaque paire de plaques définissant un passage de fluide de forme générale plate, et des barres de fermeture longitudinales et transversales s'étendant le long du pourtour de chaque passage en laissant libres des fenêtres d'entrée/sortie de fluides. Dans les échangeurs classiques de ce type, chaque passage possède la même épaisseur sur toute son étendue. Ceci ne correspond pas à l'optimum dans de nombreux cas, par exemple dans les situations suivantes: (1) Pendant le réchauffement ou le refroidissement d'un fluide sur une gamme étendue de températures, le volume spécifique du fluide varie considérablement, alors que la section de passage qui lui est offerte reste constante. En particulier, lorsqu'on alimente le bout froid de l'échangeur de chaleur avec un liquide à vaporiser, la vitesse de circulation du liquide au bout froid est trop lente, ce qui conduit à des instabilités hydrodynamiques de l'écoulement. (2) Lorsque, à une température intermédiaire, un fluide auxiliaire doit être ajouté dans un passage, ou qu'une fraction du débit d'un fluide doit être soutirée de ce passage, ou bien lorsqu'un fluide auxiliaire doit être mis en relation d'échange thermique indirect avec les fluides principaux sur une partie seulement de la gamme de températures, il est nécessaire de mobiliser des passages additionnels, ce qui est défavorable aux performances thermiques de l'échangeur. L'invention a pour but d'éviter ces inconvénients, en apportant un degré de liberté supplémentaire dans la conception des échangeurs de chaleur à plaques brasées. A cet effet, l'invention a pour objet un échangeur de chaleur du type précité, caractérisé en ce qu'au moins un passage est, sur une fraction seulement de son étendue, subdivisé dans son épaisseur en au moins deux sous-passages contenant chacun une onde-entretoise et séparés par une plaque intermédiaire. L'échangeur de chaleur suivant l'invention peut comporter ou une plusieurs des caractéristiques suivantes - les sous-passages s'étendent sur toute la largeur du passage qui les contient et sur une fraction seulement de sa longueur; - la plaque auxiliaire est parallèle aux deux plaques qui délimitent le passage qui la contient; - au moins un premier sous-passage débouche d'une part sur au moins une fenêtre d'entrée/sortie de fluide et d'autre part dans le passage qui le contient; - au moins un deuxième sous-passage débouche uniquement dans le passage qui le contient; - au moins un deuxième sous-passage débouche également sur au moins une fenêtre d'entrée/sortie de fluide et d'autre part dans le passage qui le contient; - l'onde-entretoise de chaque sous-passage qui débouche sur au moins une fenêtre d'entrée/sortie de fluide forme, sur au moins une partie de la longueur de ce sous-passage, une onde de distribution ou une onde collectrice; - au moins un premier sous-passage débouche uniquement sur une fenêtre d'entrée de fluide et sur une fenêtre de sortie de fluide, tandis qu'au moins un deuxième sous-passage débouche uniquement dans le passage qui le contient; et - un premier sous-passage débouche à l'une de ses extrémités longitudinales dans un nombre supérieur de sous-passages ou dans une partie non subdivisée du passage qui le contient. Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels - la Figure 1 représente en perspective la constitution générale d'un échangeur de chaleur à plaques brasées; - les Figures 2 à 5 illustrent respectivement, de façon schématique, quatre applications différentes de l'invention; - la Figure 6 représente en perspective éclatée une partie d'un passage d'un échangeur de chaleur suivant l'invention, correspondant à l'application de la Figure 2; et - les Figures 7 à 9 sont des vues analogues à la Figure 6 mais correspondant respectivement aux applications des Figures 3 à 5. Comme il est bien connu, et comme représenté à la Figure 1, un échangeur de chaleur 1 à plaques brasées est constitué d'un empilage de plaques parallèles 2, généralement rectangulaires et toutes identiques, qui définissent deux à deux une multitude de passages plats. Les dimensions des plaques peuvent être importantes; par exemple, pour un échangeur de chaleur d'une installation de distillation d'air, elles peuvent avoir jusqu'à 6,7 m de longueur L pour 1,2 de largeur 1. En revanche, l'épaisseur des passages est très petite, typiquement de l'ordre du S à 10 mm. Le nombre de passages peut être de l'ordre de 100 à 150. L'espacement mutuel des plaques 2 est assuré par des ondes-entretoises qui remplissent également la fonction d'ailettes thermiques. Ces ondes peuvent être constituées de tôle ondulée perforée ou à crevés sur leurs flancs (ondes dites "serrated"), et avoir une section d'ondes carrée, rectangulaire, sinusoïdale, etc. Les passages sont fermés hermétiquement sur tout leur pourtour par des barres longitudinales 3 et transversales 4, toutes de même épaisseur égale à la hauteur des ondes, à l'exception de régions limitées débouchant vers l'extérieur. Ces régions forment des séries de fenêtres ou ouvertures d'entrée/sortie de fluides, alignées verticalement, et chaque série de fenêtres est coiffée hermétiquement par une boîte 5 d'entrée/sortie de fluide, typiquement semi-cylindrique, munie d'une conduite 6 d'introduction ou de soutirage de fluide. Les fenetres associées à une boîte 5 donnée n'intéressent bien entendu qu'un certain nombre de passages, réservés au fluide correspondant. Comme illustré sur la Figure 1, pour les fluides circulant d'une extrémité à l'autre, dans le sens longitudinal, de l'échangeur, les boîtes 5 sont adjacentes aux deux extrémités de celui-ci, et il peut être prévu des boîtes 5 supplémentaires le long de l'échangeur, pour l'entrée/sortie d'un fluide auxiliaire ou pour le soutirage au moins partiel d'un fluide en cours de refroidissement ou de réchauffement. Les plaques, les ondes et les barres de fermeture sont typiquement en aluminium ou en alliage d'aluminium et sont assemblées de façon étanche en une seule opération, par brasage au four. Les boîtes 5 sont ensuite rapportées par soudage. Dans la technique classique, chaque passage a la même épaisseur sur toute son étendue. On va maintenant décrire comment cette structure est modifiée, suivant l'invention, en considérant à titre d'exemple un certain nombre d'applications schématisées aux Figures 2 à 5, où l'échangeur est supposé du type à contre-courant, avec son bout chaud et son bout froid disposés respectivement en haut et en bas. Dans chaque application, une ligne descendante 7 figure un fluide à traiter que l'on refroidit et éventuellement liquéfie du bout chaud au bout froid de l'échangeur, et une ligne montante principale 8 figure un fluide frigorigène principal qui se réchauffe, éventuellement après vaporisation, du bout froid au bout chaud de l'échangeur. Dans le cas de la Figure 2, on ajoute en outre au fluide frigorigène principal, en un point intermédiaire 9 de la longueur de l'échangeur, un fluide frigorigène auxiliaire amené par une conduite 10; En variante, on pourrait soutirer de façon analogue une fraction du débit d'un fluide en circulation. Dans le cas de la Figure 3, un fluide auxiliaire, calorigène dans l'exemple illustré, est mis en relation d'échange thermique indirect avec les deux fluides principaux, soit en un point intermédiaire 11 de la longueur de l'échangeur, comme indiqué en traits pleins (utilisation du fluide auxiliaire en flux croisé), soit entre deux points intermédiaires 11 et 12, comme indiqué en traits mixtes. Dans le cas de la Figure 4, une section de passage croissante est offerte au fluide frigorigène au cours de son réchauffement, pour compenser au moins approximativement son augmentation de volume spécifique. Dans le cas de la Figure 5, un fluide frigorigène auxiliaire alimente le bout froid de l'échangeur et est mélangé avec le fluide frigorigène principal. Les deux fluides frigorigènes peuvent etre en particulier les deux phases liquide et vapeur d'un même fluide diphasique, préalablement séparées dans un séparateur de phases 13. On décrira maintenant plus en détail la structure des échangeurs de chaleur suivant l'invention. Dans le cas de la Figure 2, les passages 14 réservés au fluide frigorigène principal (ligne 8 de la Figure 2) sont modifiés comme représenté sur la Figure 6. Au-dessus et au-dessous d'une zone 15 de dimension longitudinale limitée L1 inférieure à L, les passages 14 sont, comme les autres passages de l'échangeur sur toute leur longueur, délimités par deux plaques 2 (dont une seule est visible sur la Figure 6), par deux barres longitudinales 3 d'épaisseur e, et par deux barres transversales 4 (non visibles sur la Figure 6) également d'épaisseur e. De plus, les passages 14 contiennent, audessus et au-dessous de la zone 15, sur toute leur étendue, comme les autres passages de l'échangeur, une onde-entretoise 16 de hauteur e, et dont, par conséquent, les sommets d'onde sont au contact des plaques 2. Dans la zone 15, les barres 3 sont supprimées et remplacées par des barrettes 17 d'épaisseur el inférieure à e, et l'onde 16 est remplacée par une onde 18 d'épaisseur el. Une plaque rectangulaire intermédiaire 19 de dimension longitudinale L1 et de dimension transversale 1 est disposée sur l'onde 18 et sur les barrettes 17. Une barrette de fermeture longitudinale 20 de longueur L1, disposée sur un bord longitudinal de la plaque 19, affleure la barre 3 adjacente. Une barrette transversale 21, affleurant la barrette 20, s'étend transversalement de celle-ci à l'autre bord longitudinal de l'échangeur. Ainsi, la plaque 19 est surmonté d'un demi-cadre en L, le long d'un de ses bords longitudinaux et le long d'un de ses bords transversaux. Le reste de l'étendue de la plaque 19 est surmonté d'une onde de distribution, constituée d'une onde oblique 22 s'étendant à partir de la barrette 20 et terminée par un bord oblique, et d'une onde transversale 23 s'étendant à partir de ce bord 23 et jusqu'à recouvrir la barrette 17 opposée à la barrette 20. Les ondes 22 et 23 ont la même hauteur et affleurent les barrettes 20 et 21. On voit que, dans la zone 15, le passage 14 est subdivisé en deux sous-passages. L'un de ces souspassages constitue un simple prolongement du passage 14, à section réduite, tandis que l'autre sous-passage forme un espace dans lequel un fluide auxiliaire peut être introduit latéralement puis être distribué dans le passage 14 grâce à l'onde de distribution 22-23. Comme on le comprend, le même agencement peut servir à soutirer une fraction du débit d'un fluide circulant dans le passage 14 (de haut en bas en considérant la Figure 6). Pour l'application de la Figure 3, comme représenté sur la Figure 7, les passages 14 concernés sont modifiés de façon analogue, mais on trouve cette fois, dans la zone 15, de part et d'autre de la plaque intermédiaire 19, d'une part un sous-passage comportant les éléments 17 et 18, et d'autre part un sous-passage comportant deux barrettes transversales 24 qui s'étendent d'un bord longitudinal à l'autre de l'échangeur et, entre celles-ci, une onde transversale 25. On peut ainsi faire circuler un fluide auxiliaire en flux croisé par rapport aux fluides principaux. En variante, pour faire circuler le fluide auxiliaire sur toute une gamme de températures intermédiaires, l'onde 25 pourrait etre remplacée par l'association d'une onde de distribution d'entrée transversale/ oblique analogue à l'onde 22-23 de la Figure 6, d'une onde longitudinale d'échange de chaleur et d'une onde collectrice de sortie oblique/transversale, avec des barrettes et des fenêtres d'entrée/sortie correspondantes. La Figure 8 montre comment des passages 14 peuvent être modifiés sur une partie de leur longueur pour offrir à un fluide en cours de réchauffement une section de passage progressivement croissante, afin, notamment, d'assurer la stabilité hydrodynamique de l'écoulement. Le passage 14 comporte trois zones différentes, à savoir, à partir du bout chaud - une zone de sortie 26, délimitée par deux barres longitudinales 3 et une barre transversale 4 d'épaisseur e et contenant des ondes d'épaisseur e, à savoir une onde longitudinale 16 d'échange thermique et des ondes obliques 27 et longitudinale 28 pour collecter le fluide réchauffé et le guider vers une fenêtre de sortie 29; - une zone intermédiaire 30, d'épaisseur e2 inférieure à e, délimitée par une plaque 2 (non visible sur la Figure 8), deux barrettes longitudinales 31 d'épaisseur e2 et une première plaque rectangulaire intermédiaire 32, et contenant une onde longitudinale 33 d'épaisseur e2; et - une zone d'entrée 34, d'épaisseur e3 inférieure à e2 délimitée par la même plaque 2, deux barrettes longitudinales 35 d'épaisseur e3 et une deuxième plaque rectangulaire intermédiaire 36, et contenant d'une part une onde longitudinale 37 d'épaisseur e3 et d'autre part, à son extrémité froide, une onde de distribution oblique/longitudinale 38, également d'épaisseur e3 adaptée pour distribuer le fluide réchauffé, à partir d'une fenêtre d'entrée médiane 39 laissée libre par une barrette d'extrémité transversale 39A, sur toute la largeur de l'onde 37. Chacune des plaques intermédiaires 32 et 36 s'étend sur toute la largeur de l'échangeur et jusqu'au bout froid de celui-ci. Dans l'exemple représenté, l'espace défini entre les plaques 32 et 36 est enfermé hermétiquement par quatre barrettes 40 entre lesquelles est disposée une onde-entretoise 41 de même épaisseur. De même, l'espace surmontant la plaque 32 est enfermé hermétiquement par quatre barrettes 42 entre lesquelles est disposée une onde-entretoise 43 de même épaisseur, les éléments 42 et 43 affleurant les éléments 3, 4, 16, 27 et 28 de la zone de sortie 26. L'échangeur contient donc des espaces thermiquement inactifs, mais qui assurent une isolation thermique entre les passages adjacents. En variante, on peut mettre à profit ces espaces pour faire circuler des fluides et/ou pour créer des espaces sous vide qui peuvent servir à contrôler l'étanchéité des passages adjacents. Comme on le comprend, le mode de réalisation de la Figure 8 convient également pour le refroidissement d'un fluide, la section de passage diminuant alors progressivement au fur et à mesure de la contraction de ce fluide. La Figure 9 montre comment l'invention permet d'introduire dans des passages 14, au bout froid de l'échangeur 1, deux fluides différents, notamment les phases liquide et vapeur d'un même fluide diphasique préalablement séparées. Dans la partie la plus froide 44 des passages 14, les barres 3 et l'onde 16 sont remplacées par la superposition - De deux barrettes longitudinales 45 et d'une barrette transversale d'extrémité 46, encadrant une onde longitudinale 47 prolongée jusqu'au bout froid par une onde de distribution d'entrée longitudinale/oblique 48, laquelle débouche sur une fenêtre d'entrée médiane 49 laissée libre par la barrette 46. Les éléments 45 à 48 ont une épaisseur e4 inférieure à e. - D'une plaque intermédiaire 50 recouvrant les éléments 45 à 48; et - De deux barrettes longitudinales 51, dont l'une laisse libre une fenêtre d'entrée latérale 52, et d'une barrette transversale d'extrémité 53, ces barrettes encadrant une onde longitudinale 54 prolongée jusqu'au bout froid par une onde de distribution d'entrée transversale/oblique 55, cette dernière débouchant sur la fenêtre 52. Les éléments 51, 53, 54 et 55 affleurent les éléments 3 et 16. REVENDICATIONS 1 - Echangeur de chaleur (1) à plaques brasées, du type comprenant un empilage de plaques parallèles (2) et, entre ces plaques, d'ondes-entretoises (16), chaque paire de plaques définissant un passage de fluide (14) de forme générale plate, et des barres de fermeture longitudinales (3) et transversales (4) s'étendant le long du pourtour de chaque passage en laissant libres des fenêtres d'entrée/sortie de fluides, caractérisé en ce qu'au moins un passage (14) est, sur une fraction seulement de son étendue, subdivisé dans son épaisseur (e) en au moins deux sous-passages contenant chacun une onde-entretoise (18, 22-24; 18, 25; 33, 37, 38; 47 à 49, 54, 55) et séparés par une plaque intermédiaire (19; 32, 36; 50). 2 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les sous-passages s'étendent sur toute la largeur (1) du passage (14) qui les contient et sur une fraction seulement de sa longueur (L). 3 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la plaque auxiliaire (19; 32, 36; 50) est parallèle aux deux plaques (2) qui délimitent le passage (14) qui la contient. 4 - Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un premier sous-passage débouche d'une part sur au moins une fenêtre (38, 52) d'entrée/sortie de fluide et d'autre part dans le passage (14) qui le contient (Figures 6 et 9). 5 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins un deuxième souspassage débouche uniquement dans le passage (14) qui le contient (Figure 6). 6 - Echangeur de chaleur suivant la revendi cation 4, caractérisé en ce qu'au moins un deuxième souspassage débouche également sur au moins une fenêtre (48, 52) d'entrée/sortie de fluide et d'autre part dans le passage (14) qui le contient (Figure 9). 7 - Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'onde-entretoise (18, 22-24) de chaque sous-passage qui débouche sur au moins une fenêtre (48, 52) d'entrée/sortie de fluide forme, sur au moins une partie de la longueur de ce sous-passage, une onde de distribution ou une onde collectrice. 8 - Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un premier sous-passage débouche uniquement sur une fenêtre d'entrée de fluide et sur une fenêtre de sortie de fluide, tandis qu'au moins un deuxième souspassage débouche uniquement dans le passage (14) qui le contient (Figure 7). 9 - Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un premier sous-passage débouche à l'une de ses extrémités longitudinales dans un nombre supérieur de sous-passages ou dans une partie non subdivisée du passage (14) qui le contient (Figure 8).