Brevet FR2738906A1 — publié le 19970321

La présente invention a pour objet un faisceau de plaques pour un échangeur thermique permettant de réaliser un échange thermique entre deux fluides circulant à contre-courant. La présente invention a également pour objet un échangeur thermique muni d'un tel faisceau de plaques. Les échangeurs thermiques sont généralement de deux types. Le premier type d'échangeur thermique comporte un faisceau de tubes en forme de "U" ou un faisceau de tubes droits, dans lequel circule un fluide. Mais, ce type d'échangeur est d'une conception coûteuse et le rendement thermique est limité compte tenu que le nombre de tubes dépend de la place disponible qui est dans la plupart des cas restreinte. Le second type d'échangeur thermique comporte un faisceau de plaques disposées jointivement et parallèlement les unes aux autres. Les plaques constituées de tôles fines, le plus souvent en acier inoxydable, comportent des bords à surface lisse et une partie centrale munie d'ondulations par lesquelles elles sont en contact les unes sur les autres et par lesquelles elles délimitent un double circuit de circulation de deux fluides indépendants et à contre-courant d'une extrémité à l'autre du faisceau de plaques. L'assemblage des plaques pour former le faisceau est réalisé de la façon suivante. Tout d'abord, les plaques sont empilées en intercalant, entre les bords longitudinaux de chaque plaque, une languette formant entretoise. Ensuite, une couche de soudure est déposée sur toute la hauteur de chaque surface latérale du faisceau pour former un mur de soudure étanche, puis les extrémités des entrées et des sorties de chaque canal sont constituées par soudage. Chaque mur de soudure est réalisé par une succession ascendante de passes horizontales de soudage. Un tel mode de réalisation du faisceau de plaques nécessite une quantité de métal importante et un temps considérable pour l'exécution de l'opération de soudage. De plus, cette technique présente un autre inconvénient. En effet, l'épreuve d'étanchéité, avant l'utilisation du faisceau, n'est réalisable qu'après l'assemblage de toutes les plaques. Par conséquent, en cas de fuite, la recherche de l'origine de la fuite est délicate et fastidieuse, compte tenu que cette recherche n'est possible que par élimination de zones. On imagine aisément les difficultés qui en découlent. L'invention a donc pour but d'éviter les inconvénients précédemment mentionnés en proposant un faisceau de plaques plus simple et moins coûteux à réaliser et dont l'épreuve d'étanchéité est facilitée. L'invention a donc pour objet un faisceau de plaques pour un échangeur thermique, du type comprenant un empilement de plaques d'échange thermique métalliques et parallèles les unes aux autres comportant des bords à surface lisse et une partie centrale munie d'ondulations pour former avec les plaques associées un double circuit de circulation de deux fluides indépendants et à contre-courant, caractérisé en ce que chaque plaque d'échange thermique comporte, au niveau de ses bords longitudinaux, un organe de liaison aux deux plaques adjacentes, au niveau de ses bords d'extrémité, un organe de liaison avec une plaque adjacente pour former une superposition alternée d'extrémités ouvertes ou fermées et, au niveau de ses angles, un organe de raccordement des plaques d'échange thermique et des organes de liaison entre eux. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - chaque organe de liaison des bords longitudinaux des plaques d'échange thermique est formé par un profilé en forme de T dont l'âme est fixée au bord longitudinal de la plaque d'échange thermique correspondante au moyen d'un cordon de soudure continu et étanche et dont chacune des ailes est fixée à une aile du profilé en forme de T adjacent au moyen d'un cordon de soudure continu et étanche pour former une paroi pleine, - chaque organe de liaison des bords longitudinaux des plaques d'échange thermique est formé par un profilé comprenant une plaque et deux ailes parallèles destinées à être fixées chacune au moyen d'un cordon de soudure continu et étanche sur le bord longitudinal d'une plaque d'échange thermique correspondante, les bords de chaque plaque des profilés étant fixés sur le bord de la plaque du profilé adjacent au moyen d'un cordon de soudure continu et étanche pour former une paroi pleine, - chaque organe de liaison des bords d'extrémité des plaques d'échange thermique est formé par un profilé en forme de L dont une branche est fixée au bord d'extrémité de la plaque d'échange thermique correspondante au moyen d'un cordon de soudure continu et étanche et dont l'autre branche est fixée à l'une des branches du profilé en forme de L adjacent au moyen d'un cordon de soudure continu et étanche, - au niveau des coins, chaque organe de raccordement des organes de liaison entre eux comporte, d'une part, une plaque verticale en forme d'équerre et, d'autre part, deux plaques horizontales et parallèles disposées sur les faces internes des deux branches de la plaque verticale en forme d'équerre, - les bords latéraux de chaque branche de la plaque en forme d'équerre sont fixés par soudage respectivement sur les extrémités libres des profilés en forme de T et des profilés en forme de L adjacents et le bord libre de chaque plaque horizontale est fixé par soudage sur les bords des plaques d'échange thermique adjacentes, - le faisceau comporte au niveau de ses bords d'extrémité au moins un élément de raccordement à des collecteurs d'entrée et de sortie des fluides, - chaque élément raidisseur est formé par une juxtaposition de pièces en forme de T dont l'âme est fixée par soudage au bord d'extrémité de la plaque d'échange thermique correspondante et dont chacune des ailes est fixée par soudage à une aile de la pièce adjacente, les bords latéraux des pièces en forme de T de chaque élément raidisseur étant reliés par soudage aux bords libres des profilés en forme de L adjacents. L'invention a également pour objet un échangeur thermique à plaques comportant une enceinte résistant à la pression dans laquelle est placé un faisceau de plaques tel que défini ci-dessus. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique en perspective d'une partie d'un faisceau de plaques selon l'invention, - la Fig. 2 est une vue partielle et en perspective du faisceau de plaques selon l'invention montrant les organes de liaison au niveau des bords longitudinaux des plaques d'échange thermique et les organes de raccordement au niveau des angles desdites plaques d'échange thermique, - la Fig. 3 est une vue partielle et en perspective du faisceau de plaques selon l'invention, montrant les organes de liaison au niveau des bords d'extrémité des plaques d'échange thermique, - la Fig. 4 est une vue en perspective d'un organe de raccordement d'angle, - la Fig. 5 est une vue partielle et en perspective du faisceau de plaques selon l'invention montrant un élément de raccordement à des collecteurs d'entrée et de sortie des fluides, - la Fig. 6 est une vue en perspective d'une pièce d'un élément de raccordement. Sur la Fig. 1, on a représenté partiellement un faisceau de plaques d'un échangeur thermique désigné dans son ensemble par la référence 1 et destiné à réaliser un échange thermique entre deux fluides circulant à contre-courant. Le faisceau de plaques 1 se compose d'un empilement de plaques 2 métalliques de faible épaisseur et parallèles les unes aux autres. Chaque plaque 2 est constituée d'une tôle fine, le plus souvent en acier inoxydable ou tout autre matériau suffisamment ductile. Chaque plaque 2 comporte des bords longitudinaux et transversaux, respectivement 2a et 2b, à surface lisse et une partie centrale 2c munie d'ondulations. Les plaques 2 définissent entre elles des intervalles. Un intervalle sur deux forme un premier circuit a longitudinal pour un premier fluide A et les autres intervalles forment un second circuit b longitudinal pour un second fluide B, lesdits circuits s'étendant sur toute la longueur du faisceau de plaques 1. Les circuits a et b sont indépendants et à contre-courant. Chaque plaque 2 d'échange thermique comporte: - au niveau de ses bords longitudinaux 2a, un organe de liaison 10 aux deux plaques 2 adjacentes, - au niveau de ses bords d'extrémité 2b, un organe de liaison 20 avec une plaque 2 adjacente pour former une superposition alternée d'extrémités ouvertes 3 ou fermées 4, - et au niveau de ses angles, un organe de raccordement 30 des plaques 2 d'échange thermique et des organes de liaison 10 et 20 entre eux. Le faisceau de plaques 1 comporte également au niveau de ses bords d'extrémité 2b, au moins un élément de raccordement 40 à des collecteurs 9 d'entrée et de sortie des fluides. Ces collecteurs 9 sont représentés en traits mixtes sur la Fig.1 afin de ne pas surcharger le dessin. Ainsi que représenté à la Fig. 2, chaque organe de liaison 10 des bords longitudinaux 2a des plaques 2 d'échange thermique est formé par un profilé en forme de T comportant une âme 11 et deux ailes 12 perpendiculaires à ladite âme 11. L'épaisseur de l'âme 11 est sensiblement égale à l'épaisseur d'une plaque 2 d'échange thermique et la hauteur de chaque aile 12 est sensiblement égale à un demi intervalle séparant deux plaques 2 d'échange thermique. L'âme 11 de chaque profilé 10 est fixée au bord longitudinal 2a de la plaque 2 d'échange thermique correspondante au moyen d'un cordon de soudure 13 continu et étanche et chacune des ailes 12 d'un profilé 10 est fixée à une aile 12 du profilé 10 adjacent au moyen d'un cordon de soudure 14 continu et étanche. Ainsi, la juxtaposition des profilés 10 en forme de T et leur assemblage avec les plaques 2 d'é change thermique et entre eux forme, sur chaque côté longitudinal du faisceau de plaques 1, une paroi pleine et étanche. Selon une variante non représentée, chaque organe de liaison 10 des bords longitudinaux 2a des plaques 2 d'échange thermique peut être formé par un profilé formant deux T juxtaposés et comprenant une plaque et deux ailes parallèles dont l'intervalle correspond à un intervalle entre deux plaques 2 d'échange thermique. Chaque aile est destinée à être fixée au moyen d'un cordon de soudure continu et étanche sur le bord longitudinal 2a d'une plaque 2 d'échange thermique correspondante. Les bords de chaque plaque du profilé sont fixés sur le bord de la plaque du profilé adjacent au moyen d'un cordon de soudure continu et étanche pour former également une paroi pleine. Ce mode de réalisation permet de diminuer le nombre de cordons de soudure de liaison des différents éléments entre eux. Ainsi que représenté à la Fig. 3, chaque organe de liaison 20 des bords d'extrémité 2b des plaques 2 d'échange thermique est formé par un profilé en forme de L comportant deux branches perpendiculaires, respectivement 21 et 22. Chaque branche 21 possède une épaisseur sensiblement à l'épaisseur d'une plaque 2 d'échange thermique et chaque branche 22 à une hauteur sensiblement égale à un demi-intervalle séparant deux plaques 2 d' échange thermique. Pour chaque profilé 20, la branche 21 est fixée au bord d'extrémité 2b de la plaque 2 d'échange thermique correspondante au moyen d'un cordon de soudure 23 continu et étanche. D'autre part, chaque branche 22 d'un profilé 20 est fixée à l'une des branches 22 du profilé 20 adjacent au moyen d'un cordon de soudure 24 continu et étanche. Comme représenté à la Fig. 3, un intervalle sur deux est obturé par les profilés 20 en forme de L permettant ainsi de réaliser, à chaque extrémité du faisceau de plaques 1, une superposition alternée d'extrémités ouvertes 3 et fermées 4. Comme représenté sur les figures 2 et 4, chaque organe de raccordement 30 des plaques 2 d'échange thermique et des organes de liaison 10 et 20 entre eux comporte, d'une part, une plaque verticale 31 en forme d'équerre et, d'autre part, deux plaques 32 et 33 horizontales et parallèles, disposées sur la face interne des deux branches de la plaque verticale 31 en forme d'équerre. Ainsi, pour chaque organe de raccordement 30, la plaque verticale 31 couvre un intervalle de l'un des circuits et un demi-intervalle supérieur et un demi intervalle inférieur de l'autre circuit. Les bords latéraux de chaque branche de la plaque verticale 31 en forme d'équerre sont jointifs et fixés par soudage, respectivement sur les extrémités libres des profilés 10 en forme de T adjacents et sur les extrémités libres des profilés 20 en forme de L adjacents et les bords libres de chaque plaque horizontale 32 et 33 sont fixés par soudage sur les bords des plaques 2 adjacentes d'échange thermique. Les bords longitudinaux des organes de raccordement 30 ainsi superposés sont soudés entre eux pour former une surface d'angle continu. Pour permettre alternativement l'entrée et la sortie des fluides A et B, le faisceau de plaques 1 comporte, au niveau de ses bords d'extrémité 2b, au moins un élément de raccordement 40 aux collecteurs 9. Ainsi que représenté sur les Figs. 5 et 6, l'élément de raccordement 40 est formé par une juxtaposition de pièces 41 en forme de T comportant une âme 42 et deux ailes, respectivement 43 et 44. L'âme 42 possède une épaisseur sensiblement égale à l'épaisseur d'une plaque 2 d'échange thermique et chaque aile 43 et 44 a une hauteur sensiblement à un demi-intervalle séparant deux plaques 2 d'échange thermique. L'âme 42 de chaque pièce 41 est fixée par soudage au bord de la plaque 2 d'échange thermique correspondante et chacune des ailes 43 et 44 est fixée par soudage à une aile 43 ou 44 de la pièce 41 adjacente. Les bords latéraux des pièces 41 sont reliés par soudage aux bords libres des profilés 20 en forme de L adjacents. Le faisceau de plaques 1 ainsi formé est placé dans une enceinte étanche, non représentée, résistant à la pression interne pour constituer un échangeur thermique. L'assemblage d'un tel faisceau de plaques 1 est réalisé en équipant par soudage chaque plaque 2 d'échange thermique, avant la constitution de l'empilage, d'une part, des profilés 10 en forme de T sur les bords longitudinaux 2a des plaques 2 d'échange thermique et, d'autre part, des profilés 20 en forme de L sur les bords 2b d'extrémité desdites plaques 2 d'échange thermique. Les profilés 10 et 20 sont réalisés de façon à obtenir l'intervalle exigé par les ondulations des plaques 2 d'échange thermique et à permettre le raccordement à la plaque 2 par soudage manuel ou automatique en bout à bout. Les coins des plaques 2 d'échange thermique sont équipés des organes de raccordement 30 et des éléments de raccordement 40 aux collecteurs 9. Les plaques 2 d'échange thermique pourvues de ces différents éléments sont alors empilées et l'étanchéité de chaque circuit est obtenue par le soudage bout à bout de ces éléments qui se trouvent en vis à vis. Un tel mode d'assemblage réduit notablement le nombre de soudure à réaliser et de ce fait la masse de métal pour réaliser les différentes soudures. Il en résulte automatiquement, d'une part, un gain sur les temps de soudage et, d'autre part, une diminution des contraintes résiduelles et des déformations engendrées par l'énergie de soudage. De plus, en cas de fuite, la recherche de l'origine de la fuite est facilitée. D'autre part, un tel assemblage permet d'obtenir des circuits exempts de toutes zones de rétention des fluides. REVEND I CAT IONS 1. Faisceau de plaques pour un échangeur thermique, du type comprenant un empilement de plaques (2) d'échange thermique métalliques et parallèles les unes aux autres comportant des bords (2a, 2b) à surface lisse et une partie centrale (2c) munie d'ondulations pour former avec les plaques (2) associées un double circuit de deux fluides indépendants et à contre-courant, caractérisé en ce que chaque plaque (2) d'échange thermique comporte, au niveau de ses bords longitudinaux (2a), un organe de liaison (10) aux deux plaques (2) adjacentes, au niveau de ses bords d'extrémité (2b), un organe de liaison (20) avec une plaque (2) adjacente pour former une superposition alternée d'extrémités ouvertes (3) ou fermées (4) et au niveau de ses angles, un organe de raccordement (30) des plaques (2) d'échange thermique et des organes de liaison (10, 20) entre eux. 2. Faisceau de plaques selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque organe de liaison (10) des bords longitudinaux (2a) des plaques (2) d'échange thermique est formé par un profilé en forme de T dont l'âme (11) est fixée au bord longitudinal (2a) de la plaque (2) d'échange thermique correspondante au moyen d'un cordon de soudure (13) continu et étanche et dont chacune des ailes (12) est fixée à une aile (12) du profilé en forme de T adjacent au moyen d'un cordon de soudure (14) continu et étanche pour former une paroi pleine. 3. Faisceau de plaques selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque organe de liaison (10) des bords longitudinaux (2a) des plaques (2) d'échange thermique est fixé par un profilé comprenant une plaque et deux ailes parallèles destinées à être fixées chacune au moyen d'un cordon de soudure (13) continu et étanche sur le bord longitudinal (2a) d'une plaque (2) d'échange thermique correspondante, les bords de chaque plaque des profilés étant fixés sur le bord de la plaque du profilé adjacent au moyen d'un cordon de soudure (14) continu et étanche pour former une paroi pleine. 4. Faisceau de plaques selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque organe de liaison (20) des bords d'extrémité (2b) des plaques (2) d'échange thermique est formé par un profilé en forme de L dont une branche (21) est fixée au bord d'extrémité (2b) de la plaque (2) d'échange thermique correspondante au moyen d'un cordon de soudure (23) continu et étanche et dont l'autre branche (22) est fixée à l'une des branches (22) du profilé en forme de L adjacent au moyen d'un cordon de soudure (24) continu et étanche. 5. Faisceau de plaques selon la revendication 1, caractérisé en ce que, au niveau des coins, chaque organe de raccordement (30) des organes de liaison (10, 20) entre eux comporte, d'une part, une plaque verticale (31) en forme d'équerre et, d'autre part, deux plaques (32, 33) horizontales et parallèles disposées sur les faces internes des deux branches de la plaque verticale (31) en forme d'équerre. 6. Faisceau de plaques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bords latéraux de chaque branche de la plaque (31) en forme d'équerre sont fixés par soudage respectivement sur les extrémités libres des profilés (10) en forme de T et des profilés (20) en forme de L adjacents et le bord libre de chaque plaque horizontale (32, 33) est fixé par soudage sur les bords des plaques (2) d'échange thermique adjacentes. 7. Faisceau de plaques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au niveau de ses bords d'extrémité (2b) au moins un élément de raccordement (40) à des collecteurs (9) d'entrée et de sortie des fluides. 8. Faisceau de plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque élément raidisseur (40) est formé par une juxtaposition de pièces (41) en forme de T dont l'âme (42) est fixée par soudage au bord d'extrémité de la plaque (2) d'échange thermique correspondante et dont chacune des ailes (43, 44) est fixée par soudage à l'aile (43, 44) de la pièce (41) adjacente, les bords latéraux des pièces (41) en forme de T de chaque élément de raccordement (40) étant reliés par soudage aux bords libres des profilés (20) en forme de L adjacents. 9. Echangeur thermique à plaques comportant une enceinte résistant à la pression interne dans laquelle est placé un faisceau de plaques (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.