Brevet FR2806156A1 — publié le 20010914

La présente invention concerne un échangeur de chaleur à plaques. De manière habituelle, un échangeur de chaleur à plaques est composé de plaques superposées entre elles qui après brasage, soudage ou serrage, forment deux séries de canaux de circulation, permettant l'écoulement d'un fluide réfrigérant et un fluide à refroidir. I1 est par ailleurs prevu des moyens mécaniques permettant de rendre indépendantes ces deux séries de canaux, de sorte que le réfrigérant et le fluide à refroidir n'entrent pas en contact mutuel. L'invention vise plus particulièrement un échangeur à plaques, destiné à être alimenté par un fluide réfrigérant diphasique, comprenant une fraction liquide et une fraction vapeur lors de son admission dans cet échangeur. Lorsque ce fluide diphasique s'écoule dans les canaux de circulation correspondants, il est sujet à une vaporisation de sa fraction initialement liquide, qui permet le refroidissement fluide à refroidir s'écoulant dans les canaux adjacents. manière connue, un tel échangeur à plaques comprend une canalisation d'amenée du fluide diphasique réfrigérant, qui debouche dans une zone collectrice de ce fluide. Cette zone s'étend en regard de l'ensemble des canaux de circula tion c'est-à-dire longitudinalement en faisant réference à la direction principale d'écoulement du fluide réfrigérant, en sortie de la canalisation d'amenée précitée. Les échangeurs de chaleur à plaques évoqués ci-dessus présentent certains inconvénients. En effet, leurs performan ces augmentent de façon à peu près linéaire avec le nombre de plaques qui les équipent, jusqu'à une valeur seuil correspon dant à environ 50 à 60 plaques, à savoir entre 25 et 30 canaux de circulation du fluide réfrigérant et du fluide à refrigé- rer. Au-delà de cette valeur seuil, les performances de l'échangeur ont tendance à stagner, voire à décroître au fur et ' mesure que l'on augmente le nombre de plaques de l'échangeur, et donc sa dimension. Ceci est préjudiciable, dans la mesure où l'échangeur se voit limité dans ses performances. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention se propose réaliser un échangeur de chaleur à plaques dont les performances sont améliorées par rapport à l'art antérieur, continuent en particulier à augmenter au-delà de la valeur seuil de plaques de cet échangeur, dont il est fait mention précédemment. A cet effet, elle a pour objet un échangeur de chaleur a plaques, comprenant plusieurs plaques, logées dans le volume intérieur de l'échangeur et définissant des première et seconde séries de canaux de circulation indépendants, respectivement pour la circulation d'un fluide diphasique réfrigérant et d'un fluide à réfrigérer, ledit échangeur comprenant également une canalisation d'amenée du fluide diphasique réfrigérant débouchant dans une zone collectrice entrée s'étendant en regard desdits premiers canaux, caractérisé en ce que ladite canalisation d'amenée est équipée un distributeur dudit fluide réfrigérant diphasique, ce distributeur comprenant une plaque pourvue de perforations, ladite plaque perforée étant interposée sur le trajet d'écoulement dudit fluide réfrigérant diphasique. Selon d'autres caractéristiques de 1 invention - La plaque perforée comprend une calotte bombée, dont la concavité est tournée vers l'amont, selon la direction d'écoulement du fluide réfrigérant diphasique. - La calotte bombée est sphérique. - Le distributeur est pourvu de moyens d'augmentation de la vitesse d'écoulement du fluide, disposes immédiatement en amont de la plaque. - Les moyens d'augmentation de la vitesse d'écoulement du fluide comprennent une partie centrale pleine de la plaque, autour de laquelle sont ménagées des perforations. - Les moyens d'augmentation de la vitesse d'écoulement du fluide comprennent un organe rapporte solidaire de la plaque. - L'organe rapporté est une pastille disposée au centre de la plaque. - L'organe rapporté est un corps conique dont la base est adjacente à la plaque. - corps conique est pourvu, sur sa surface extérieure, de rainures longitudinales. - organe rapporté est une bille. - L'organe rapporté est formé d'une portion cylindrique adjacente à la plaque et d'une extrémité conique prolongeant la portion cylindrique vers l'amont. - Le distributeur prend appui contre un épaulement de la canalisation, l'épaulement formant butée pour un raccord d'admission du fluide réfrigérant diphasique. - plaque comprend une bordure périphérique plane, d'appui contre l'épaulement. L'invention va être décrite ci-dessous, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples non limitat' et dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe partielle un échangeur de chaleur à plaques conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue de face, illustrant un distributeur de fluide diphasique réfrigérant, équipant l'échangeur de la figure 1 ; - les figures 3 à 6 sont des coupes axiales illustrant trois variantes de réalisation du distributeur de la figure 2 ; - la figure 7 est une vue de face illustrant le distributeur représenté à la figure 6 ; et - les figures 8 et 9 sont des vues en coupe axiale, analogues aux figures 3 à 6, illustrant des quatrième et cinquième variantes de réalisation du distributeur équipant l'échangeur de la figure 1. L'échangeur de chaleur à plaques illustré sur la figure 1, qui est désigné dans son ensemble par la référence 2, renferme plusieurs plaques 6 s'étendant parallèlement, définissent des première 8 et seconde 10 séries de canaux disposés façon alternée. De façon connue, il est prévu moyens permettant d'empêcher la communication entre deux canaux 0 adjacents. Ces moyens, qui peuvent par exemple être réalisés par emboutissage, sont représentés de façon schématique, dans un but de clarté, par des lignes séparation 12. L'échangeur 2 comprend également une canalisation d'amenée 14 d'un fluide diphasique réfrigérant, destiné à s'écouler dans les premiers canaux 8. Cette canalisation 14 est munie d'un épaulement périphérique 16, contre lequel vient en butée un raccord 18 permettant l'alimentation de ce fluide réfrigérant. L'échangeur 2 comprend également, de façon classique, une sortie du fluide réfrigérant, ainsi qu'une entrée et une sortie d'un fluide à refroidir, toutes trois non représentees. Par ailleurs, un distributeur 20 est intercalé entre l'épaulement 16 et l'extrémité en regard du raccord 18. Comme le montre la figure 2, ce distributeur est formé d'une plaque 21 présentant une forme de disque. Cette plaque comprend une partie centrale 22 dans laquelle sont ménagées des perfora tions 24 et autour de laquelle s'étend une bordure 26 plane annulaire, destinée à la fixation de la plaque 20 sur l'épaulement 16. La bordure 26 peut être pleine ou perforée, et peut etre assujettie à l'épaulement 16 par l'intermédiaire d'une fixation mécanique ou par soudure, ou bien encore etre simplement plaquée contre cet épaulement 16, par l'extrémité en regard du raccord 18. Le diamètre de ces perforations varie en fonction de différents paramètres, en particulier de la taille la plaque, débit de fluide réfrigérant et des propriétés physico-chimiques de ce dernier. En tout état de cause, leur diamètre supérieur à 0,1 mm. En service, le fluide réfrigérant diphasique est admis par le raccord 18, via le distributeur 20, dans la canalisa tion d'amenée 14. Puis, ce fluide débouche dans un collecteur, ou zone collecte d'entrée 28, qui s'étend longitudinalement selon la direction d'écoulement de ce fluide. Cette zone de collecte 8 est ainsi disposée en regard de l'ensemble des canaux 8, 10. Le fluide alimente alors la première série de canaux 8, alors qu'un fluide à refroidir est par ailleurs admis dans la seconde série de canaux 10. La figure 3 représente une variante de l'invention, dans laquelle le distributeur 30 est formée d'une plaque 31 qui comprend une partie centrale 32 bombée, formant une calotte sphérique s'étendant en direction du débouché 15 de la canalisation 14. Cette calotte 32, dans laquelle sont ménagées des perforations 34, est entourée par une bordure 36 périphé rique plane permettant la fixation du distributeur 30 contre l'épaulement 16. figures suivantes illustrent des variantes de réalisation de l'invention, dans lesquelles le distributeur est pourvu de moyens permettant d'augmenter la vitesse d'écoulement du fluide diphasique réfrigérant. figure 4, le distributeur 40 est forme d'une plaque 41 qui possède une calotte centrale 42, de même forme que la calotte . Cette calotte 42 est pourvue de perforations 44 s'étendant uniquement à sa périphérie, de façon à former une zone centrale pleine 45. La calotte 42 est par ailleurs entourée d'une bordure 46, analogue à celle 26. figure 5, la calotte 52 de la plaque du distribu teur est percée, sur l'ensemble de sa surface, de perfora tions . I1 est par ailleurs prévu une pastille 55, qui est rapportée à l'intérieur de la calotte 52 suivant une corde de cette dernière. Le distributeur 50 est pourvu une bordure périphérique 56 de fixation contre l'épaulement 16. Le distributeur 60 représenté aux figures 6 et 7 comprend une plaque 61 dont la calotte centrale 62 est munie de perforations 64 sur l'ensemble de sa surface. Ce distributeur 60 est équipé d'un corps conique 65 dont la base 65' est fixée à l'intérieur de la calotte 62, et dont la pointe 6511 est dirigée à l'opposé du débouché 15. Le corps 65 est fixé à la calotte 62 par tout moyen approprié, en particulier par vissage. Le corps conique 65 est pourvu, sur sa surface extérieu re, rainures longitudinales non représentées, s'étendant parallèlement à l'axe de ce corps 65, c'est-à-dire parallèle ment a la direction d'écoulement du fluide diphasique dans la canalisation 14. Ces rainures permettent l'alimentation de la zone située derrière la base du cône, entre ce dernier et la calotte 62. Ce distributeur 60 est pourvu d'une bordure périphérique 66 de fixation. La figure 8 illustre un distributeur 70 comprenant une plaque 71 dont la calotte bombée 72 est pourvue de perfora tions 74. Une bil 75, de rayon de courbure inférieur à celui de la calotte 72 est fixée à l'intérieur de la calotte 72. Cette dernière entourée par une bordure périphérique 76 de fixation. A la figure , le distributeur 80 comprend une plaque 81 dont la calotte bombée 82 est pourvue de perforations 84. Ce distributeur 80 pourvu d'un insert 85, ou organe rapporté, formé d'une partie cylindrique 85' adjacente à la calotte, et d'une extrémité cônique 85" s'étendant vers l'amont, en référence à l'écoulement du fluide. Il est par ailleurs prévu une bordure périphérique 86 de fixation. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. En effet, on peut notamment prévoir de munir une plaque plane, analogue à celle 21, d'un cône 65, d'une bille 75 ou d'un insert tels que décrits aux figures 6 à 9. L'invention permet de réaliser les objectifs précédemment mentionnés. En effet, Demanderesse a constaté que la stagnation, voire la diminution performances d'un échangeur de chaleur à plaques, intervenant au-delà d'une valeur seuil de plaques, était principalement à la séparation entre les phases du fluide réfrigérant, intervenant dans la zone de collecte d'entrée de l'échangeur. Ainsi, lorsque l'échangeur comporte un nombre de plaques inférieur ou égal à cette valeur critique, le fluide diphasi- que reste bien mélangé. En revanche, lorsque cet échangeur est muni d'un plus grand nombre de plaques, il se produit une séparation de phases du fluide réfrigérant, de sorte que les canaux opposés à l'entrée de ce dernier sont mal alimentés, ce qui induit une baisse correspondante du rendement de l'échangeur. Conformément à l'invention, la présence des perforations, dont est pourvu distributeur, génère des turbulences du fluide et donc assure un mélange efficace des deux phases qui le constituent. obtient dans ces conditions une homogénéi sation efficace de ce fluide diphasique le long de la zone de collecte, même dans le cas d'un échangeur pourvu d'un nombre élevé de plaques. Par ailleurs, le distributeur conforme à l'invention assure une bonne répartition du fluide diphasique dans ces différents canaux, en ce sens que chaque canal est non seulement alimenté par un mélange homogène mais , de surcroît, les débits de fluides diphasiques alimentant les différents canaux sont sensiblement identiques. Le distributeur équipant l'échangeur à plaques de 'invention présente une structure simple et génère coûts faibles. De plus, ce distributeur est particulièrement commode emploi, dans la mesure où il peut être rapporte en même temps que le raccord d'alimentation en fluide. De plus, ce distributeur est robuste et induit peu de pertes charges. Enfin, il engendre peu de perturbations de l'écoulement, lors l'inversion de cycles de l'échangeur. Le fait d'équiper le distributeur d'une calotte bombée avantageux. En effet, cette mesure confère une homogénéi sation particulièrement avantageuse du fluide diphasique, avant son admission dans la zone de collecte d'entrée. Prévoir des moyens d'augmentation de la vitesse d'écoule ment du fluide est tout particulièrement avantageux. En effet, ces moyens engendrent des turbulences qui assurent un mélange efficace des deux phases du fluide réfrigérant. En particu lier, la présence d'un corps conique, ou d'une bille favorise l'éclatement du fluide réfrigérant, et sa division en direction des perforations de la plaque. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur (2) à plaques, comprenant plusieurs plaques (6), logées dans le volume intérieur dudit échangeur et définissant des première (8) et seconde (10) series de canaux de circulation indépendants, respectivement pour la circulation d'un fluide diphasique réfrigérant et d'un fluide à réfrigérer, ledit échangeur (2) comprenant également une canalisation d'amenée (14) du fluide diphasique réfrigé rant débouchant dans une zone collectrice d'entrée (28) s'étendant en regard desdits premiers canaux (8), caractérisé en ce que ladite canalisation d'amenée (14) est équipée d'un distributeur (20 ; 40 ; 50 ; 60 ; 70 80) dudit fluide réfrigérant diphasique, ce distributeur comprenant une plaque ( ; 31 ; 41 ; 51 ; 61 ; 71 ; 81) pourvue de perforations (24 ; 34 ; 44 ; 54 ; 64 ; 74 ; 84), ladite plaque perforée étant interposée sur le trajet d'écoulement dudit fluide réfrigérant diphasique. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1 a plaque perforée (31 ; 41 ; 51 ; 61 ; 71 ; 81) comprend une calotte bombée (32 ; 42 ; 52 ; 62 ; 72 ; 82), dont la concavité est tournée vers l'amont, selon la direction écoulement du fluide réfrigérant diphasique. 3. Echangeur selon la revendication 2, caracterisé en ce que la calotte bombée (32 ; 42 ; 52 ; 62 ; 72 ; 82) est sphérique. 4. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit distributeur (40 ; 50 ; 60 ; 70 ; 80) est pourvu de moyens (45 ; 55 ; 65 ; 75 ; 85) d'augmen tation de la vitesse d'écoulement du fluide, disposés immédiatement en amont de ladite plaque (41 ; 51 ; 61 ; 71 ; 5. Echangeur selon la revendication 4, caracterisé en ce que les moyens d'augmentation de la vitesse d'écoulement du fluide comprennent une partie centrale pleine (45) de la plaque (41), autour de laquelle sont ménagées les perforations (44). 6. Echangeur selon la revendication 4, caractéri " en ce les moyens d'augmentation de la vitesse d'écoulement du fluide comprennent un organe rapporté (55 ; 65 ; 85) , idaire de la plaque (51 ; 61 ; 71 ; 81). 7. Echangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce ledit organe rapporté est une pastille (55) disposée au centre de la plaque (51). 8. Echangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit organe rapporté est un corps conique ( dont la base (65') est adjacente à ladite plaque (61). 9. Echangeur selon la revendication 8, caracterisé en ce que le corps conique (65) est pourvu, sur sa surface exterieu- de rainures.longitudinales. 10. Echangeur selon la revendication 6, caracterisé en que ledit organe rapporté est une bille (75). 11. Echangeur selon la revendication 6, caracterisé en que ledit organe rapporté (85) est formé d'une portion indrique (85') adjacente à la plaque (81) d'une extrémité conique (85") prolongeant la portion cylindrique ') vers l'amont. 12. Echangeur selon l'une quelconque des revendications precédentes, caractérisé en ce que le distributeur ; 30 ; 40 ; 50 ; 60 ; 70 ; 80) prend appui contre un épaulement (16) de ladite canalisation (14), ledit épaulement (16) formant butée pour un raccord (18) d'admission du fluide réfrigérant diphasique. 13. Echangeur selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite plaque (21 ; 31 ; 41 ; 51 ; 61 ; 71 ; 81) comprend une bordure (26 ; 36 ; 46 ; 56 ; 66 ; 76 ; 86) périphérique plane, d'appui contre ledit épaulement (16).