Brevet FR2811747A1 — publié le 20020118

La présente invention est relative à une ailette d'échange thermique pour échangeur de chaleur à plaques brasées, du type comprenant un produit ondulé éventuellement perforé et/ou crevé et/ou embouti qui présente une direction principale d'ondulation et qui est délimité par deux bords latéraux. L'invention s'applique par exemple aux lignes d'échange thermique principales des installations de distillation d'air, qui mettent en relation d'échange thermique indirect l'air entrant et les produits froids issus de la colonne de distillation d'air. Les échangeurs de chaleur à plaques brasées sont couramment utilisés car ils offrent une grande surface d'échange thermique sous un volume particulièrement compact, et, de plus, ils sont relativement faciles à fabriquer. Ces échangeurs, souvent réalisés en aluminium ou en alliage d'aluminium, sont constitués d'une pluralité de plaques parallèles, généralement rectangulaires, entre lesquelles sont disposées d'une part des ondesentretoises ou ailettes de géométries variées, et d'autre part de barres de fermeture des passages d'écoulement de fluide de forme plate délimités par les plaques. Les écoulements peuvent être à contre-courant, à co-courant ou à courants croisés. Les ailettes ont pour fonction d'augmenter la surface d'échange thermique et donc les performances globales de transfert de chaleur. Elles transfèrent en effet des flux thermiques par conduction jusqu'aux plaques adjacentes, dont elles sont solidaires par brasage. Les ailettes sont réalisées de façon très économique à partir d'un produit plat plié, perforé, crevé et/ou embouti. L'onde de base peut avoir une section transversale sensiblement carrée, rectangulaire ou triangulaire. On connaît essentiellement les ailettes dites " ondes droites ", qui sont une simple tôle ondulée, " ondes perforées ", " ondes herringbone ", à génératrices ondulées, " ondes à persiennes ", dont les jambes d'onde possèdent des crevés, et " ondes serrated ", ou " à décalage partiel ", dans lesquelles, à intervalles réguliers le long des génératrices, on produit un décalage transversal de l'onde, généralement d'un demi-pas d'onde. Dans toutes ces ailettes connues, la direction principale d'ondulation, qui est la direction moyenne d'ondulation dans le cas des ondes herringbone, définit la direction de moindre résistance à l'écoulement du fluide. Dans chaque passage de l'échangeur, une partie principale de la longueur du passage constitue la partie d'échange de chaleur proprement dite, qui est garnie d'une ailette dite ailette d'échange de chaleur. Dans certains cas, cette partie est bordée de parties de distribution d'entrée et de sortie de fluide garnies d'ailettes de distribution. La partie d'échange de chaleur est délimitée par deux barres de fermeture latérales parallèles à deux côtés opposés des plaques, et la direction principale d'ondulation de l'ailette d'échange de chaleur est parallèle à ces barres de fermeture, à l'exception parfois de régions limitées o cette direction principale est perpendiculaire aux barres de fermeture latérales (disposition dite en " hard-way ") pour créer une perte de charge locale. Dans ce qui suit, on fera abstraction des ailettes en hard-way. Dans les parties de distribution, les ailettes ont une direction générale d'ondulation très inclinée par rapport à celle des ailettes d'échange thermique. L'invention a pour but d'augmenter la compacité des échangeurs à plaques brasées par une amélioration de leurs performances thermiques. A cet effet, l'invention a pour objet une ailette d'échange thermique du type précité, caractérisée en ce que la direction principale d'ondulation est oblique par rapport aux deux bords latéraux. L'ailette suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - l'ailette présente une direction générale de moindre résistance à l'écoulement d'un fluide qui est sensiblement parallèle aux deux bords latéraux; - l'ailette comporte sur ses jambes d'onde des conformations qui favorisent un déplacement du fluide transversalement à la direction générale de moindre résistance à l'écoulement; - l'ailette comporte sur ses jambes d'onde des conformations de création de turbulences dans le fluide; - les conformations sont constituées par des ouïes prévues sur le côté des jambes d'onde qui reçoit l'écoulement du fluide et ouvertes vers l'amont de cet écoulement; - les conformations sont constituées par des plaquettes en saillie sur le côté des jambes d'onde qui reçoit l'écoulement du fluide; - les plaquettes sont prévues sur le bord d'attaque des jambes d'onde; et - les conformations sont constituées par des échancrures des bords d'attaque et/ou des bords de fuite des jambes d'onde agencées sur les lignes de décalage de l'ailette de façon à augmenter la section de passage du fluide dans une direction qui, par rapport à la direction principale d'ondulation, se rapproche de la direction desdits bords latéraux. L'invention a également pour objet un échangeur de chaleur à plaques brasées, du type comprenant une pluralité de plaques rectangulaires parallèles qui définissent entre elles des passages de forme générale plate, et, dans chaque passage, au moins une ailette d'échange thermique formant entretoise entre les plaques, ainsi que des barres de fermeture latérales, et dans lequel au moins une ailette d'échange thermique est telle que définie ci-dessus. Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 représente en perspective, avec arrachements partiels, un échangeur de chaleur à plaques brasées suivant l'invention; - la Figure 2 représente un passage de cet échangeur de chaleur; - la Figure 3 représente en perspective une partie d'une ailette suivant l'invention; la Figure 4 représente la même ailette, prise en coupe suivant le plan médian IV de la Figure 3; - les Figures 5 et 7 représentent en perspective deux autres modes de réalisation de l'ailette de l'invention; et - les Figures 6 et 8 représentent respectivement les ailettes des Figures 5 et 7 en coupe suivant les plans médians VI de la Figure 5 et VIII de la Figure 7. L'échangeur de chaleur 1 représenté à la Figure 1 est par exemple un échangeur de chaleur cryogénique. Il est constitué d'un empilement de plaques rectangulaires parallèles 2 toutes identiques, qui définissent entre elles une pluralité de passages pour des fluides à mettre en relation d'échange thermique indirect. Dans l'exemple représenté, ces passages sont successivement et cycliquement des passages 3 pour un premier fluide, 4 pour un deuxième fluide et 5 pour un troisième fluide. Chaque passage 3 à 5 est bordé de barres de fermeture latérales 6 et d'extrémité 7 qui le délimitent en laissant libres des fenêtres 8 d'entrée/sortie du fluide correspondant. Dans chaque passage sont disposées des ondes- entretoises ou ailettes ondulées servant à la fois d'ailettes thermiques, d'entretoises entre les plaques, notamment lors du brasage et pour éviter toute déformation des plaques lors de la mise en oeuvre de fluides sous pression, et de guidage des écoulements de fluides. Ces ailettes sont, sur l'essentiel de la longueur du passage, des ailettes 9 d'échange thermique. Dans leurs régions adjacentes aux fenêtres, ces ailettes 9 sont prolongées par des ailettes de distribution 10. Celles-ci répartissent le fluide entrant d'une fenêtre d'entrée jusque sur toute la largeur de l'ailette 9, ou rassemblent le fluide sortant de toute cette largeur jusqu'à une fenêtre de sortie. L'empilement des plaques, des barres de fermeture et des ondesentretoises est généralement réalisé en aluminium ou en alliage d'aluminium et est assemblé en une seule opération par brasage au four. Des boîtes 11 d'entrée/sortie de fluides, de forme générale semicylindrique, sont ensuite soudées sur le corps d'échangeur ainsi réalisé de façon à coiffer les rangées de fenêtres d'entrée/sortie 8 correspondantes, et elles sont reliées à des conduites 12 d'amenée et d'évacuation des fluides. On a représenté schématiquement sur la Figure 2, l'un des passages du même échangeur, à savoir un passage 3. L'ailette 9 d'échange thermique a une direction principale d'ondulation F1 qui forme un angle aigu positif a, typiquement compris entre 1 et 30 , et de préférence compris entre 2 et 10 , avec la direction longitudinale F2 du passage, qui est celle des barres latérales de fermeture 6. Cependant l'agencement de l'ailette 9 est tel que la direction générale de moindre résistance à l'écoulement dans le passage reste sensiblement la direction F2. On reconnaît par ailleurs sur la Figure 2 les deux ailettes 10 de distribution, adjacentes aux fenêtres d'entrée/sortie 8 du passage. L'angle P que font les ondulations de ces ailettes de distribution avec la direction F2 est très supérieur à l'angle a, et typiquement voisin de 75 , et leur direction générale de moindre résistance à l'écoulement est leur direction principale d'ondulation, afin qu'elles puissent remplir leur fonction distributrice. L'ailette 9 est réalisée à partir d'un matériau en feuille plié dont la direction longitudinale est perpendiculaire à Fl. Ce matériau est, après pliage, coupé à longueur suivant deux lignes 13 parallèles à la direction F2, ce qui conduit à plusieurs tapis d'onde 14, au nombre de trois sur la Figure 2, en forme de parallélogramme (pour le ou les tapis intermédiaires) ou de trapèze rectangle ou de triangle rectangle (pour les deux tapis d'extrémité). Les Figures 3 à 8 représentent trois modes de réalisation différents de l'ailette 9. Dans le mode de réalisation des Figures 3 et 4, l'ailette comporte une ondulation à section rectangulaire, avec des bases d'ondes 15 et des sommets d'onde 16 reliées par des jambes d'onde 17. Chaque jambe 17 est pourvue, à intervalles réguliers, d'ouies 18 repoussées du côté de la jambe qui reçoit le flux de fluide (le côté gauche sur les Figures 3 et 4) et qui sont ouvertes vers l'amont de ce flux. Ainsi, comme représenté par des flèches sur la Figure 4, une veine de fluide guidée suivant la direction F1 entre deux jambes 17 est partiellement déviée transversalement à cette direction par l'ouïe 18. Ainsi, globalement, la direction de moindre résistance à l'écoulement de l'ailette 9 est sensiblement la direction F2, lorsque l'on choisit de façon appropriée la forme et les dimensions des ouïes 18. De plus, l'inclinaison F1 et les ouïes 18 confèrent à l'écoulement une configuration bi-dimensionnelle et turbulente qui favorise l'efficacité de l'échange thermique. Dans le mode de réalisation des Figures 5 et 6, l'ailette 9 est du type " serrated ". Elle comporte ainsi, à un intervalle régulier le long de la direction F1 appelé " longueur de serration " 1, un décalage latéral d, alternativement d'un côté et de l'autre, qui est généralement égal à la moitié de la distance qui sépare deux jambes 17, appelée " pas de serration " p. L'ailette comporte de cette manière des plans de décalage parallèles P qui, en vue de dessus (Figure 4), sont des lignes de décalage parallèles 19. Chaque jambe élémentaire 17 a son bord d'attaque replié à angle droit sur toute sa hauteur, ce qui définit une plaquette de déviation 20. Toutes les plaquettes 20 sont orientées du même côté, à savoir du côté des jambes 17 qui reçoit l'écoulement de fluide. Les plaquettes 20 ont pour effet de réduire la section de passage du fluide du côté o elles sont prévues et à augmenter cette section de passage du côté opposé. Ainsi, comme on le voit sur la Figure 6, chaque veine de fluide guidée entre deux jambes 17 voit son écoulement favorisé dans une direction voisine de F2, voire oblique dans le sens opposé à F1 par rapport à F2. Compte-tenu des turbulences générées dans le fluide, l'ailette 9 a globalement, comme précédemment, une direction de moindre résistance à l'écoulement voisine de F2, moyennant un choix approprié des paramètres de l'ailette et de la dimension des plaquettes 20. Le mode de réalisation des Figures 7 et 8 diffère du précédent par la suppression des plaquettes 20 et par la présence d'échancrures 21 sur toute la hauteur de certains bords d'attaque et de certains bords de fuite des jambes 17. Plus précisément: - sur une rangée sur deux de jambes 17, celles-ci comportent alternativement une échancrure à la fois sur leur bord d'attaque et sur leur bord de fuite, et aucune échancrure; - sur les autres rangées, les jambes 17 comportent alternativement une échancrure 21 sur leur bord d'attaque et une échancrure sur leur bord de fuite. L'effet résultant est sensiblement le même que celui décrit plus haut en regard des Figures 5 et 6. REVENDICATIONS 1. Ailette d'échange thermique pour échangeur de chaleur à plaques brasées, du type comprenant un produit ondulé éventuellement perforé et/ou crevé et/ou embouti qui présente une direction principale d'ondulation (F1) et qui est délimité par deux bords latéraux (13), caractérisée en ce que la direction principale d'ondulation (F1) est oblique par rapport aux deux bords latéraux (11). 2. Ailette suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle présente une direction générale (F2) de moindre résistance à l'écoulement d'un fluide qui est sensiblement parallèle aux deux bords latéraux (13). 3. Ailette suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte sur ses jambes d'onde (17) des conformations (18; 20; 21) qui favorisent un déplacement du fluide transversalement à la direction générale de moindre résistance à l'écoulement (F2). 4. Ailette suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte sur ses jambes d'onde (17) des conformations (18; 20; 21) de création de turbulences dans le fluide. 5. Ailette suivant la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que les conformations (18) sont constituées par des ouïes prévues sur le côté des jambes d'onde (17) qui reçoit l'écoulement du fluide et ouvertes vers l'amont de cet écoulement. 6. Ailette suivant la revendication 3 ou 4, du type serrated, caractérisée en ce que les conformations sont constituées par des plaquettes (20) en saillie sur le côté des jambes d'onde (17) qui reçoit l'écoulement du fluide. 7. Ailette suivant la revendication 6, caractérisée en ce que les plaquettes (20) sont prévues sur le bord d'attaque des jambes d'onde (15). 8. Ailette suivant la revendication 3 ou 4, du type serrated, caractérisée en ce que les conformations sont constituées par des échancrures (21) des bords d'attaque et/ou des bords de fuite des jambes d'onde (15) agencées sur les lignes de décalage (19) de l'ailette (9) de façon à augmenter la section de passage du fluide dans une direction qui, par rapport à la direction principale d'ondulation (F1), se rapproche de la direction (F2) desdits bords latéraux (13). 9. Echangeur de chaleur à plaques brasées, du type comprenant une pluralité de plaques rectangulaires parallèles (2) qui définissent entre elles des passages (3, 4,5) de forme générale plate, et, dans chaque passage, au moins une ailette d'échange thermique (9) formant entretoise entre les plaques, ainsi que des barres de fermeture latérales (6), caractérisé en ce qu'au moins une ailette d'échange thermique (9) est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Echangeur de chaleur suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il constitue une ligne d'échange thermique principale d'une installation de distillation d'air.