Brevet FR2824895A1 — publié le 20021122

inférieur à la valeur de consigne ( ATc). 1 2824895 La présente invention se rapporte à une ailette ondulée pour échangeur de chaleur à plaques et ailettes. Il existe différents types d'échangeurs de chaleur à plaques et ailettes, adaptés chacun à un domaine d'utilisation. En particulier, l' invention s' applique de façon avantageuse à un échangeur de chaleur d'une unité de séparation d' air par distillation cryogénique. La Figure 1 des dessins annexés représente en perepective, avec des arrachements partiels, un exemple d'un tel échangeur de chaleur, de structure classique, auquel s'applique l'invention. L'échangeur de chaleur 1 représenté 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 6 qui le délimitent en laissant libres des fenêtres 7 d'entrée/sortie du fluide correspondant. Dans chaque passage sont disposées des ondes-entretoises ou ailettes ondulées 8 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. 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 9 d'entrée/sortie de fluides, de forme générale semicylindrique, sont ensuite soudées sur le corps 2 2824895 d'échangeur ainsi réalisé de façon à coiffer les rangées de fenêtres d'entrée/sortie correspondantes, et elles sont reliées à des conduites 10 d'amenée et d'évacuation des fluides. Ces échangeurs posent des problèmes spécifiques dus aux forts déhits de fluides à traiter et à l' importance des échanges thermiques nscessaires pour réaliser des écarts de température très élevés entre l'entrée et la sortie de l'échangeur: - pour réaliser l'échange thermique souhaité et pour traiter d'importants déLits de fluide, les échangeurs de type cryogénique, tels que décrits en référence à la Figure 1, présentent des dimensions importantes (longueur de plusieurs mètres) et peuvent être constitués de plusieurs corps unitaires tels que décrit précédemment. Les volumes de tels échangeurs sont donc très élevés; - les forts débits et de grandes longueur d'échange entraînent des pertes de charge qui se traduisent en haute consommation énergétique au compresseur principal. Pour réduire le volume de l'échangeur et/ou la consommation énergétique de l' installation, les performances de l'onde d' échange mise en place dans l' échangeur en termes de pertes de charge sont fondamentales. Dans ce domaine industriel, on utilise de façon classique des ondesentretoises 8 de type serrated, droites ou droites perforces. L'onde serrated, la plus largement utilisoe, est d'une grande efficacité thermique mais présente des performances en termes de pertes de charge quelque peu pénalisantes. On connaît par ailleurs des échangeurs de chaleur différents utilisés dans l'industrie automobile pour réaliser des évaporateurs de circuit de climatisation. Ces échangeurs, dont les ondes sont réalisées généralement à 3 2824895 partir de feuilles d'aluminium, se distinguent des échangeurs cryogéniques en ce qu'ils sont de petites dimensions, à savoir quelques centimètres, qu'ils sont soumis à peu de contraintes mécaniques puisqu'ils travai l lent à des press ions proches de la pression aLmosphérique, et qu'ils ne sont pas assujettis aux mêmes impératifs en termes de pertes de charge. D'autre part, les ondes des échangeurs de type utilisé dans l'industrie automobile sont fabriquces au moyen de molettes, avec des canaux de section triangulaire et des densités limitées. On utilise notamment dans le domaine automobile des ondes entretoises dites " ondes à persiennes ", telles que représentées sur les Figures 2 et 3. Une telle onde à persiennes possède une direction générale principale d'ondulation D1 définissant un sens général F d'écoulement du fluide. Dans le plan P orthogonal à la direction générale principale d'ondulation D1, l'onde présente une section de forme sinusoïdale étirée en hauteur. La sinusoïde ainsi définie s'étend suivant une direction D2 perpendiculaire à la direction D1, ces deux directions étant supposéss, pour la commodité de la description, horizontales comme cela a été représenté sur la Figure 2. L'onde présente des sommets d'onde 21, définis par les sommets de la sinusoïde, et des bases d'onde 22, définies par les bases de la sinusoïde. Les sommets 21 et les bases 22 relient alternativement des jambes d'onde 23 précentant chacune un plan vertical moyen perpendiculaire à la direction D2. Deux jambes d'onde conséautives 23 définissent entre elles un passage de fluide vis-à-vis du sens général F d'écoulement. Dans chaque jambe d'onde 23, sont découpés une série de volets 25, parallèles entre eux, et inclinés par rapport 4 2824895 au plan vertical moyen et à la direction générale principale d'ondulation D1. Les volets 25 définissent des ouvertures constituant des passages secondaires du fluide, dans une direction principalement traneversale, d'un canal à un canal adjacent. Dans l'exemple de réalisation représenté, l'onde est de forme sinuso dale ou sensiblement sinusoïdale, mais diverses formes d'ondes à persiennes peuvent être envisagées, notamment des ondes de section transversale conformoe en créneaux. Les jambes d'onde sont alors verticales, et les sommets et bases d'onde sont définis par des facettes planes horizontales. En référence à la Figure 3, on va maintenant définir les grandeurs qui caractérisent l'onde à persiennes du type décrit ci-dessus, et qui influent sur ses performances en termes de pertes de charges et en terme d'efficacité thermique. La Figure 3 est une vue schématique en coupe, dans le plan horizontal de symétrie, de l'onde représentée à la Figure 2, seules trois jambes d'onde étant représentées ici. Les lignes désignées par la référence 30 représentent le plan moyen vertical d'une jambe d'onde 23, plan par rapport auquel est défini l' angle d'inclinaison a des volets 25. Le pas de l'onde correspondant à l'écartement de deux plans moyens 30 conséautifs, correspondant à deux jambes d'onde consécutives 23, est désigné par la référence L'épaisseur e des parois de l'onde est supposée constante. De ce fait, la largeur du canal défini par deux jambes d'onde 23 consécutives, prise au niveau du plan de la Figure 3, est égale à w = - e. Le long de l'onde, dans la direction d'ondulation Dl, les volets 25 sont configurés suivant un motif qui se s 2824895 reproduit avec une périodicité géométrique caractérisée par une période H. Ce motif comporte ici deux groupes de six volets inclinés respectivement suivant un angle a positif et un angle a négatif, avec entre ces deux groupes une plage plane 32, 34 orientée suivant la direction D1. Deux jambes d'onde 23 consécutives traneversalement sont identiques, donc constituces d'une même séquence de motifs reproduits périodiquement sans décalage relatif. Sur les plages planes 32, 34, les jambes d'onde correspondantes 23 sont dépourvues d'ouverture. L'ailette définie ci-dessus est de section transversale à ondulation sinusoidale avec une amplitude élevoe par rapport au pas de la sinusoïde, de sorte que les jambes d'onde soient quasiment planes en dehors des régions de sommet et de base. La difficulté essentielle dans la conception de telles ailettes ondulées réside dans l'obtention d'un compromis optimal entre les performances en termes de pertes de charge et celles d'efficacité thermique de l'onde. En effet, on recherche, lorsque l'on réalise de telles ailettes, des effets de turbulence et de remélange du fluide à l'intérieur des canaux de passage, de façon à augmenter l'écart de température local entre le fluide et la paroi, et ainsi favoriser l'échange thermique. Cependant, il est essentiel de maîtriser ces effets de turbulence et de remélange du fluide, afin de limiter les pertes de charge générées par l'ailette. Il est essentiel, notamment dans des installations industrielles, par exemple des installations de séparation d'air par distillation cryogénique, de limiter la consommation d'énergie nécessaire à la mise en mouvement du fluide dans les échangeurs de chaleur. La présente invention se rapporte plus précisément à une ailette ondulée pour échangeur de chaleur cryogénique à plaques, du type à persiennes définissant une direction 6 2824895 générale principale d'ondulation, comprenant un ensemble de jambes d'onde relises alternativement par un sommet d'onde et par une base d'onde, et dans lequel les jambes d'onde sont pourvues de volets découpés dans lesdites jambes d'onde sur tout ou partie de leur hauteur et inclinés d'un angle par rapport à la direction principale d'ondulation, les jambes d'onde présentant une épaisseur e, un écartement transversal moyen par rapport à la direction générale principale d'ondulation, qui définit la largeur d'un canal de passage, et les volets présentant une longueur 15 Le but principal de l' invention est de proposer une géométrie d'ailettes à persiennes du type décrit ci-dessus, permettant de limiter les pertes de charge induites dans l'ailette et d'obtenir une grande qualité d'échange thermique, dans une mesure permettant d'utiliser ce type d'ailettes dans des échangeurs cryogéniques industriels. Une telle ailette est partiellement représentée sur la Figure 4, à plus grande échelle. L' invention repose sur la constatation que certains des paramètres géométriques d'une onde à persiennes décrits plus haut, influent de façon importante sur les performances thermiques et de perte de charge de l'ailette. Le but principal de l' invention est atteint lorsque la longueur 15 des volets 25 est supérieure au pas ou encore à l'écartement transvereal moyen _ augment é de l' épaisseur e, c' est-à-dire lorsque la longueur 15 vérifie la relation suivante: 2 ou encore 15 2 w + e. De préférence, on choisira une longueur ls de volet telle que ls 2 1,1.p, et de préférence encore: ls 2 1,2.. 7 2824895 On peut réaliser ainsi des échangeurs cryogéniques équipés d'ondes d'échange de densités variables répondant aux différents modes de fonctionnement des passages d'un même échangeur, notamment présentant des pressions différentes suivant les passages, ces pressions pouvant atteindre plusieurs dizaines de bars. On peut par exemple réaliser des ailettes de haute densité pour des faibles longueurs de volet, ou alternativement, des ailettes de densité plus faible avec des longueurs de volet plus importantes. L' invention s'applique à tout type de profil, ou de section transversale, et pour des volets découpés sur tout ou partie de la hauteur des jambes d'onde. Suivant un autre aspect de l' invention, des performances optimales d'ailette sont obtenues lorsque l'angle d'inclinaison des volets a est compris strictement entre une valeur minimale amin et une valeur maximale amax positives, définies par les relations suivantes: sin amin = e/ls et tg amax = I La première de ces conditions | a I >amin assure une ouverture _ strictement positive entre deux volets 25A, 25C consécutifs sur une même jambe d'onde, à savoir qu'elle définit une orientation des volets excluant un contact entre le bord de fuite du premier volet 25A avec le bord d'attaque du deuxTème volet 25C. La valeur maximale amaX de l' angle a correspond, quant à elle, à l'angle d'alignement de deux volets 25B, 25C consécutifs de deux jambes d'onde consécutives, et la deuxième condition |a|camax assure une ouverture telle que les passages dans des jambes d'onde consécutives ne sont pas alignés, et génèrent ainsi de la turbulence. 8 2824895 De préférence, on centre certaines ailettes au milieu du passage défini par deux ailettes correspondantes appartenant à une jambe d'onde consécutive, en choisissant un angle d'inclinaison des volets sensiblement égal, en valeur absolue, à un angle 1 défini par la relation tg al = 2.1s Afin d' assurer une circulation optimale du fluide dans les canaux secondairés formés par les volets 25, on choisit un angle d'inclinaison a répondant à la condition > lS.sinlal + e.cos|a|. De plus, cette condition permet d' assurer une fabrication aisce de l'onde et un écartement ec entre deux rangées de volets 25 strictement positif. L' invention vise également un échangeur de chaleur cryogénique à plaques, du type comprenant un empilement de plaques parallèles 2 qui définissent une pluralité de passages 3 à 5 de circulation de fluides de forme générale plate, des barres de fermeture 6 qui délimitent ces passages, et des ailettes ondulées 8 disposéss dans les passages, caractérisé en ce qu'au moins une partie des ailettes ondulées 8 sont du type décrit précédemment. 9 2824895 REVEND I CAT I ONS 1. Ailette ondulée pour échangeur de chaleur à plaques et ailettes d'une unité de séparation d' air par distillation cryogénique, du type à persiennes définissant une direction générale principale d'ondulation (D1) , comprenant un ensemble de jambes d'onde (23) reliées alternativement par un sommet d'onde (21) et par une base d'onde (22), et dans lequel les jambes d'onde (23) sont pourvues de volets (25) découpés dans lesdites jambes d'onde (23) sur tout ou partie de leur hauteur et inclinés d'un angle (a) par rapport à la direction principale d'ondulation (D1), les jambes d'onde (23) présentant une épaisseur (e), un écartement transvereal moyen (w) par rapport à la direction générale principale d'ondulation (D1), qui définit la largeur d'un canal de passage et un pas (), et les volets présentant une longueur (ls)' caractérisée en ce que la longueur (ls) des volets (25) est supérieure au pas (). 2. Ailette ondulée suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur (ls) des volets vérifie la relation suivante: ls 2 1,1.. 3. Ailette ondulée suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la longueur (ls) des volets vérifie la relation suivante: ls 2 1,2.. 4. Ailette ondulée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'àngle d'inclinaison des volets (a) est. en valeur absolue, compris strictement entre une valeur minimale (amin) et une valeur maximale (amaX) positives, définies par les relations suivantes: sin amin = e/ls et tg (>nax = I s 5. Ailette ondulée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisoe en ce que l' angle d'inclinaison (a) des volets (25) est sensiblement égal, en valeur absolue, à un angle (a1) défini par la relation: tg al 2.ls 6. Ailette ondulée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'angle d'inclinaison (a) des volets (25) répond à la condition 2 15.sinlal + e. cos|a| 7. Echangeur de chaleur à plaques et ailettes d'une unité de séparation d' air par distillation cryogénique, du type comprenant un empilement de plaques parallèles (2) qui déLinissent une pluralité de passages (3 à 5) de circulation de fluides de forme générale plate, des barres de fermeture (6) qui délimitent ces passages, et des ailettes ondulées (8) disposées dans les passages, caractérisé en ce qu'au moins une partie des ailettes onduléss (8) sont conformes à