Brevet FR2854945A1 — publié le 20041119

La présente invention concerne un échangeur de chaleur à plaques, une plaque d'échange thermique appartenant à un tel échangeur, ainsi qu'une utilisation d'un tel échangeur. De manière habituelle, un tel échangeur est composé de 5 plaques superposées qui, après brasage, soudage ou serrage, forment deux séries de canaux de circulation. Ces derniers permettent respectivement l'écoulement de premier et second fluides, qui peuvent être à l'état monophasique ou diphasique, à leur entrée. Le premier fluide est par exemple un fluide réfrigérant, alors que le second fluide peut être un fluide à refroidir. Il est par ailleurs prévu des moyens mécaniques, qui permettent de rendre indépendantes ces deux séries de canaux, de sorte que les deux fluides précités 15 n'entrent pas en contact mutuel. Un échangeur à plaques comprend également des premier et second collecteurs d'entrée, mis en communication avec des canalisations respectives d'amenée de chaque fluide. Chaque collecteur d'entrée assure l'alimentation d'une série 20 correspondante de canaux. En aval des canaux sont prévus des collecteurs de sortie, dont chacun se trouve en communication avec une canalisation de sortie permettant l'évacuation d'un fluide correspondant. L'invention se propose de réaliser un échangeur à 25 plaques, dont les performances sont améliorées par rapport à l'art antérieur décrit cidessus. A cet effet, elle a pour objet un échangeur de chaleur à plaques, comprenant plusieurs plaques logées dans le volume intérieur de l'échangeur, des premières faces de ces 30 plaques définissant deux à deux des séries de premiers canaux de circulation indépendants, pour la circulation d'un premier fluide, notamment un fluide réfrigérant, alors que des secondes faces de ces plaques définissent deux à deux des séries de seconds canaux de circulation indépendants, 35 pour la circulation d'un second fluide, notamment un fluide à réfrigérer, caractérisé en ce qu'au moins une des deux premières faces en regard, définissant un premier canal correspondant, est rugueuse, de manière à augmenter le coefficient d'échange par ébullition du fluide réfrigérant circulant dans ce premier canal. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - chaque face rugueuse comporte une succession de 5 pores, dont la section est comprise entre 0,1 et 1 mm, de préférence entre 0,2 et 0,5 mm; - ces pores possèdent une épaisseur comprise entre 0,1 et 1 mm, de préférence entre 0,2 et 0,5 mm; deux pores adjacents sont séparés d'une distance 10 comprise entre 0,1 et 1 mm, de préférence entre 0,2 et 0,5 mm; - chaque face rugueuse est pourvue d'un revêtement poreux; - le revêtement poreux est un tissage métallique; - chaque face rugueuse est réalisée d'un seul tenant sur la surface extérieure d'une plaque correspondante. L'invention a également pour objet une plaque d'échange thermique destinée à être utilisée dans l'échangeur tel que 20 défini ci-dessus, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une face rugueuse. L'invention a enfin pour objet une utilisation d'un échangeur de chaleur à plaques tel que défini ci-dessus, caractérisée en ce qu'on fait s'écouler un fluide 25 réfrigérant dans les premiers canaux de circulation, alors qu'on fait s'écouler un fluide à réfrigérer, notamment de l'eau, dans les seconds canaux de circulation. L'invention va être décrite ci-dessous, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples 30 non limitatifs et dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe partielle, illustrant de façon schématique un échangeur de chaleur à plaques conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue de face, illustrant des 35 plaques d'échange thermique appartenant à l'échangeur de la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective, illustrant plusieurs plaques d'échange thermique empilées, appartenant à l'échangeur de la figure 1 - la figure 4 est une vue de face, à plus grande échelle, illustrant une feuille de métal tissée recouvrant l'une des faces des plaques de la figure 3; et - la figure 5 est une vue schématique, illustrant une étape d'un procédé alternatif de fabrication d'une plaque rugueuse d'échange thermique conforme à l'invention, avant emboutissage. L'échangeur de chaleur à plaques illustré sur la figure 10 1, qui est désigné dans son ensemble par la référence 2, renferme plusieurs plaques 4 s'étendant parallèlement, de manière à définir des séries de premiers 8 et seconds 10 canaux, disposés de façon alternée. De façon connue, il est prévu des moyens permettant 15 d'empêcher la communication entre deux canaux 8, 10 adjacents. Ces moyens, qui peuvent par exemple être réalisés par emboutissage, puis brasage ou adjonction d'un joint, sont représentés de façon schématique, dans un but de clarté, par des lignes de séparation 12. L'échangeur 2 comprend également un raccord d'amenée 14 d'un premier fluide, qui est par exemple un fluide réfrigérant, destiné à s'écouler dans les premiers canaux 8. Ce raccord 14 est muni d'un épaulement périphérique 16, contre lequel vient en butée une tubulure 18 permettant 25 l'alimentation de ce fluide réfrigérant. De façon classique, le raccord d'amenée 14 débouche dans une zone de collecte d'entrée, ou collecteur d'entrée 20. Ce dernier, qui s'étend longitudinalement selon la direction d'écoulement du fluide réfrigérant, est ainsi 30 disposé en regard de l'ensemble des canaux 8, 10, en amont de ces derniers selon la direction d'écoulement du fluide réfrigérant. Les canaux 8 sont mis en communication, à l'opposé du collecteur d'entrée 20, avec une zone de collecte de sortie, 35 ou collecteur de sortie 22. Ce dernier, qui s'étend longitudinalement selon la direction d'écoulement du fluide, est disposé en regard des canaux 8, 10, en aval de ceux-ci, de façon symétrique au collecteur d'entrée 20. Le collecteur de sortie 22 est mis en communication avec un raccord d'évacuation 24, ou de sortie, du fluide réfrigérant. Ce raccord 24 est muni d'un épaulement périphérique 26, contre lequel vient en butée une tubulure 28 permettant l'évacuation du fluide réfrigérant. L'échangeur 2 comprend également, de façon connue, des raccords d'amenée et d'évacuation d'un second fluide, qui est par exemple un fluide à refroidir, ainsi que des collecteurs d'entrée et de sortie de ce fluide, disposés de 10 part et d'autre des canaux de circulation 10. Les éléments mécaniques évoqués ci-dessus ne sont pas représentés sur la figure 1. La figure 2 représente, vues de face, deux plaques 41 et 42 appartenant à l'échangeur de chaleur 2. Ces plaques, qui sont de forme rectangulaire, possèdent chacune, de façon classique, quatre ouvertures. Deux de ces ouvertures, affectées de la référence 7a, sont destinées à l'amenée et à l'évacuation du fluide réfrigérant, et se trouvent de ce fait mises en communication avec l'un des 20 premiers canaux 8. Par ailleurs, les deux autres ouvertures, référencées 7b, forment des entrées et sorties du fluide à refroidir, tel que de l'eau. Elles sont ainsi mises en communication avec l'un des seconds canaux 10. Chaque plaque 41, 42 est pourvue de nervures 61, 62, qui forment, vues de face, une succession de chevrons, disposés de façon parallèle les uns aux autres. Les chevrons des plaques sont croisés, en ce sens que les nervures 61 de la plaque 41 possèdent une pointe dirigée vers le bas, alors que 30 les nervures 62 de la plaque 42 adjacente possèdent une pointe dirigée à l'opposé, à savoir vers le haut sur cette figure 2. La figure 3 illustre, vues en perspective, quatre plaques d'échange thermiques empilées appartenant à 35 l'échangeur de chaleur 2. On y retrouve les plaques 41 et 42 décrites précédemment, dont les faces en regard 51 et 52 définissent un canal 8 d'écoulement de fluide réfrigérant. Il est par ailleurs prévu deux plaques supplémentaires 43 et 44, qui définissent, avec les plaques respectives en regard 41 et 42, des canaux 10 de circulation d'un fluide à refroidir. Les faces précitées 51 et 52 sont rugueuses, en ce sens 5 qu'elles sont revêtues d'une couche métallique tissée, désignée dans son ensemble par la référence 100. Comme le montre la figure 4, qui est une vue à plus grande échelle, cette couche tissée 100 comprend une succession de fils 102 définissant des espaces, qui constituent des pores 104, ou 10 cavités. De façon avantageuse, la section s, ou largeur, de ces pores, est comprise entre 0,1 et 1 mm, de préférence entre 0,2 et 0,5 mm. Par ailleurs, la profondeur de ces pores, qui correspond à l'épaisseur des fils métalliques constitutifs 15 du tissage, est comprise entre 0,1 et 1 mm, de préférence entre 0,2 et 0,5 mm. Enfin, la distance d, séparant deux pores adjacents, est comprise entre 0, 1 et 1 mm, de préférence entre 0,2 et 0,5 mm. Dans l'exemple décrit, cette distance d correspond à 20 l'épaisseur du tissage métallique. Cependant, on peut prévoir que cette distance soit différente de l'épaisseur précitée. Il est à remarquer que les différents fils 102 peuvent présenter une section transversale non circulaire, par 25 exemple de forme trapézoïdale, avec notamment la grande base de ce trapèze disposée vers le haut. De la sorte, ceci permet de créer des cavités de type " ré-entrantes ", dont le fond présente des dimensions supérieures à celles de la sortie. Il convient de noter que les faces opposées 61 à 64, appartenant aux plaques 41 à 44, peuvent présenter un aspect lisse, de façon classique. En effet, ces faces définissent les espaces de circulation de fluide à refroidir. En outre, les plaques 43 et 44 possèdent des faces 35 rugueuses 53 et 54, opposées aux canaux 10 de circulation du fluide à refroidir. De telles faces rugueuses définissent, avec des faces rugueuses supplémentaires en regard, non représentées, d'autres canaux de circulation de réfrigérant. La figure 5 illustre une variante de réalisation de l'invention, permettant de s'affranchir d'un revêtement rapporté. Comme le montre cette figure 5, il s'agit de faire 5 passer une bande primaire 30 entre deux cylindres, dont l'un 32 présente une surface lisse, alors que l'autre 34 est pourvue de saillies extérieures. Une fois la bande primaire 30 admise entre ces deux cylindres 32, 34, on obtient alors une bande intermédiaire 36, dont une face 361 est rugueuse, 10 de manière à présenter un profil extérieur analogue à celui des faces 51 et 52, pourvues d'un tissage métallique 100. L'obtention d'une telle surface rugueuse peut cependant être réalisée de façon différente de ce qui a été décrit cidessus. On citera ainsi, à titre non limitatif, une attaque 15 de type chimique ou électrochimique, ou encore le dépôt d'un revêtement poreux rugueux, par exemple moyennant la mise en oeuvre du procédé connu, dit de " schoupage ". Il convient de noter que l'autre face 362 de la bande 36 présente un aspect lisse. La bande intermédiaire 36 se 20 trouve alors dirigée vers une matrice non représentée permettant, de façon classique, de former des plaques ondulées analogues à celles 41 à 44 ci-dessus. A titre de variante supplémentaire, non représentée, on peut former des plaques d'échange thermique conformes à 25 l'invention en utilisant directement une matrice, dont la surface extérieure présente des saillies, de manière analogue au cylindre 34. L'invention permet de réaliser les objectifs précédemment mentionnés. En effet, les performances de l'échangeur de chaleur décrit ci-dessus, à savoir sa puissance transférée P. peut être exprimée de la façon suivante: P = hG * SECH * DT, o hG est le coefficient global d'échange, SECH est la surface 35 d'échange, alors que DT est l'écart logarithmique des températures. Ainsi, pour augmenter la puissance transférée, il est possible d'agir sur les trois paramètres évoqués ci-dessus. Cependant, si l'on se place dans le cas d'un même échangeur et de mêmes conditions de fonctionnement, seul le premier paramètre hG peut être modifié. Or, ce coefficient global d'échange est composé de deux 5 coefficients partiels, à savoir hm, correspondant au fluide monophasique à refroidir, ainsi que hd, correspondant au réfrigérant qui parcourt les canaux à l'état diphasique. Ce coefficient global s'exprime ainsi par l'équation suivante: hG = [1/hm + 1/hd] -1 La Demanderesse a constaté que, dans les échangeurs de chaleur de l'art antérieur, le coefficient global d'échange hg s'élève au plus à 2 000 W/m2/K. Par conséquent, en connaissant les valeurs du 15 coefficient monophasique hm, qui varient entre 8 000 et 10 000 W/m2/K, il est possible d'accéder aux valeurs maximales du coefficient diphasique hd, obtenues dans l'art antérieur, à savoir 2 500 à 3 000 W/m2/K. Dans ces conditions, on conçoit que le coefficient 20 global d'échange se trouve limité par le coefficient diphasique. Dans cet esprit, toute augmentation significative du coefficient global d'échange doit nécessairement être induite par l'augmentation de ce coefficient diphasique. Ce dernier est notamment fonction du coefficient de convection hcoNv, ainsi que du coefficient d'échange en ébullition hNB. Or, conformément à l'invention, prévoir une face rugueuse sur les plaques définissant les canaux d'écoulement du fluide réfrigérant permet d'augmenter 30 sensiblement ce coefficient hNB, selon un facteur pouvant atteindre 3 ou 4. Par ailleurs, cette mesure permet d'augmenter également la valeur de coefficient de convection hcoNv. Par conséquent, grâce à l'invention, le coefficient 35 diphasique hd est sensiblement supérieur aux valeurs obtenues dans l'art antérieur, ce qui entraîne une augmentation correspondante du coefficient global d'échange hg, pouvant atteindre plus de 70%. Ceci permet d'assurer un gain global sur la puissance transférée de l'ordre d'au moins 20 à 30%, ce qui s'accompagne d'une réduction substantielle de la puissance électrique absorbée par le compresseur, associé à l'échangeur à plaques conforme à l'invention. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur (2) à plaques, comprenant 5 plusieurs plaques (41, 42, 43, 44) logées dans le volume intérieur de l'échangeur, des premières faces (51, 52, 53, 54) de ces plaques définissant deux à deux des séries de premiers (8) canaux de circulation indépendants, pour la circulation d'un premier fluide, notamment un fluide 10 réfrigérant, alors que des secondes faces (61, 62, 63, 64) de ces plaques définissent deux à deux des séries de seconds (10) canaux de circulation indépendants, pour la circulation d'un second fluide, notamment un fluide à réfrigérer, caractérisé en ce qu'au moins une des deux premières faces 15 (51, 52, 53, 54) en regard, définissant un premier canal correspondant, est rugueuse, de manière à augmenter le coefficient d'échange par ébullition (hNB) du fluide réfrigérant circulant dans ce premier canal (8). 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce que chaque face rugueuse (51, 52, 53, 54) comporte une succession de pores (104), dont la section (s) est comprise entre 0,1 et 1 mm, de préférence entre 0,2 et 0,5 mm. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, 25 caractérisé en ce que ces pores (104) possèdent une épaisseur comprise entre 0,1 et 1 mm, de préférence entre 0,2 et 0,5 mm. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que deux pores adjacents sont séparés 30 d'une distance (d) comprise entre 0,1 et 1 mm, de préférence entre 0,2 et 0,5 mm. 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque face rugueuse est pourvue d'un revêtement poreux (100). 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le revêtement poreux est un tissage métallique (100). 7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque face rugueuse est réalisée d'un seul tenant sur la surface extérieure d'une plaque correspondante. 8. Plaque d'échange thermique (41, 42, 43, 44) destinée à 5 être utilisée dans l'échangeur de chaleur à plaques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une face rugueuse (51, 52, 53, 54)9. Utilisation d'un échangeur à plaques conforme à 10 l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'on fait s'écouler un fluide réfrigérant dans les premiers canaux de circulation (8), alors qu'on fait s'écouler un fluide à réfrigérer, notamment de l'eau, dans les seconds canaux de circulation (10).