Brevet FR2895493A1 — publié le 20070629

La présente invention concerne de nouvelles ondes d'échange de chaleur et leurs applications. La technique des échangeurs à plaques et ailettes brasés (EPAB) est couramment utilisée afin d'offrir une grande surface d'échange dans un organe très compact. Les EPAB sont constitués d'un empilage de tôles gaufrées, appelées les "ondes", séparées par des tôles planes dites "tôles de séparation" et fermés sur les côtés par des barres. L'ensemble constitue une couche de passage du fluide. Ces échangeurs sont ainsi constitués de plusieurs plaques superposées entre lesquelles sont insérées des ondes d'échange de chaleur ou ailettes d'échange de chaleur, dont la géométrie est particulièrement variée. Ces éléments constitutifs de l'échangeur sont généralement en aluminium. Le montage s'effectue par brasage au bain de sel ou sous vide. Chaque fluide s'écoule dans l'espace compris entre deux tôles de séparation adjacentes, appelé passage. Les écoulements peuvent être à contre-courant, co-courant ou à courants croisés. L'intérêt de ces échangeurs est d'offrir une grande surface d'échange, dans un volume assez réduit. Ce sont des échangeurs très compacts. Un corps d'échangeur peut être constitué d'un grand nombre (plus d'une centaine) de couches solidaires. Pour les procédés à grande échelle, il est fréquent que l'échangeur soit composé d'un ou plusieurs corps parallèles montés en batteries. Les ondes insérées entre les plaques ont pour fonction d'augmenter la surface d'échange et d'accroître ainsi les performances globales de transfert : solidaires de la surface primaire par brasage, elles transfèrent du flux thermique par conduction. La surface des tôles de séparation en contact direct avec le fluide est la surface primaire et la surface secondaire constituée par les ondes de transfert, représente environ 50% à 90% de la surface d'échange totale. Les ondes jouent un double rôle dans les EPAB. En plus de fournir la majeure partie de la surface d'échange thermique, les ondes brasées assurent la tenue mécanique de l'ensemble de l'échangeur. Les ondes d'échange à base de produit plat plié, perforé, crevé ou embouti ont donné lieu à un grand nombre de variantes. On peut citer l'onde droite, qui est une simple plaque de métal gaufrée de forme généralement crénelée, l'onde perforée, qui est une onde droite réalisée avec des bandes (plaques) perforées, et l'onde à serration ( serrated ). L'onde à serration se caractérise par une forme d'ondes telle que les jambes des ondes sont perpendiculaires aux tôles de séparation et par un décalage des bandes d'ondes à intervalles réguliers. Le choix du type d'onde à utiliser dans un échangeur dépend de l'échange thermique requis et des pertes de charge maximales admises. Cependant, une onde qui a de bonnes performances thermiques génère souvent de fortes pertes de charges ; la meilleure solution passe donc en général par un compromis entre ces deux grandeurs. L'onde la plus souvent utilisée est l'onde à serration. Sa fabrication est largement répandue et bien maîtrisée : elle est réalisée par pliage et emboutissage de tôles généralement d'aluminium grâce à des outils appropriés. En gardant tous les autres paramètres constants, on constate que l'augmentation de la fréquence des décalages améliore les performances 20 thermiques tout en induisant de plus grandes pertes de charge. En y incluant le cas extrême de l'onde droite, la famille des ondes à serration de même densité est un bon exemple du compromis à trouver entre performances thermiques et pertes de charge. Le motif de l'onde à serration est représenté ci-après sur les 25 figures. Au niveau de chaque ligne de décalage, l'épaisseur des ondes crée une restriction pour le passage du fluide. D'autre part, le bord des ailettes crée un point d'arrêt pour le fluide. Ces deux effets combinés augmentent la perte de charge dans les ondes, d'autant plus que les décalages sont 30 fréquents. FR-A-2807828 propose une amélioration de ces ondes qui consiste à enlever de la matière sur une faible longueur au début de la serration: La perte de charge est alors plus faible et l'échange thermique peu dégradé. Il serait cependant souhaitable de disposer d'échangeurs à plaques ou ailettes brasées disposant ayant un coefficient d'échange amélioré par rapport aux ondes à serrations. Par ailleurs, EP-A-1123763 décrit des ondes à serration dans lesquelles les jambes des ondes sont inclinées par rapport aux tôles de séparation et la longueur de chaque partie de connexion dans la direction longitudinale de chaque bande d'ondes est inférieure ou égale à l'épaisseur de la plaque formant ladite bande pour minimiser la longueur de connexion entre bandes adjacentes. Or après de longues recherches la demanderesse a découvert qu'en modifiant l'inclinaison des jambes des ondes d'une géométrie classique à serration, on obtenait des ondes permettant de faire participer tout le fluide à l'échange thermique, sans laisser de zone plus faiblement mélangée et présentant un gain de surface pour les faibles densités d'ondes. C'est pourquoi la présente demande a pour objet une bande d'ondes pour EPAB du type à serration comportant une série de zones destinées à être brasées sur une première tôle de séparation, une série de zones destinées à être brasées sur une seconde tôle de séparation, adjacente à la première tôle de séparation, et une série de jambes, lesdites jambes formant des ailettes, caractérisée en ce qu'au moins une des jambes d'une onde au moins est inclinée sans être perpendiculaire aux tôles de séparation et en ce qu'au moins une des jambes comporte au moins une portion perpendiculaire aux tôles de séparation. Dans la présente demande et dans ce qui suit, les angles indiqués sont ceux formés par une jambe vue en coupe transversale par rapport à la direction de circulation prévue pour un fluide. Par convention l'angle nul est la direction des tôles de séparation, représentée horizontalement sur les figures ci-après. La nature des modifications est indiquée en prenant comme référence la forme rectangulaire conventionnelle d'une onde à serration vue en coupe transversale par rapport à la direction de circulation prévue pour un fluide, et les formes, sauf indication contraire sont indiquées en prenant comme point de vue la direction de circulation prévue pour un fluide et en conséquence en observant la coupe transversalement à cette direction de circulation. On appelle "onde" la partie d'une bande d'onde, analogue à la notion de "longueur d'onde" en physique. Dans des conditions préférentielles de mise en oeuvre de l'invention, au moins une des jambes d'une onde est inclinée selon un angle de 43 à 80 avantageusement de 45 à 75 de préférence de 50 à 75 notamment de 60 à 75 , tout particulièrement de 60 à 70 . Ainsi, la forme conventionnelle rectangulaire d'une onde et de préférence de chaque onde est modifiée pour former un trapèze avec un angle droit. Ce type de modification est appelé type 1. Une partie des ondes seulement peut avoir une de ses jambes qui est inclinée, mais de préférence au moins 20 %, notamment au moins 40 %, tout particulièrement au moins 60 % des ondes. Très avantageusement, toutes les ondes d'une bande d'ondes ont une de leurs jambes qui est inclinée. De préférence une seule des jambes d'une onde est inclinée, notamment toujours celle située du même côté de l'onde (gauche ou droit) d'une 15 bande d'ondes. Dans d'autres conditions préférentielles de mise en oeuvre de l'invention, la jambe inclinée d'une onde comporte un pliage supplémentaire. Ce type de modification, représenté ci-après est appelé type 2. Avantageusement, ce pliage supplémentaire n'est pas réalisé parallèlement à la direction générale de 20 pliage des plaques formant les ondes, qui est la direction générale de circulation prévue pour un fluide. On crée ainsi une génération de vortex dans la partie inclinée de l'onde, qui améliore le transfert thermique. Ce pliage permet de créer un écoulement en 3 dimensions. Dans encore d'autres conditions préférentielles de mise en oeuvre 25 de l'invention, un pliage vers l'extérieur est prévu sur une jambe verticale pour former une portion inclinée comme représenté sur les figures ci-après. Ce type de modification est appelé type 3. De préférence, on combine sur une même onde une jambe inclinée et une jambe verticale comportant une zone inclinée. Dans toujours d'autres conditions préférentielles de mise en 30 oeuvre de l'invention, des pliages sont prévus sur une jambe pour constituer au moins une marche d'escalier. Ce type de modification est appelé type 4. De préférence, on combine sur une même onde une jambe inclinée et une jambe pliée pour constituer une marche d'escalier. Les différents pliages ci-dessus peuvent avantageusement être combinés entre eux sur une même onde ou sur les ondes d'une même bande d'ondes. Les motifs proposés permettent avantageusement une jonction entre les serrations successives afin de former un tapis d'onde à partir par pliage d'une tôle plane et pouvant être installé facilement dans un échangeur. Dans toujours d'autres conditions préférentielles de mise en oeuvre de l'invention, les zones d'une onde destinées à être brasées sur une première tôle de séparation et les zones destinées à être brasées sur une seconde tôle de séparation sont parallèles entre elles, notamment lorsqu'elles sont brasées sur leurs plaques ou tôles de séparation. Dans toujours d'autres conditions préférentielles de mise en oeuvre de l'invention, des fenêtres sont prévues dans les côtés des ondes selon le même principe que les ondes à serration classiques fenêtrées. Ces nouvelles ondes et bandes d'ondes peuvent être fabriquées à partir de produits plats, par pliage comme l'onde à serration classique, en modifiant les profils des outils habituels. Les découpes et pliages peuvent être réalisés dans le même sens qu'avec l'outil pour fabrication d'ondes à serration classiques, la forme des règles de pliage étant différente. Les ondes et bandes d'ondes objet de la présente invention possèdent de très intéressantes propriétés et qualités. Rappelons que l'onde à serration se caractérise notamment par un décalage des ondes à intervalles réguliers. Les inclinaisons des jambes varient périodiquement entre les serrations, de façon à changer périodiquement la direction du bord d'attaque. Les bords d'attaques peuvent être verticaux, horizontaux ou inclinés. La solution proposée par l'invention, compte tenu du changement périodique de la direction des bords d'attaque au niveau de chaque bande d'ondes permet de faire participer tout le fluide à l'échange thermique, sans laisser de zone plus faiblement mélangée. Elle permet également de rendre plus efficace la serration dans le cas d'écoulement où le recollement n'a pas le temps de se faire entre 2 serrations : on recoupe ici l'écoulement (et on crée de la turbulence) dans un autre plan. 10 15 20 25 30 Ces nouvelles ondes présentent un gain de surface pour les faibles densités. La surface de brasage est alors réduite par rapport à l'onde à serrations. Ces ondes présentent donc un intérêt particulier pour des passages moyenne ou basse pression pour lesquels on cherche à réduire la perte de charge (où on utilise habituellement des ondes à serrations hautes et peu denses). Ces propriétés sont illustrées ci-après dans la partie expérimentale. Elles justifient l'utilisation des ondes et bandes d'ondes ci-dessus décrites, dans la fabrication d'échangeurs à plaques ou ailettes brasées (EPAB). Elles trouvent des applications en condensation ou en distribution, où ses caractéristiques de faibles pertes de charge peuvent être les facteurs importants. Elles trouvent une grande utilisation pour les fluides di-phasiques en évaporation, ou condensation. C'est pourquoi la présente demande a aussi pour objet un dispositif comprenant au moins deux plaques ou tôles de séparation parallèles entre lesquelles sont installées des bandes d'ondes comportant des ondes telles que définies ci-dessus, notamment un échangeur à plaques ou ailettes brasées comportant des ondes telles que définies ci-dessus. Entre deux tôles de séparation parallèles, lorsque par exemple la forme conventionnelle de chaque serration est déformée pour former un trapèze comprenant un angle droit, à chaque serration, le motif peut être inversé et décalé. Ainsi le fluide aborde au cours de son déplacement des bords d'attaque inclinés successivement à droite et à gauche. Les conditions préférentielles de mise en oeuvre des ondes ci-dessus décrites s'appliquent également aux autres objets de l'invention visés ci-dessus, notamment aux bandes d'ondes, aux dispositifs comprenant au moins deux plaques parallèles entre lesquelles sont installées des bandes d'ondes et aux échangeurs à plaques ou ailettes brasées telles que définies ci-dessus. L'invention sera mieux comprise si l'on se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une vue en perspective, partiellement en coupe et éclatée, d'un échangeur à plaques brasées (EPAB) conventionnel ; - la figure 2 représente une vue en coupe de trois motifs successifs d'ondes à serration classique ; - la figure 3 représente les bords d'attaque rencontrés dans la direction de la circulation d'un fluide dans un échangeur muni d'ondes à 5 serrations classiques ; - la figure 4 représente une vue en coupe de six motifs d'ondes successifs selon la présente invention, dans lesquelles la jambe de gauche ou la jambe de droite de chaque onde est inclinée de telle sorte que chaque onde a une forme de trapèze rectangle ; 10 - la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 3, mais dans le cas des bandes d'ondes de la figure 4 ; - la figure 6 est une vue en perspective de la série de motifs d'ondes de la figure 4 ; - la figure 7 représente une variante d'une onde de la figure 4, 15 5 ou 6, dans laquelle la jambe inclinée de l'onde comporte un pliage supplémentaire pour créer un effet vortex ; - la figure 8 représente une série de 9 bandes d'ondes comprenant des ondes trapézoïdales avec un angle droit, et des ondes de ce même type mais comportant en outre un profil en marches d'escalier ; la même 20 séquence est reprise après la huitième bande. - la figure 9 représente une vue analogue à celles des figures 3 ou 5, mais mettant en oeuvre la succession de motifs d'ondes de la figure 8 ; et enfin, - la figure 10 représente également une série de 7 motifs 25 d'ondes, toutes selon la présente invention. Sur la figure 1, on distingue toute une série de tôles de séparation 1 planes et parallèles, délimitant des niveaux superposés de passage de fluides. Entre chaque paire de tôles de séparation 1 adjacentes, on trouve des bandes d'ondes d'échange 2 brasées aux tôles de séparation 1. De manière 30 générale, toute une série de barres 3 installées sur le pourtour de l'échangeur, et généralement brasées aux tôles, assurent l'étanchéité de l'ensemble. Le système de tuyauteries 4 comportant des boites cylindriques de distribution, et la conception de l'ensemble sont réalisés pour qu'au moins 2 fluides puissent circuler de telle sorte que chaque fluide circule à des niveaux différents. La figure 2 montre la forme d'une onde à serration conventionnelle, ainsi que le décalage latéral des motifs d'ondes successifs. Les surfaces supérieure 11 et inférieure 12 d'une bande d'ondes sont brasées sur des tôles de séparation 1 supérieure et inférieure non représentées. On peut observer la forme générale rectangulaire en coupe transversale de l'onde à serration classique, ainsi que sur la figure 3, la succession des bords d'attaque rencontrés par un fluide lors de sa circulation. Chaque onde comporte également deux surfaces latérales 13 et 14 perpendiculaires aux tôles de séparation 1. Les jambes 13 et 14 des ondes sont perpendiculaires aux tôles de séparation 1 et les bandes d'ondes sont décalées à intervalles réguliers. La figure 4 représente le profil modifié des ondes selon l'invention dénommées ondes de type 1. Celles-ci ont perdu leur forme rectangulaire, qui a été modifiée pour devenir une forme trapézoïdale avec des angles droits. Sur la bande représentée à la partie supérieure du dessin, on observe que la jambe droite 14 est inclinée d'un angle a (alpha) à 45 par rapport à la surface des tôles de séparation 1 non représentées. L'angle de 45 correspond à l'angle d'ouverture d'une jambe, par rapport à la forme conventionnelle, rectangulaire, d'une onde à serration classique. La jambe gauche est dans sa totalité perpendiculaire aux tôles de séparation (angle a (alpha) égal à 90 ). On observe que pour des bandes d'ondes successives, alternativement la jambe gauche puis la jambe droite est inclinée pour former, en coupe transversale, un trapèze. La figure 6 est une vue en perspective d'un tel enchaînement, dans laquelle la bande d'onde représentée en premier plan correspond à celle 25 représentée en haut de la figure 4, et successivement. Sur la figure 5, on peut observer que lorsque le fluide s'écoule entre deux plaques séparatrices munies d'une telle succession de bandes d'ondes, les bords d'attaque sont non seulement perpendiculaires, comme dans les bandes d'ondes à serration classique, mais également inclinés dans le 30 modèle représenté à 45 . Une augmentation de près de 15% de la surface secondaire est ainsi obtenue par rapport à l'onde serrated de mêmes hauteur, épaisseur et densité. Sur la figure 7, on observe que la jambe inclinée 14 d'une onde des figures 4, 5 et 6 comporte un pliage supplémentaire. Ainsi, la jambe droite 14 de l'onde représentée sur la figure 7 est constituée de deux plaques 15 et 16. En outre, le pliage entre les bandes 15 et 16 n'est pas réalisé parallèlement au pliage réalisé entre la bande 16 et la surface supérieure 11 ou entre la surface supérieure 11 et la jambe 13. De ce fait, lors de la circulation du fluide, un effet vortex est obtenu. Ce type de modification a été appelé type 2. Sur la figure 8, on peut observer que les motifs d'ondes A, C, D, F et H sont de type 1, tandis que les motifs d'ondes B, E et G sont des motifs d'ondes du même type, mais dans lesquelles la jambe 13 perpendiculaire aux tôles de séparation 1 comporte deux pliages qui confèrent à cette jambe 13 un profil en marches d'escalier comportant donc deux portions perpendiculaires aux tôles de séparation 1. Les bords d'attaque rencontrés par le fluide lors de la circulation entre deux tôles de séparation 1 munies d'une telle succession de tels motifs d'ondes est représenté à la figure 9. Sur la figure 10, on peut observer que la bande d'onde C comprend des jambes latérales gauche et droite, chacune munie d'une pliure supplémentaire, de telle sorte que chacune des jambes latérales comprend une partie perpendiculaire aux tôles de séparation 1, et une partie inclinée. Une telle jambe est inclinée sans être perpendiculaire aux tôles de séparation et en même temps comporte une portion perpendiculaire aux tôles de séparation. Enfin, sur les figures 8 et 10, les flèches pointillées représentent les lignes selon lesquelles des jambes d'ondes successives sont reliées entre elles permettant ainsi leur fabrication à partir d'une tôle plane. Dans la présente invention, et de manière générale, on choisira avantageusement les profils des jambes d'ondes, ainsi que leurs séquences de telle sorte que le formage de l'onde soit possible à partir d'une tôle plane tant pour les jambes que pour les surfaces supérieures et inférieures des bandes d'ondes. REVENDICATIONS 1. Une bande d'ondes (2) pour échangeurs à plaques et ailettes brasés du type à serration comportant une série de zones destinées à être brasées sur une première tôle de séparation (1), une série de zones destinées à être brasées sur une seconde tôle de séparation (1), adjacente à la première tôle de séparation (1), et une série de jambes (13, 14), lesdites jambes formant des ailettes, caractérisée en ce qu'au moins une des jambes (14) d'une onde au moins est inclinée, sans être perpendiculaire aux tôles de séparation (1), et en ce qu'au moins une des jambes (13) comporte au moins une portion perpendiculaire aux tôles de séparation (1). 2. Une bande d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que au moins une des jambes (14) d'une onde est inclinée selon un angle de 43 à 80 . 3. Une bande d'ondes selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que au moins 60 % des ondes ont au moins une de leurs jambes (14) qui est inclinée. 4. Une bande d'ondes selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une seule des jambes (14) d'une onde est inclinée. 5. Une bande d'ondes selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la jambe inclinée (14) d'une onde comporte un pliage supplémentaire (15, 16). 6. Une bande d'ondes selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ondes sont formées par pliage de plaques et en ce que le pliage supplémentaire (15, 16) n'est pas réalisé parallèlement à la direction générale de pliage des plaques formant les ondes. 7. Une bande d'ondes selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une même onde comprend une jambe inclinée (14) et une jambe verticale comportant une zone inclinée. 8. Une bande d'ondes selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que des pliages sont prévus sur une jambe d'une onde au moins pour constituer au moins une marche d'escalier. 9. Une bande d'ondes selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que différents pliages sont combinés entre eux sur une même onde ou sur les ondes d'une même bande d'ondes. 10. Un échangeur à plaques ou ailettes brasées comportant des 5 ondes telles que définies à l'une des revendications 1 à 9.