Brevet FR2901016A1 — publié le 20071116

La présente invention concerne un échangeur de chaleur à plaques d'échange soudées, pour la réalisation d'un échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide. On connaît déjà, notamment par le brevet européen N EP 0639258 B1 du même inventeur, un échangeur de chaleur à plaques d'échange soudées, de structure compacte, désigné par la dénomination commerciale HEATEX (marque enregistrée), comprenant des plaques métalliques préalablement embouties, assemblées deux à deux par soudure sur deux côtés opposés, et formant ainsi des éléments modulaires empilés définissant deux circuits indépendants respectivement pour un premier fluide et pour un second fluide. L'ensemble des plaques, ainsi réunies, forme un bloc d'échange de section horizontale rectangulaire, donc globalement parallélépipédique, qui est assemblé à quatre poteaux ou montants d'angle appartenant au bâti de l'échangeur de chaleur. Les extrémités ouvertes des éléments modulaires empilés sont soudées par accostage sur le bord de lumières aménagées dans les parois de liaison verticales opposées du bloc d'échange. L'échangeur thermique est fermé par quatre portes latérales vissées sur les montants du bâti, et facilement démontables pour la maintenance. En particulier, le brevet européen N EP 0639258 B1 offre une solution qui supprime les contraintes de dilatation différentielle, entre le bloc d'échange constitué par l'ensemble des plaques empilées, d'une part, et le bâti d'autre part, ceci grâce à des gouttières d'angle qui sont solidaires des parois de liaison précitées, et qui entourent partiellement les montants du bâti, avec possibilité de coulissement relatif. Grâce à ces dispositions, l'échangeur de chaleur selon le brevet européen N EP 0639258 B1 possède des caractéristiques avantageuses, en termes de comportement en température, par rapport à des réalisations antérieures également connues d'échangeurs à plaques soudées, telles que celles décrites dans les demandes de brevets européens EP 0165179 A et EP 0186592 A. Cependant, l'échangeur de chaleur à plaques d'échange soudées selon le brevet européen N EP 0639258 B1 pose encore certains problèmes, et reste donc perfectible, pour des utilisations sous des contraintes thermomécaniques importantes. En particulier, lors de la mise en température du bloc d'échange, compte tenu du gradient de température existant en service, les plaques d'échange tendent à se dilater sur leur longueur, selon une direction perpendiculaire aux parois de liaison situées à leurs extrémités. La contrainte de dilatation correspondante se calcule par le rapport F/S, F étant la force de dilatation et S la section de la soudure supportant cette contrainte. Lorsque la dilatation est importante, la contrainte l'est aussi et il peut en résulter une rupture des soudures liant les deux plaques associées en un élément modulaire, rupture qui se produit notamment au droit de la zone d'accostage entre les plaques d'échange et la paroi de liaison adjacente. II convient donc de réduire à cet endroit le niveau des contraintes, pour l'amener à une valeur inférieure au seuil de rupture, ceci par une diminution de la force de dilatation et / ou par une augmentation de la section de soudure. La présente invention a donc pour but d'apporter des perfectionnements à l'échangeur de chaleur à plaques soudées, tel que décrit dans le brevet européen N EP 0639258 B1, en vue d'améliorer son comportement en température, et notamment d'éviter le risque de rupture sous l'effet des contraintes de dilatation. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un échangeur de chaleur à plaques d'échange soudées, du genre précédemment considéré, c'est-à-dire comprenant des plaques métalliques préalablement embouties, assemblées deux à deux par soudure sur deux côtés opposés pour former des éléments modulaires empilés définissant deux circuits indépendants respectivement pour un premier fluide et pour un second fluide, les extrémités des plaques étant soudées par accostage sur le bord de lumières aménagées dans des parois de liaison opposées, perpendiculaires auxdites plaques, pour former un bloc d'échange globalement parallélépipédique, qui est assemblé à quatre poteaux ou montants d'angle appartenant au bâti de l'échangeur de chaleur, cet échangeur étant caractérisé par le fait que, sur leurs côtés à assembler, les deux plaques métalliques embouties constitutives de chaque élément modulaire sont de chaque côté appliquées à plat l'une contre l'autre sur une largeur prédéfinie, sont réunies l'une à l'autre par une première soudure réalisée dans cette largeur et assurant la tenue mécanique de l'assemblage, et sont aussi réunies l'une à l'autre, le long de leurs bords extérieurs, par une deuxième soudure assurant l'étanchéité. Ainsi, l'invention remplace l'assemblage habituel bord à bord des deux plaques embouties par une configuration particulière, consistant à effectuer un soyage de l'une des plaques voire des deux plaques, afin que les deux plaques se juxtaposent sur une largeur prédéfinie, de préférence au moins égale à quinze millimètres, permettant la réalisation d'une double soudure. La première soudure, qui est une soudure par points ou une soudure laser ou une soudure à la molette, assure la tenue mécanique de l'assemblage, c'est-à-dire sa tenue à la pression. La deuxième soudure, qui est avantageusement une soudure de type TIG ou plasma , assure quant à elle simplement l'étanchéité. La section totale de soudure est ainsi fortement augmentée, rendant l'assemblage des plaques beaucoup plus résistant. Selon un autre aspect de la présente invention, chaque poteau ou montant d'angle du bâti de l'échangeur de chaleur à plaques d'échange soudées possède une arête intérieure chanfreinée, la paroi de liaison adjacente se raccordant au poteau ou montant d'angle dans la région de cette arête chanfreinée. Ainsi, lorsque les plaques d'échange tendant à se dilater, elles peuvent entraîner avec elles les parois de liaison qui comportent alors une possibilité de déformation supplémentaire, en fléchissant dans l'espace libéré par les arêtes chanfreinées des poteaux ou montants d'angle. La contrainte de dilatation est donc absorbée en grande partie par la flexion, désormais rendue possible, de la paroi de liaison. Selon une disposition complémentaire avantageuse, chaque paroi de liaison comporte, dans ses deux zones latérales, des conformations en soufflet pour son raccordement au poteau ou montant d'angle, dans la région de l'arête chanfreinée. Les conformations en soufflet, qui peuvent consister chacune simplement en deux plis inversés formant ensemble une sorte d'onde sinusoïdale, facilitent le cas échéant une dilatation selon un axe perpendiculaire à la direction de la dilatation longitudinale des plaques d'échange. Comme on le comprend aisément, les arêtes chanfreinées des poteaux ou montants offrent un espace libre exploité ici non seulement pour la flexion des parois de liaison, mais aussi pour le logement et la déformation des conformations en soufflet. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple, une forme d'exécution de cet échangeur de chaleur à plaques d'échange soudées. Figure 1 est une vue partielle et très schématique, en perspective éclatée, montrant le principe général d'assemblage d'un échangeur de chaleur 5 du type concerné par la présente invention ; Figure 2 est une vue en coupe transversale illustrant le mode actuel d'assemblage des plaques d'un tel échangeur, sur l'un de leurs côtés ; Figure 3 est une vue en coupe similaire à la figure 2, mais illustrant le mode d'assemblage conforme à la présente invention 10 Figure 4 est une vue en coupe passant par l'une des zones d'angle d'un tel échangeur, et illustrant le mode de raccordement actuel entre une paroi de liaison et un poteau ou montant d'angle ; Figure 5 est une vue en coupe similaire à la figure 4, mais illustrant le mode de raccordement conforme à la présente invention ; 15 Figure 6 est une vue en coupe horizontale d'un échangeur de chaleur conforme à la présente invention ; Figure 7 est une vue en perspective montrant un détail de la partie inférieure de l'échangeur de la figure 6. En se référant à la figure 1, un échangeur de chaleur à plaques 20 d'échange soudées comprend une série d'éléments modulaires 2, de forme générale carrée ou rectangulaire, qui sont empilés et tous assemblés entre deux parois de liaison 3 opposées, de forme rectangulaire, perpendiculaires aux éléments modulaires 2. Ces éléments modulaires 2 possèdent une section très allongée, et 25 leurs extrémités sont soudées, par accostage, sur les bords de lumières parallèles 4 aménagées dans les parois de liaison 3. Ces parois de liaison 3 sont elles-mêmes assemblées, le long de leurs bords longitudinaux (ici verticaux), à des poteaux ou montants d'angle 5, au nombre de quatre. Les extrémités inférieures et supérieures des poteaux ou 30 montants d'angle 5 sont assemblées, respectivement, à un socle inférieur et un socle supérieur, non représentés sur la figure 1, pour constituer un bâti complet, de forme générale parallélépipédique. A l'intérieur de ce bâti, qui est fermé sur ses faces latérales par des portes non représentées, l'ensemble des éléments modulaires 2 forme un 35 bloc d'échange, lui-même de forme générale parallélépipédique, qui définit deux circuits de fluide indépendants, à savoir un premier circuit de fluide constitué par les éléments modulaires 2, et un second circuit de fluide résultant des espaces libres situés entre ces éléments modulaires 2. Des tubulures d'entrée et de sortie, pour les deux circuits de fluide ainsi constitués, sont également prévues. Pour une description plus détaillée de ce type d'échangeur de chaleur, il est fait référence au brevet européen précité N EP 0 639 258 B1. En se référant aux figures 2 et 3, chaque élément modulaire 2 résulte de l'assemblage, sur deux côtés opposés, de deux plaques métalliques 6 et 7 préalablement embouties, pour l'une au moins d'entre elles. Plus particulièrement, la figure 2 illustre le mode actuel d'assemblage des deux plaques 6 et 7, sur l'un des côtés (l'autre côté étant réalisé de manière symétrique). Les deux plaques 6 et 7 sont ici pliées chacune à 45 , l'une en direction de l'autre, et une unique soudure longitudinale 8, de type TIG , réunit ces deux plaques 6 et 7 le long de leurs bords, amenés l'un contre l'autre. En considérant toujours un côté de l'élément modulaire 2, l'assemblage soudé de l'extrémité de celui-ci à la paroi de liaison se fait, dans l'exemple illustré (pour des plaques d'une épaisseur de 1,5 mm), sur une section de 2 x 2,8 mm x 1,5 mm, soit 8,4 mm2, et cet assemblage soudé présente une concentration de contraintes en pointe, au droit de la soudure longitudinale 8. La figure 3 illustre la solution ici proposée par la présente invention. L'une des plaques 6 reste ici plane dans la région du côté de l'élément modulaire 2, tandis que l'autre plaque 7 est réalisée avec un soyage c'est- à-dire qu'elle présente un premier pli 9, par exemple à 45 , suivi d'un second pli 10 par exemple à 45 mais dans le sens inverse du précédent, conduisant à la formation d'une bande latérale 11 de largeur L, parallèle au plan principal de la plaque 7 considérée. Par cette bande latérale 11 de largeur L, la plaque 7 est appliquée à plat contre la région latérale de la plaque 6. Les deux plaques 6 et 7 sont alors réunies l'une à l'autre, dans la largeur L, par une première soudure 12 qui peut être une soudure par points ou une soudure laser ou une soudure à la molette, assurant la tenue mécanique de l'assemblage. Les deux plaques 6 et 7 sont aussi réunies l'une à l'autre, le long 35 de leurs bords extérieurs, par une deuxième soudure 13 qui est notamment une soudure de type TIG , par laquelle assure ici simplement l'étanchéité. Avantageusement, les deux plaques 6 et 7 sont ainsi juxtaposées dans la région latérale de l'élément modulaire 2, sur une largeur L égale au moins à quinze millimètres. En supposant que cette largeur L soit strictement égale à 15 mm, et toutes choses restant égales par ailleurs, la réalisation selon l'invention procure au niveau de l'assemblage de l'extrémité de l'élément modulaire 2 à la paroi de liaison, une section de soudure égale à : [(2x15) + 5,6 + 4] x 1,5 soit 59,4 mm2, au lieu des 8,4 mm2 obtenus avec le mode actuel d'assemblage. La section de soudure mécaniquement résistante se trouve ainsi multipliée par plus de sept, autrement dit augmentée de plus de 600 %. La figure 4 représente, en coupe horizontale, l'une des zones d'angle d'un échangeur de chaleur, faisant apparaître une portion d'élément modulaire 2 assemblée à une paroi de liaison 3, et un poteau ou montant d'angle 5 appartenant au bâti de l'échangeur. Plus particulièrement, cette figure 4 illustre le mode actuel de raccordement entre la paroi de liaison 3 et le poteau ou montant d'angle 5, ce dernier possédant une section habituelle carrée. Dans ce cas, le raccordement présente une rigidité aux deux points P1 et P2, rigidité qui s'oppose à la libre dilatation longitudinale des plaques d'échange, selon la flèche F. La figure 5 illustre la solution ici proposée par la présente invention. Celle-ci consiste à chanfreiner l'arête intérieure du poteau ou montant d'angle 5. Plus particulièrement, il est réalisé une coupe à 45 des deux faces adjacentes 14 et 15 du poteau ou montant 5, sur une largeur d'au moins dix millimètres, de manière à former un chanfrein 16 qui, lui-même dégage un espace libre 17 de section triangulaire. Ainsi, lorsque l'élément modulaire 2 tend à se dilater, selon la flèche F, il peut entraîner avec lui la paroi de liaison adjacente 3, laquelle pourra fléchir en pénétrant dans l'espace libre 17, le premier point de rigidité P1 étant supprimé. La contrainte de dilatation est ainsi absorbée en grande partie par la flexion de la paroi de liaison 3. En complément, comme le montre aussi la figure 5, la paroi de liaison 3 est raccordée au poteau ou montant d'angle 5, dans chaque zone latérale, par une conformation en soufflet, résultant de deux plis inversés 18 et 19, donnant localement à cette paroi 3 (vue en section horizontale) une allure d'onde sinusoïdale. Cette conformation en soufflet introduit une zone de souplesse supplémentaire, facilitant le cas échéant une dilatation du bloc d'échange selon un axe perpendiculaire à la direction de la flèche F. La figure 6, et la figure 7 qui en représente un détail, illustrent en outre des dispositions complémentaires prévues à la base et au sommet de l'échangeur de chaleur, pour permettre sur deux côtés opposés la dilatation du bloc d'échange. Le socle inférieur du bâti étant ici repéré en 20, chaque paroi de liaison 3 présente, à sa base, une partie 21 dépourvue de lumières 4 et repliée à l'horizontale au-dessus du socle inférieur 20, sur lequel elle est fixée. Sur la partie 21 est formé un pli longitudinal 22 qui permet d'absorber la dilatation à cet endroit. Bien entendu, des dispositions similaires sont prévues dans la partie supérieure de l'échangeur de chaleur. Il est à noter que l'échangeur de chaleur, précédemment décrit, peut être réalisé indifféremment avec des plaques embouties pourvues d'un réseau de bossages, ou de cuvettes, ou avec des plaques embouties présentant des nervures ou rainures parallèles, ou encore avec des plaques lisses pourvues de plots rapportés, selon toutes configurations connues en soi. Ces plaques d'échange peuvent être constituées par de simples tôles, par exemple en acier inoxydable. Dans des applications particulières, il peut s'agir aussi de tôles dites sandwich , réalisées sur une face par une couche de support en acier inoxydable, d'épaisseur suffisante pour assurer le terme en pression, et sur l'autre face par une couche en métal ou alliage noble, de faible épaisseur, notamment à base de nickel, tantale ou zirconium. On notera que les dispositions de la présente invention sont particulièrement adaptées pour l'assemblage de telles tôles sandwich entre elles. En effet, avec la technique usuelle, lors de la soudure bord à bord de telles tôles, il existe un risque certain de remontée de ferrite dans le noyau métallique fondu, par effet de migration. Le risque de corrosion est alors important, la soudure réalisée n'ayant pas les caractéristiques du métal noble. Au contraire, en appliquant ici la technique de la présente invention, telle qu'illustrée par la figure 3, avec utilisation de tôles 6 et 7 de type sandwich la couche de métal noble déborde de la couche de support en acier inoxydable, et il est possible de réaliser d'une part la soudure par points 12 assurant la tenue de l'ensemble, et d'autre part la soudure d'étanchéité 13 de type TIG seulement par recouvrement entre les deux couches de métal ou alliage noble qui débordent des couches de support respectives en acier inoxydable. Des échangeurs de chaleur à plaques d'échange soudées, réalisés conformément à l'invention, peuvent trouver des applications industrielles dans des domaines variés : industrie chimique et pharmaceutique, industrie agro-alimentaire, installations de chauffage, etc. Comme il va de soi, et comme il ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution d'échangeur de chaleur qui a été décrite ci-dessus, à titre d'exemple ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant les mêmes principes. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention : - en réalisant les plaques d'échange en toutes formes et dimensions, en particulier avec des formes générales carrées ou rectangulaires, et en tous matériaux soudables ; - en réalisant les soudures de ces plaques par mise en oeuvre de tous procédés appropriés, qu'il s'agisse de la première soudure ou de la deuxième soudure, par exemple en réalisant la deuxième soudure par un procédé plasma ; - en modifiant le raccordement des parois de liaison avec les montants ou poteaux du bâti, les parois de liaison n'étant pas nécessairement soudées sur le bâti, niais pouvant aussi l'être sur des pièces intermédiaires, elles-mêmes appliquées autour d'un poteau, qui passent notamment sur l'arête chanfreinée et les faces adjacentes au chanfrein et qui peuvent déborder sur les faces suivantes ; - en utilisant l'échangeur de chaleur non pas en position verticale, mais en position horizontale, selon l'application envisagée, les termes montant et poteau ayant ici une signification purement structurelle mais n'impliquant pas une orientation verticale.30 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à plaques d'échange soudées, comprenant des plaques métalliques (6, 7) préalablement embouties, assemblées deux par deux par soudure sur deux côtés opposés pour former des éléments modulaires (2) empilés définissant deux circuits indépendants respectivement pour un premier fluide et pour un second fluide, les extrémités des plaques d'échange (6, 7) étant soudées par accostage sur le bord de lumières (4) aménagées dans des parois de liaison (3) opposées, perpendiculaires auxdites plaques, pour former un bloc d'échange globalement parallélépipédique, qui est assemblé à quatre poteaux ou montants d'angle (5) appartenant au bâti de l'échangeur de chaleur, caractérisé en ce que les plaques métalliques embouties (6, 7) constitutives de chaque élément modulaire (2) sont appliquées à plat d'une contre l'autre sur une largeur prédéfinie (L), sont réunies l'une à l'autre par une première soudure (12) réalisée dans cette largeur (L) et assurant la tenue mécanique de l'assemblage, et sont aussi réunies l'une à l'autre, le long de leurs bords extérieurs, par une deuxième soudure (13) assurant l'étanchéité. 2. Echangeur de chaleur à plaques d'échange soudées selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux plaques (6, 7) sont juxtaposées sur une largeur prédéfinie (L) au moins égale à quinze millimètres. 3. Echangeur de chaleur à plaques d'échange soudées selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première soudure (12) est une soudure par points ou une soudure laser ou une soudure à la molette. 4. Echangeur de chaleur à plaques d'échange soudées selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la deuxième soudure (13) est une soudure de type TIG ou plasma . 5. Echangeur de chaleur à plaques d'échange soudées selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque poteau ou montant d'angle (5) de son bâti possède une arête intérieure chanfreinée (16), la paroi de liaison (3) adjacente se raccordant au poteau ou montant d'angle (5) dans la région de cette arête chanfreinée (16). 6. Echangeur de chaleur à plaques d'échange soudées selon la revendication 5, caractérisé en ce que le chanfrein (16) de chaque poteau ou montant d'angle (5) est réalisé par une coupe à 45 des deux faces adjacentes (14,15), sur une largeur d'au moins dix millimètres. 7. Echangeur de chaleur à plaques d'échange soudées selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que chaque paroi de liaison (3) comporte, dans ses deux zones latérales, des conformations en soufflet (18, 19) pour son raccordement au poteau ou montant d'angle (5), dans la région de l'arête chanfreinée (16). 8. Echangeur de chaleur à plaques d'échange soudées selon la revendication 7, caractérisé en ce que les conformations en soufflet des parois de liaison (3) consistent chacune en deux plis inversés (18, 19) formant ensemble une sorte d'onde sinusoïdale. 9. Echangeur de chaleur à plaques d'échange soudées selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les plaques d'échange (6, 7) sont constituées par des tôles sandwich , réalisées sur une face par une couche de support en acier inoxydable et sur l'autre face par une couche en métal ou alliage noble, de faible épaisseur, la soudure d'étanchéité (13) étant réalisée seulement par recouvrement entre les deux couches de métal ou alliage noble qui débordent des couches de support respectives en acier inoxydable.