Brevet FR2907887A1 — publié le 20080502

Echangeur de chaleur protégé vis-à-vis des ponts thermiques et procédé de fabrication d'un tel échangeur L'invention concerne un échangeur de chaleur ainsi qu'un 5 procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur. On sait qu'un échangeur de chaleur a pour fonction d'assurer un échange thermique entre un premier fluide et un second fluide. En particulier, le premier fluide peut 10 circuler à l'intérieur de tubes, tandis que le second fluide traverse librement l'échangeur. Pour améliorer l'échange thermique, il est connu de placer des ailettes d'échange de chaleur au contact des tubes. Ces ailettes augmentent la surface d'échange thermique entre les premier 15 et second fluides. Des échangeurs de chaleur particuliers comprennent une série de premiers tubes, ou faisceau, et une série de seconds tubes, en vis-à-vis. Les premier et second tubes 20 peuvent être raccordés les uns avec les autres, par exemple deux par deux, de sorte que le premier fluide entrant dans l'échangeur circule d'abord dans un premier tube puis dans un second tube, avant de ressortir de l'échangeur. 25 On comprend que la température du fluide dans le premier tube est assez différente de la température du fluide dans le second tube, du fait de l'échange thermique existant au niveau du premier tube. 30 En général, on préfère disposer une même ailette d'échange de chaleur au contact d'un ensemble formé d'un premier et d'un second tube : ceci facilite entre autre le montage de l'échangeur. Parfois, on dispose une ailette différente au contact de chacun des premier et second tubes. 35 Lorsque une même ailette est en contact avec un premier et un second tube, une première portion d'ailette en contact avec le premier tube se trouve dans une condition de température assez différente d'une seconde portion d'ailette en 2907887 2 contact avec le second tube. Aussi l'ailette a-t-elle tendance à influer sur les conditions de température du fluide dans les tubes par un transfert thermique s'effectuant entre les première et seconde portions d'ailettes. Cet effet est regrettable en ce qu'il nuit aux performances de l'échangeur de chaleur. Il a donc été proposé de prévoir une rupture de matière dans l'ailette, séparant au moins partiellement les première et seconde portions d'ailettes. Le pont thermique réalisé entre les première et seconde portions d'ailettes est ainsi considérablement réduit. Dans de tels échangeurs, les ailettes et les tubes sont assez souvent maintenus ensemble par brasage : les ailettes revêtues d'un placage de métal d'apport sont placées en contact avec les tubes de circulation de fluide, puis passées dans un four de brasage. La fonte du placage de métal d'apport assure la fixation de l'ailette en contact avec les tubes. Le brasage d'ailettes présentant une rupture de matière, du type évoqué ci-dessus, provoque souvent un dépôt de métal d'apport recouvrant ladite rupture de matière : un pont thermique est recréé entre les première et seconde portions d'ailettes, et on retrouve les inconvénients précités. Lorsqu'une ailette particulière est disposée en contact avec chacun des premier et second tubes, il existe évidemment une absence de matière entre la première portion d'ailette en contact avec le premier tube et la seconde portion d'ailette en contact avec le second tube. Cepen- dant, l'opération de brasage peut avoir pour conséquence des dépôts de métal d'apport joignant les ailettes (ou portions d'ailettes) et des ponts thermiques sont alors créés. 2907887 3 L'invention a pour but de surmonter les inconvénients précités en proposant un échangeur de chaleur, du type comprenant une première portion d'ailette d'échange de chaleur et une seconde portion d'ailette d'échange de 5 chaleur respectivement fixées, par brasage, en contact avec un premier tube de circulation de fluide et un second tube de circulation de fluide, lesdites première et seconde portions étant séparées au moins partiellement l'une de l'autre par au moins une rupture de matière, le premier 10 tube et le second tube étant revêtus d'un placage de métal d'apport, au moins au niveau dudit contact, tandis que les première et seconde portions d'ailette sont dépourvues de placage de métal d'apport, au moins au voisinage de chaque rupture de matière. 15 Ainsi, l'invention évite que des ponts thermiques ne soient recréés après brasage. Dans un mode de réalisation avantageux, le premier tube et 20 le second tube sont sensiblement totalement revêtus de placage de métal d'apport. Les première et seconde portions d'ailette sont de préférence dépourvues sensiblement totalement de placage de 25 métal d'apport. Dans un mode de réalisation particulier, le premier tube est destiné à assurer une circulation de fluide selon une première passe tandis que le second tube est destiné à 30 assurer une circulation dudit fluide selon une seconde passe. De préférence, l'échangeur étant destiné à être traversé par un flux de fluide extérieur, le premier tube et le 35 second tube sont disposés de manière sensiblement alignée selon la direction d'un flux de fluide extérieur. Avantageusement, chaque ailette d'échange de chaleur pré-sente une allure générale ondulée, composée de portions 2907887 4 coudées reliées entre elles par des portions sensiblement planes. Dans ce cas, la première portion d'ailette comprend de 5 préférence une partie coudée et une partie sensiblement plane. En particulier, la rupture de matière peut comprendre une découpe à travers une portion coudée et une portion sensi-10 blement plane. Dans ces deux cas, la rupture de matière peut comprendre une découpe partielle d'une portion sensiblement plane ménageant une continuité de matière entre les première et 15 seconde portions d'ailette. Avantageusement, la rupture de matière se présente sous la forme d'une fente découpée dans une ailette d'échange de chaleur. Dans un mode de réalisation particulier, ladite première portion d'ailette et ladite seconde portion d'ailette sont des portions d'une même ailette d'échange de chaleur. 25 Dans tous les cas, au moins l'un des premier et second tubes de circulation de fluide peut être réalisé par extrusion. L'invention propose également un procédé de fabrication 30 d'un échangeur de chaleur du type comprenant une première portion d'ailette d'échange de chaleur et une seconde portion d'ailette d'échange de chaleur en contact avec respectivement un premier tube de circulation de fluide et un second tube de circulation de fluide, lesdites première 35 et seconde portions étant séparées au moins partiellement l'une de l'autre par au moins une rupture de matière, le procédé comprenant une étape consistant à fixer par brasage les première et seconde (23B) portions d'ailette aux pre- mier et second tubes, respectivement, une étape consistant 20 2907887 5 à revêtir les premier et second tubes d'un placage de métal d'apport, au moins au niveau dudit contact, préalablement à l'étape de fixation, une étape consistant à prévoir les première et seconde portions d'ailette dépourvues de pla- 5 cage de métal d'apport, au moins au- voisinage de chaque rupture de matière, préalablement à l'étape de fixation. En particulier, le procédé peut comprendre en outre une étape consistant à placer les premier et second tubes 10 revêtus en contact avec les première et seconde portions d'ailette dépourvues de placage, préalablement à l'étape de fixation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 15 apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après et des dessins sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur selon l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective d'une partie de l'échangeur de la figure 1, - la figure 3 est une vue de dessus d'une partie d'une 25 ailette d'échange de chaleur dans une variante de réalisation, - la figure 4 est une vue de dessus d'une partie d'une ailette d'échange de chaleur pour l'échangeur de la figure 30 1, - la figure 5 est une vue de dessus d'une partie d'une ailette d'échange de chaleur selon l'état de la technique. 35 Les dessins annexés pourront, non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. On fait référence tout d'abord à la figure 1. 20 2907887 6 L'échangeur de chaleur 1 comprend un faisceau de premiers tubes 3 de circulation de fluide alignés les uns avec les autres et un faisceau de seconds tubes 5 de circulation de fluide alignés les uns avec les autres. À chaque fois, un 5 premier tube 3 est en vis-à-vis d'un second tube 5. L'échangeur est destiné à être traversé par un flux de fluide extérieur. Ici, chaque premier tube 3 est aligné avec un second tube 5 sensiblement selon la direction de ce flux de fluide extérieur. Les tubes 3 et 5 peuvent être 10 obtenus par exemple par extrusion. Les premiers tubes 3 débouchent à l'une de leurs extrémités dans un collecteur d'entrée 7, tandis que les seconds tubes 5 débouchent à l'une de leurs extrémités dans un collecteur 15 de sortie 9. À chaque fois, un premier tube 3 et un second tube 5 sont reliés ensemble en communication de fluide à leurs extrémités ne débouchant pas dans les collecteurs 7 et 9. Les premiers tubes 3 peuvent ainsi assurer une circulation de fluide selon une première passe tandis que les 20 seconds tubes 5 assurent une circulation dudit fluide selon une seconde passe. Ici, chaque ensemble formé d'un premier tube 3 et d'un second tube 5 est réalisé venu de matière. En particulier, 25 les premiers tubes 3 et les seconds tubes 5 sont réalisés à partir de tubes repliés de manière à présenter une allure générale de U, les premiers tubes 3 et seconds tubes 5 formant les branches dudit U. Bien entendu, les premiers 3 et seconds 5 tubes peuvent être réalisés sous forme de deux 30 tubes droits distincts reliés entre eux par tout dispositif approprié, par exemple une boîte ou un coude de jonction. Les tubes 3 et 5 peuvent être obtenus par exemple par extrusion. 35 Sur la figure 1, chaque premier tube 3 et second tube 5 présente une pluralité de canaux de circulation de fluides 11. L'invention s'applique de la même manière au cas où un seul canal de circulation est prévu dans ces tubes. 2907887 7 À chaque fois, une ailette d'échange de chaleur 13 est disposée en contact avec un premier 3 et un second tube 5. Les ailettes 13 présentent une allure générale ondulée définissant une succession de portions sensiblement planes 5 15 reliées les unes aux autres par des portions coudées 17. On fait maintenant référence à la figure 2, laquelle représente une ailette 13. 10 Certaines portions planes 15A de l'ailette 13 présentent une rupture de matière totale 19A s'étendant sur l'ensemble de la largeur de la surface plane. La rupture de matière 19A peut s'étendre à la partie coudée 15 17A prolongeant la portion plane 15A. La rupture de matière 19A peut également s'étendre à une portion plane 15A adjacente et prolongeant la portion coudée 17A. Ainsi, la rupture de matière totale 19A peut s'étendre sur 20 plusieurs portions planes 15A successives de l'ailette 13. Sur la figure 2, la rupture de matière 19A est réalisée sous la forme d'une découpe de la surface plane 15A sur toute sa largeur et sur une longueur choisie, par exemple 25 sensiblement voisine de l'écartement séparant les tubes 3 et 5. Comme le montre la figure 3, la rupture de matière 19A peut également prendre la forme d'une fente réalisée par découpe 30 de la surface plane 15A sur toute sa largeur. Dans ce cas, il n'y a pas de chute de matière. Dans tous les cas, la rupture de matière 19A sépare ainsi des premières portions d'ailette 21A en contact avec un 35 premier tube 3 et de secondes portions d'ailette 23A en contact avec un second tube 5. D'autres surfaces planes 15B présentent une rupture de matière partielle 19B s'étendant sur une partie seulement 2907887 8 de la largeur de la surface plane 15B. Une telle surface plane 15B est représentée sur la figure 4. Ici, la rupture de matière 19B prend la forme d'une ou plusieurs fentes réalisées par une découpe de la surface plane 15B. La 5 réalisation de la rupture de matière 19B ne produit pas de chute de matière. La rupture de matière 19B peut s'étendre en outre sur la partie coudée 17B prolongeant la surface plane 15B. Comme 10 représenté sur la figure 4, une surface plane 15B peut présenter deux ruptures de matière 19B en vis-à-vis, chacune partant d'une portion coudée 17B opposée et ménageant une continuité de matière 20 dans la surface plane 15B. On comprend que les deux ruptures de matière 15B de la figure 15 4 peuvent, le cas échéant être vues comme une même rupture réalisée en deux parties. La ou les ruptures de matière 19B de la surface plane séparent ainsi partiellement une première portion d'ailette 20 21B en contact avec un premier tube 3 d'une seconde portion d'ailette 23B en contact avec un second tube 5. Ainsi, un lien mécanique est conservé entre les première 21B et seconde 23B portions d'une surface 15B, lui conférant une certaine résistance mécanique, ou rigidité, ou raideur. Les surfaces 15B contribuent par conséquent à la rigidité mécanique de l'ailette 13 dans son ensemble. Ceci permet en phase d'assemblage de manipuler une seule ailette 13 pour les tubes 3 et 5. 30 La dimension lien mécanique est variable et peut être approximativement de 0,5 mm. La proportion des surfaces planes 15A / coudées 17A présen- 35 tant une rupture de matière totale 19A par rapport aux surfaces planes 15B / coudées 17B présentant une rupture de matière totale 19B présentant une rupture de matière par- tielle 19B est variable. Ce nombre résulte d'un compromis entre la nécessaire rigidité de l'ailette 13 et la volonté 2907887 9 de réduire au maximum le nombre de ponts thermiques dans cette ailette 13. Par exemple, il peut être prévu une surface plane 15B à 5 rupture partielle 19B toutes les 20 ou 40 surfaces planes 15A à rupture totale 19A. Comme évoqué plus haut, les ruptures de matière totale 19A ou partielle 19B empêchent, respectivement réduisent, les 10 ponts thermiques entre les premières 21A (respectivement 21B) et les secondes 23A (respectivement 23B) portions d'ailettes. La largeur des ruptures de matière partielle 19B ainsi que 15 celle des ruptures de matière totales 19A peuvent être variables. En particulier, elles peuvent être différentes les unes des autres. Selon l'invention, l'ailette 13 est dépourvue de placage de 20 métal d'apport au voisinage des ruptures partielles 19B. De préférence, l'ailette 13 est également dépourvue de placage de métal d'apport au voisinage des ruptures totales 19A. Dans un mode de réalisation avantageux, l'ensemble de la surface de l'ailette 13 est dépourvu de placage de métal 25 d'apport, ce qui permet de se passer de tout revêtement de l'ailette 13. Selon l'invention, les tubes 3 et 15 sont revêtus d'un placage de métal d'apport. 30 Le placage de métal d'apport est formé essentiellement d'un métal ou alliage identique, ici en aluminium, à celui des tubes 3 ou 5. Le placage de métal d'apport comporte une proportion de silicium (Si) comprise entre 6% et 12%, 35 tandis que le métal ou alliage sur lequel le placage est appliqué comprend entre 0,1% et 0,9% de silicium (Si). Ainsi, on obtient, avec l'utilisation d'un four de chauffage, la formation d'une pâte visqueuse en superficie du 2907887 10 placage de métal d'apport à partir d'environ 577 Celsius (C) alors que l'âme dudit placage de métal reste solide. Cette pâte pourra également venir combler les espaces et vacuités entre deux composants d'un assemblage : ici entre 5 les surfaces coudées 17A et l'un ou l'autre des tubes 3 ou 5 à l'endroit où doit s'effectuer le brasage/soudure et, suite au refroidissement, braser/souder l'ensemble de façon étanche et robuste. 10 On notera par ailleurs que le placage de métal d'apport pourra présenter des traces ou faibles pourcentages d'autres métaux, tels que le fer (Fe), le cuivre (Cu), le manganèse (Mn), le zinc (Zn), le chrome (Cr), le nickel (Ni), le titane (Ti), le zirconium (Zr), le vanadium (V) et 15 le magnésium (Mg). À titre d'exemples, deux compositions particulières de placage de métal d'apport sont indiquées ci-après, sans indiquer la part de l'aluminium. Comme on le verra plus loin, lorsque l'échangeur est brasé, 20 pratiquement aucun dépôt de métal d'apport ne vient recouvrir les ruptures de matière partielles 19B ou totales 19A. Ceci permet de conserver les ruptures de matières 19A et 19B intactes sans recréer de ponts thermiques. 25 L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un échangeur 1. Une étape consiste à revêtir les premier 3 et second 5 tubes d'un placage de métal d'apport, au moins au niveau 30 des portions destinées à venir en contact avec les ailettes 13. De préférence, l'ensemble de la surface des premiers 3 et seconds 5 tubes sont revêtus, car industriellement il est plus aisé et économique de revêtir l'ensemble d'un tube que certaines portions de celui-ci. 35 Ultérieurement ou en parallèle, une étape consiste à pré-voir des ailettes 13 dont les premières 21B et secondes 23B portions sont dépourvues de placage de métal d'apport, au moins au voisinage de chaque rupture de matière 19B. En 2907887 11 option, on prévoit des ailettes 13 dont les premières 21A et secondes 23B portions sont également dépourvues de placage de métal d'apport, au moins au voisinage de chaque rupture de matière 19A. Une étape consiste à placer les premiers 3 et seconds 5 tubes revêtus en contact avec les premières 21A, 21B et secondes 23A, 23B portions d'ailette dépourvues de placage. 10 Une étape consiste à fixer par brasage les premières 21A, 21B et secondes 23A, 23B portions d'ailette aux premiers 3 et seconds tubes 5, respectivement. Cette étape peut comprendre le passage au travers d'un four de brasage. 15 La Demanderesse a constaté l'absence de dépôt de métal au niveau des ruptures de matière 19A et des ruptures de matière 19B. Ainsi les ponts thermiques évités grâce aux ruptures de matière ne sont pas recréés Il s'ensuit une amélioration sensible des performances de l'échangeur de 20 chaleur selon l'invention par rapport aux échangeurs de l'état de la technique. La figure 5, illustre une ailette d'échange de chaleur selon l'état de la technique. On constate que les ruptures 25 de matière 19B, réalisées sous forme de fentes, sont comblées par la brasure, recréant un pont thermique entre les portions 21B et 23B. Après brasage, l'ailette 13 selon l'invention est identique 30 à l'ailette de la figure 4. Les ruptures de matière 19B, réalisées sous forme de fentes, restent ouvertes. La dimension du lien mécanique 20 entre les portions 21B et 23B est inchangée. Le pont thermique entre les portions 21B et 23B peut être contrôlé en ce que ses dimensions restent inchan- 35 gées après brasage. En palliant ces inconvénients relatifs aux ponts thermiques, l'invention permet l'utilisation d'ailettes d'échange de chaleur 13 en contact à la fois avec un premier tube 3 5 2907887 12 et un second tube 5. Elle évite la prévision de deux demi-ailettes totalement séparées, chacune étant en contact avec un premier tube 3 ou un second tube 5. Ceci simplifie considérablement la structure et le montage de l'échangeur 5 1. L'invention est particulièrement adaptée au cas d'échangeurs de chaleur dans lesquels circule un fluide à l'état sub-critique. En effet, dans cette utilisation, la différence de température entre le fluide circulant dans les premiers tubes 3 et le fluide circulant dans les seconds tubes 5 est plus importante que dans les échangeurs classiques. 15 Par exemple, le fluide peut être du gaz carbonique (CO2). Dans ce cas, le fluide en circulation dans le premier tube peut se trouver à une température voisine de 130 C, tandis que lorsqu'il passe dans le second tube, sa température 20 peut être réduite sensiblement à 40 C. Dans la description ci-dessus, les premières 21A et les secondes 23A portions d'ailettes font partie d'une même ailette d'échange de chaleur 13. On comprend que 25 l'invention s'applique de manière analogue au cas où ces premières 21A et secondes 23A portions d'ailettes appartiennent à des ailettes d'échange de chaleur distinctes, c'est-à-dire au cas où une première ailette d'échange de chaleur est disposée en contact avec le tube 3 et une 30 seconde ailette d'échange de chaleur est disposée en contact avec le tube 5. L'invention s'applique donc également au cas où la rupture de matière totale 19A s'étend sur l'ensemble des portions 35 de l'ailette 13. De la même manière, l'invention s'applique à des échangeurs de chaleur présentant plus de deux rangées de tubes de circulation de fluide. Des ruptures de matière 19A et/ou 10 2907887 13 19B pouvant s'étendre partiellement et/ou en totalité entre chaque rangée de tubes. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation précé-5 demment décrit, mais englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art. Revendications 1. Échangeur de chaleur, du type comprenant une première portion d'ailette d'échange de chaleur (21B) et une seconde portion d'ailette d'échange de chaleur (23B) respectivement fixées, par brasage, en contact avec un premier tube de circulation de fluide (3) et un second tube de circulation de fluide (5), lesdites première et seconde portions étant séparées au moins partiellement l'une de l'autre par au moins une rupture de matière (19B), caractérisé en ce que le premier tube et le second tube sont revêtus d'un placage de métal d'apport, au moins au niveau dudit contact, tandis que les première et seconde portions d'ailette sont dépourvues de placage de métal d'apport, au moins au voisinage de chaque rupture de matière (19B). 2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier tube (3) et le second tube (5) sont sensiblement totalement revêtus de placage de métal d'apport. 3. Échangeur de chaleur selon l'une des revendication 1 et 2, caractérisé en ce que les première (21B) et seconde (23B) portions d'ailette sont dépourvues sensiblement totalement de placage de métal d'apport. 4. Échangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier tube (3) est destiné à assurer une circulation de fluide selon une première passe tandis que le second tube (5) est destiné à assurer une circulation dudit fluide selon une seconde passe. 5. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, l'échangeur étant destiné à être traversé par un flux de fluide extérieur, le premier tube (3) et le second tube (5) sont disposés de manière sensiblement alignée selon la direction d'un flux de fluide extérieur. 14 2907887 15 6. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque ailette d'échange de chaleur présente une allure générale ondulée, composée de portions coudées (17A,17B) reliées entre elles par des 5 portions sensiblement planes (15A,15B). 7. Échangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première portion d'ailette (21B) comprend une partie coudée (17B) et une partie sensiblement plane (15B). 8. Échangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la rupture de matière (19B) comprend une découpe à travers une portion coudée (17B) et une portion sensiblement plane (15B). 15 9. Échangeur de chaleur selon l'une des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que la rupture de matière comprend une découpe partielle d'une portion sensiblement plane (15B) ménageant une continuité de matière entre les première 20 (21B) et seconde (23B) portions d'ailette. 10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la rupture de matière (19B) se présente sous la forme d'une fente découpée dans 25 une ailette d'échange de chaleur. 11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première portion d'ailette (21B) et ladite seconde portion d'ailette (23B) 30 sont des portions d'une même ailette d'échange de chaleur (13). 12. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins l'un des premier 35 et second (5) tubes de circulation de fluide est réalisé par extrusion. 13. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur du type comprenant une première portion d'ailette (21B) 10 2907887 16 d'échange de chaleur et une seconde portion d'ailette (23B) d'échange de chaleur en contact avec respectivement un premier tube de circulation de fluide (3) et un second tube de circulation de fluide (5), lesdites première et seconde 5 portions étant séparées au moins partiellement l'une de l'autre par au moins une rupture de matière (19B), le procédé comprenant . a. une étape consistant à fixer par brasage les pre-10 mière (21B) et seconde (23B) portions d'ailette aux premier (3) et second tubes (5), respectivement, caractérisé en ce que le procédé comprend en outre : 15 b. une étape consistant à revêtir les premier (3) et second (5) tubes d'un placage de métal d'apport, au moins au niveau dudit contact, préalablement à l'étape a., c. une étape consistant à prévoir les première (21B) 20 et seconde (23B) portions d'ailette dépourvues de placage de métal d'apport, au moins au voisinage de chaque rupture de matière (19B), préalablement à l'étape a. 25 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : d. une étape consistant à placer les premier (3) et second (5) tubes revêtus en contact avec les première (21B) 30 et seconde (23B) portions d'ailette dépourvues de placage, préalablement à l'étape a.