Brevet FR2990148A1 — publié le 20131108

La présente invention a trait à un nouveau type d'échangeur à plaques soudées et elle concerne aussi les plaques d'échange permettant leur réalisation. L'industrie utilise depuis des décennies deux technologies dites traditionnelles d'échangeur de chaleur. Il s'agit d'une part de sa forme la plus ancienne, l'échangeur tubulaire, et d'autre part des échangeurs à plaques et joints développés dans les années 1940 notamment pour assurer la pasteurisation du lait. L'échangeur tubulaire présente l'avantage d'offrir une grande robustesse, il met en oeuvre la circulation d'un premier fluide dans un faisceau de tubes constitués de tubes circulaires de diamètre et épaisseur optimisés, fixés parallèlement à deux plaques dites tubulaires préalablement percées au pas triangulaire ou carré. Le second fluide circule dans une enveloppe cylindrique, dite calandre, transversalement à travers des chicanes montées perpendiculairement à l'axe du faisceau de tubes, constituant entre elles des compartiments et possédant alternativement en haut et en bas des fenêtres permettant le passage d'un compartiment à l'autre du fluide. Le faisceau tubulaire est fixé par soudure dans la calandre et les tubes sont eux mêmes fixés par soudure ou dudgeonnage sur les plaques tubulaires. La calandre possède en ses extrémités deux boites de distribution du circuit dit tubulaire ou circule un fluide en intra-tube. Ainsi les enceintes où circulent les fluides sont cylindriques et, sous réserve du calcul de résistance des matériaux Ad Hoc, pourront supporter les pressions de travail des deux fluides. Le circuit intra-tubulaire pourra par démontage des boites d'extrémité subir des opérations de maintenance. A la robustesse de cette technologie il convient d'opposer sa performance médiocre, la mise en régime étant difficile à obtenir et les écoulements parfois laminaires conduisent à des tailles d'appareils importantes et donc peu économiques. A l'inverse, les échangeurs à plaques et joints sont constitués de plaques nervurées empilées avec interposition de joints entre deux plaques successives. Ces joints permettent d'une part l'étanchéité vers l'extérieur en étant disposés sur la périphérie des plaques et d'autre part l'étanchéité inter-circuit par anneaux circulaires disposés autour des orifices de distribution disposés dans chaque angle de la plaque pour aménager les entrées et sorties des deux fluides. La tenue à la pression est alors assurée par pressage du paquet de plaques entre deux plaques terminales au moyen de tirants de serrage constituant le bâti. Le nettoyage de surface d'échange peut être assuré par démontage du bâti. La circulation des fluides se fait alternativement de part et d'autre de chaque plaque entre deux plaques pour un fluide et l'autre. Le passage sur et entre les ondes des corrugations permet l'obtention d'un régime turbulent et conduit à des performances élevées. Ces appareils sont donc généralement compacts et économiques. L'inconvénient de cette technologie est d'une part la limite d'utilisation en température à cause de la présence des joints et d'autre part l'impossibilité d'utilisation avec des fluides chargés ou très encrassant à cause de la multitude de points de contacts au niveau des corrugation des plaques. Entre ces deux technologies très éloignées s'est développé dans les années 1980 un concept d'échangeur à plaques soudées. Une première famille permettant de supprimer les limites d'utilisation en température des échangeurs à plaques et joint en remplaçant les joints par des soudures et en conservant le 10 profil de plaques nervurées. Cette technologie est notamment décrite dans le brevet 84 064425 de la société VICARB. Une deuxième famille utilise des plaques dites matelassées, assemblées entre elles en aménageant des espaces de circulation libre de passage. Il est alors possible de supprimer la limite d'utilisation des échangeurs à plaques et joints pour fluides chargés ou encrassant. 15 Les brevets 84 19707 de la société BARRIQUAND et 92 05828 du même inventeur que la présente invention décrivent entre autre un mode de réalisation de cette famille d'échangeur de chaleur à plaques soudées. Quoique présentant des avantages évidents en terme de performance (pour le brevet 84 064425) ou de maintenance (pour les brevets 84 19707 et 95 05828), ces deux 20 technologies comportent des limites d'utilisation face aux contraintes cycliques d'utilisation ou de choc thermique et leur tenue à la pression reste limité par la taille et l'aspect économique du bâti à 4 portes des brevets 84064425 et 92 05828 ou la tenue des soudures électrique par résistance des plaques matelassées du brevet 84 19707 (difficulté à obtenir un diamètre du noyau fondu important lors de la fusion des deux tôles adjacentes 25 par passage d'un courant de forte intensité). Par ailleurs les plaques d'échange généralement obtenues par emboutissage nécessitent l'utilisation de presse hydraulique d'emboutissage de forte capacité générant donc des investissements très importants d'une part et d'autre part des taux d'écrouissage important des plaques (donc une grande sensibilisation à la corrosion sous tension). Enfin les limites en taille des presses 30 d'emboutissage permettent l'utilisation de plaques d'échange d'une surface unitaire généralement inférieur à 2 m2 en un seul pressage. Ainsi classiquement, les appareils proposés ont des tailles maximales de quelques centaines de m2 (de 500 m2 pour les uns à 750 m2 pour les autres). Dans le but de palier ces inconvénients, notamment limite d'utilisation en pression, taille maximale des appareils, coût de réalisation et d'investissement, la présente invention propose un échangeur à plaques soudées constituées de tôles préalablement soudées deux à deux entre elles par soudure laser puis obtenues par hydroformage par mise sous pression de l'enceinte définie par les deux tôles. La technologie de soudage laser puis hydroformage est déjà utilisée pour réalisation de fond ou de calandre double enveloppe dans l'industrie vinicole ou de la laiterie ou encore pour des plaques dites drapeaux insérées dans ces dites cuves, le tout pour assurer la thermostatation des cuves. Ces systèmes de double enveloppe « sur mesure » nécessitent le gonflage des plaques ou des parties de cuve une à une. On peut ainsi trouver sur le marché des machines à produire de la glace ou des refroidisseurs d'air à pression atmosphérique constitués de plaques ainsi réalisées et connectées à des nourrices d'alimentation. Ces appareils peuvent être assimilés à des échangeurs mais ne permettent pas l'utilisation sur des pressions supérieures à la pression atmosphérique pour le côté externe plaque et conduisent en général à des solutions très onéreuses par rapport aux solutions précédemment décrites. les échangeurs objet de l'invention se caractérisent en ce qu'ils sont constitués d'éléments modulaires P empilés et formant un bloc d'échange parallélépipédique B présentant des 20 canaux à passage libre débouchant aux extrémités dans des boites et alternativement des canaux alvéolaires ou matelassées débouchant dans des boites de distribution latérales. Les éléments modulaires P sont réalisés à partir de deux tôles, de même longueur, de largeur sensiblement différente, empilée l'une sur l'autre et assemblées par soudure laser périphérique (1) interrompue à deux extrémités latéralement sur une largeur optimisée 25 (2) ainsi que sur toute leur surface, par des soudures circulaires de diamètre variable, répartis à un pas carré ou triangulaire. Les échangeurs objet de l'invention se caractérisent par le fait que les plaques d'échange sont obtenues par assemblage de deux tôles soudées entre elles par soudure laser, d'une part au niveau de leur surface en disposant des cercles de soudure de diamètre variable 30 mais usuellement de 10 à 14 mm et à un pas carré ou triangulaire variable de 30x30 à 90x90, (calcul se faisant en faisant pour optimiser la tenue à la pression des dites plaques d'échange), d'autre part au niveau de leur périphérie sauf sur les deux longueurs de la plaque, à une extrémité généralement opposée, sur une largeur optimisée afin de permettre par la suite leur connexion sur les boites de distribution intra-plaques. Ces plaques d'échange se caractérisent en ce qu'elles peuvent aussi, en option, comporter à chaque extrémité une découpe circulaire. Dans cette configuration, un cordon de soudure laser sera fait au pourtour de cette ouverture. Cette ouverture permettra la distribution dans le circuit inter-plaques. Les soudures laser longitudinales sont faites à l'intérieur à une distance du bord permettant la réalisation d'un pli longitudinal sensiblement à l'équerre en haut et en bas de chaque plaque afin de permettre leur assemblage deux à deux par accostage puis soudure TIG par exemple afin de réaliser le faisceau d'échange de l'échangeur à plaques soudées proposé par l'invention. Les plis longitudinaux peuvent être réalisés avant ou après la 10 soudure laser soit par pliage traditionnel ou tout autre moyen. Ils peuvent être réalisés par technique traditionnelle sur presse hydraulique ou selon les dimensions par galetage. Ainsi les plaques définissent entre elles des intervalles, un intervalle sur deux étant destiné à la circulation d'un premier fluide et les autres intervalles étant destinés à la circulation du second fluide sensiblement parallèlement au premier. 15 De même la soudure laser est un mode de réalisation de l'assemblage des plaques mais l'invention peut aussi être réalisée à partir de tout autre moyen de soudure adapté, tel que soudure électrique ou par fusion. La soudure laser est à ce jour le meilleur compromis technico-économique. Les plaques d'échanges, dits éléments modulaires P, d'un échangeur selon invention, se 20 caractérisent aussi en ce qu'elles comportent de part et d'autre de l'ouverture (2), aménagée par interruption de soudure laser aux extrémités latérales des plaques, une soudure d'arrêt réalisée par pénétration de soudure TIG par exemple. Cette soudure permet de constituer un support de métal entre les deux tôles réalisant l'élément modulaire au droit du pli et des ouvertures. Une soudure par rechargement (7) réalisée sur 25 l'ensemble des plaques constitutives du faisceau permettra de souder les gouttières (j) et (G) pour constituer les boites de distribution du faisceau. Selon une description, les échangeurs objet de l'invention se caractérisent en ce que des boites de distribution seront soudées aux deux extrémités du faisceau parallélépipédique, dans l'axe de l'appareil et sur le côté, de manière opposée sur le faisceau au droit des 30 ouvertures préalablement aménagées par interruption de la soudure laser de périphérie des plaques. Ces boites sont constituées par l'assemblage de gouttières réalisées en tôles fines pliées et recevant des montants verticaux sur lesquels seront assemblés par boulonnage les portes des boites. Le faisceau sera maintenu résistant à la pression grâce au serrage au moyen de tirants de deux plateaux de fortes épaisseurs. Les échangeurs objet de l'invention se caractérisent principalement en ce que le faisceau d'échange est ensuite obtenu par hydroformage de l'ensemble monté. Au droit des boites de distribution du côté intra-plaques, il sera possible de monter en pression grâce aux ouvertures aménagées par interruption de soudure laser. Les échangeurs objet de l'invention se caractérisent donc en ce qu'ils sont testé hydrauliquement simultanément au formage. Le formage final peut être réalisé par gonflage à l'eau ou à l'air ou tout autre moyen permettant la déformation des plaques de manières contrôlées et progressive. Les échangeurs objet de l'invention se caractérisent ainsi en ce qu'ils permettent l'hydroformage en une seule étape de plusieurs plaques constituant le faisceau, ces dites plaques pourront être réalisées dans de très grande dimension, par exemple 2 mètres par 12 mètres permettant ainsi la réalisation d'échangeur de plusieurs milliers de m2. La réalisation des soudures laser sur la surface des plaques à un diamètre adapté, parfois doublé pour améliorer la sécurité des soudures, à un pas serré, permettront l'utilisation à des pressions nettement supérieures à ce que les technologies décrites précédemment permettent (typiquement 80 bar au lieu de 40 bar). L'invention et les avantages qu'elle apporte seront cependant mieux compris grâce à l'exemple de réalisation donné ci-après à titre indicatif mais non limitatif et qui est illustré 20 par les schémas connexés comme suit (Par commodité et convention, on appellera le fluide ou le circuit intra-plaque celui qui circulera à l'intérieur des plaques d'échange, le circuit ou le fluide inter-plaque celui qui circule entre deux plaques d'échange): la figure 1 est une vue en perspective d'une plaque d'échange selon un premier mode de réalisation caractérisée par la soudure laser en périphérie (1), interrompu 25 sur deux côtés longitudinaux aux extrémités pour aménager une ouverture (2) permettant ultérieurement la distribution d'un fluide en intra-plaque. Cette ouverture est limitée par deux soudures d'arrêt (3) qui serviront de support à une soudure par rechargement pour accostage des gouttières ultérieurement. Cette plaque selon l'invention et un premier mode de réalisation se caractérise aussi en ce 30 qu'elle comporte longitudinalement une tôle plus large que l'autre afin de pouvoir réaliser deux plis (5). Afin de permettre la tenue à la pression après hydroformage, ces plaques d'échange comportent des soudures laser circulaire d'un diamètre et un pas optimaux (4). La figure 2 est une vue en perspective d'une plaque d'échange d'un échangeur selon l'invention et un deuxième mode de réalisation caractérisé en qu'elle comporte deux ouvertures (6) opposées longitudinalement afin de permettre la circulation du fluide inter-plaque. La figure 3 est une vue en perspective d'un détail d'une plaque d'échange selon l'invention caractérisé par le cordon de soudure TIG par exemple réalisé en rechargement et venant rejoindre l'arrêt de soudure laser périphérie (3) des figures 1 ou 2. Cette soudure permettra de constituer après réalisation de l'assemblage des plaques en faisceau une base continue support de la soudure des gouttières La figure 4 est une représentation en perspective du faisceau d'échange obtenu par assemblage de plusieurs plaques d'échange P selon l'invention. On retrouve les plis longitudinaux (5) des figures 1 et 2 ainsi que les soudures (3) et (7) constituant la base support d'accostage des gouttières. Après accostage de deux plaques au droit d'une tôle pliée juxtaposée sur l'autre tôle non pliée de la plaque voisine il est réalisé une soudure d'étanchéité de type TIG. La figure 5 est une vue en coupe de détail montrant la réalisation de la soudure de liaison (8) entre deux plaques au droit des plis (5). Les figures 6 et 7 montrent des exemples de réalisation des gouttières à partir de tôles pliées et assemblées entre elles par soudure (11). Les ailes (10) comportent des plis (9) constituant ainsi des gouttières à l'intérieur desquelles pourront coulisser au montage les poteaux. Les figures 8 et 16 sont une vue en perspective des poteaux ainsi qu'une vue en coupe transversale. Ces poteaux ou montants M comportent sur leur longueur des corniches (12) obtenues par usinage par exemple dans de la tôle de section carrée. Ces corniches seront le support mécanique des portées de joint constituées par les plis (9) des gouttières. Les poteaux comportent notamment des perçages (13) qui recevront par boulonnage des portes qui viendront pincer les plis des gouttières en obtenant ainsi l'étanchéité par serrage d'un joint au droit de ces plis. On aura ainsi reconstitué une bride rectangulaire avec portée de joint surélevée. La figure 9 est une illustration en perspective du montage des boites de distribution constituées par assemblage des gouttières G et joues J sur le faisceau par soudage aux extrémités. La figure 10 est une représentation en perspective du faisceau de plaques selon l'invention caractérisée en ce qu'il comporte des boites de distribution latérales (14) pour alimentation du fluide intra-plaque et (15) en extrémité du faisceau pour l'alimentation du fluide inter-plaque. La figure 11 est une représentation en perspective du montage du bâti autour du faisceau par glissement des poteaux (16) dans le gouttières et positionnement latérale des plateaux de serrage (17) et de maintien. La figure 12 est une représentation en perspective de l'échangeur terminé assemblé, selon le premier mode de réalisation des plaques, plateaux de maintien (17) serrés au moyen de tirants (20) et portes (18) comportant les tubulures d'alimentation (19) entrée/sortie sur les boites de distribution. La circulation entre les plaques se fait par compartimentage des boites de distribution au moyen d'un jeu de chicanes disposées en travers des boites, parallèlement aux plaques d'échange et soudées sur les montants des boites ou de manière amovible dans un système de cage rectangulaire. La figure 13 est une représentation en perspective de l'échangeur terminé assemblé, selon le deuxième mode de réalisation des plaques, plateaux de maintien (17) serrés au moyen de tirants (20) et portes (18) comportant les tubulures d'alimentation (19) entrée/sortie sur les boites de distribution du circuit inter-plaque, le circuit intra-plaque étant alimenté par soudure des tubulures sur les plaques d'extrémité du faisceau, ces dites tubulures (21) traversant alors les plateaux de maintien. Les portes du circuit inter-plaques (22) sont alors démunies de tubulures facilitant ainsi les opérations de maintenance. La figure 14 représente une vue en coupe du faisceau au droit de l'entrée B1 de la figure 13. Selon le deuxième mode de réalisation des plaques, l'échangeur objet de l'invention se caractérise en ce que par assemblage de plaques on constitue de proche en proche la nourrice interne d'alimentation (6) grâce aux orifices (6) de la figure 2 illustrant le dit mode de réalisation. La plaque d'extrémité du faisceau étant réalisée avec une tôle de plus forte épaisseur que l'autre, suffisamment plus épaisse de sorte que lors de l'opération d'hydroformage, la tôle externe reste plane, seule la tôle interne se déforme. Il est ainsi possible de souder une tôle support renfort dite collet où le piquage 81 sera ainsi soudé. Cette tôle (23) sera dimensionnée pour supporter les efforts de tubulures et de pression. Le tube de B1 est soudé emmanché dans la tôle (23) par soudure (24) et (25). La tôle (23) est soudée à plate sur la tôle d'extrémité de la dernière tôle du faisceau par double soudure (26) et (27). La figure 15 est une vue en coupe d'un élément de faisceau après hydroformage. On voit donc les alvéoles qui se sont formées aménageant ainsi des espaces de circulation du fluide intra-plaque entre deux soudures laser (4). Les ouvertures (2) au droit des interruption de soudure laser périphérique réserve un espace libre pour l'alimentation des plaques via les boites de distribution. La figure 17 est un schéma de représentation de la circulation du circuit intraplaque. La circulation du fluide s'établit en entrant par une ouverture à une extrémité et en sortant à l'autre opposée, c'est la configuration mon passe représentée en P1. La plaque peut aussi comporter une soudure laser centrale longitudinale démarrant à une extrémité de la plaque et s'arrêtant à une distance de l'extrémité égale à la largeur de l'ouverture afin de permettre une circulation en U dans la plaque, l'ouverture (2) se situe alors à la même extrémité du faisceau que l'ouverture d'entrée mais sur le côté opposé, c'est la configuration 2 passes et représentée en P2. On peut aussi imaginer tout autre configuration par réalisation de plusieurs soudures centrales laser décalés de l'ouverture alternativement, on obtient ainsi des configurations multi-passes pour optimiser les vitesses de circulation, la représentation P3 montre une configuration 3 passes. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur à circuit de fluides indépendants, constitués d'éléments modulaires P empilés et formant un bloc d'échange parallélépipédique B présentant des canaux à passage libre débouchant aux extrémités dans des boites et alternativement des canaux alvéolaires ou matelassées débouchant dans des boites de distribution latérales caractérisé par le fait que les éléments modulaires P sont réalisés à partir de deux tôles, de même longueur, de largeur sensiblement différente, empilée l'une sur l'autre et assemblées par soudure laser périphérique (1) interrompue à deux extrémités latéralement sur une largeur optimisée (2) ainsi que sur toute leur surface, par des soudures circulaires de diamètre variable, répartis à un pas carré ou triangulaire. 2. Procédé de fabrication d'un échangeur selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les éléments modulaires P ont les bords (5) de la tôle la plus large rabattus sensiblement à l'équerre soit par pliage traditionnel ou tout autre moyen afin de permettre leur assemblage par juxtaposition deux à deux en aménageant des intervalles à passage libre pour le circuit inter-plaque, le bloc d'échange B, obtenu par empilage d'éléments modulaires P, se constitue en aménageant au droit des interruptions de soudure laser périphérique et à chaque extrémité du bloc B, des supports de gouttières renforcés par soudure par rechargement (3) 3. Procédé de fabrication d'un échangeur selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le formage par gonflage des plaques d'échange pour obtention d'un profil alvéolaire ou matelassé s'obtient en phase finale après réalisation des boites de distribution et constitue ainsi le circuit intra-plaque. 4. Procédé de fabrication d'un échangeur selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les plaques peuvent comporter en leur extrémité des orifices (6) permettant la constitution d'une nourrice interne par assemblage des plaques qui permet la distribution du fluide intra-plaque via une tubulure (21) soudée sur une plaque terminale du faisceau via une plaque support (23). 5. Procédé de fabrication d'un échangeur selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les boites de distribution se constituent par assemblage d'une gouttière transversales G et 3 joues latérales J comportant chacune un bord plié surl'extérieur(9) qui, venant recouvrir la corniche (12) des montants M coulissant à l'intérieur des gouttières d'une part et les plateaux de serrage S d'autre part, réalisent une portée de joint, la fermeture étanche des circuits est alors possible par boulonnage de couvercles C sur les montants P et le champs des plateaux de serrage S au droit des taraudage (13). 6. Procédé de fabrication d'un échangeur selon une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les plaques d'échange peuvent avoir des partitions interne réalisées au moyen de soudure laser pour obtenir des configurations mono passe, deux passes ou circulation dite U trois passes ou plus. 7. Echangeur de chaleur à circuit de fluides indépendants, constitués d'éléments modulaires P empilés et formant un bloc d'échange parallélépipédique B présentant des canaux à passage libre débouchant aux extrémités dans des boites et alternativement des canaux alvéolaires ou matelassées débouchant dans des boites de distribution latérales caractérisé en ce qu'il est obtenu par un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 25 30