Brevet FR3004527A1 — publié le 20141017

Echandeur de chaleur avec ensemble de liaison de tête de distribution à double fonction L'invention est relative à un échangeur de chaleur à plaques brasées. Un échangeur de chaleur à plaques brasées peut être du type à plaques gravées, à plaques de séparation et ondes, ou comporter une combinaison de plaques gravées et de plaques de séparation et ondes. L'invention est particulièrement avantageuse pour les échangeurs en acier au carbone, en acier inoxydable ou en alliage réfractaire. Les échangeurs de chaleur à plaques gravées sont constitués d'un empilement de tôles sur lesquelles une gravure a été préalablement pratiquée sur une face et l'une des faces est enduite d'un revêtement de brasure. Cette gravure définit un passage dans lequel circulent les fluides. Les échangeurs de chaleur à plaques de séparation et ondes sont constitués d'un empilement d'un ensemble de tapis ondulés, de tôles de séparation et de barres. Les tôles de séparation sont enduites sur chaque face d'un revêtement de brasure. Ces tôles sont ensuite empilées, espacées par les tapis ondulés, et fermées sur leur pourtour par des barres de section rectangulaire. L'espace entre les tôles de séparation constitue un passage dans lequel circulent les fluides. L'empilage constitué de plaques gravées ou de tapis ondulés, de tôles de séparation et de barres est généralement délimité par une première et une dernière plaques d'une épaisseur plus importante que les plaques gravées ou les plaques de séparation. L'ensemble constitue une matrice qui est brasée en une seule opération dans un four de brasage. On ajoute ensuite à la matrice des têtes de distribution en fluides. Selon sa localisation, une tête de distribution alimente la matrice avec un fluide ou, inversement, assure l'évacuation d'un fluide de la matrice. Le terme de collecteur est également utilisé pour désigner les têtes de distribution. Par la suite, on utilisera la désignation « tête de distribution » indifféremment pour désigner une tête d'alimentation ou d'évacuation en fluide de la matrice. Pour un échangeur en aluminium, l'assemblage des têtes de distribution à la matrice est réalisé par soudage selon des règles de calcul et des pratiques bien définies et largement validées par de nombreuses réalisations. Dans le cas d'échangeurs de chaleur en acier ou en alliage réfractaire, notamment pour un assemblage de plaques et ondes, l'opération reste délicate à réaliser, en particulier lorsque l'accroche doit se faire le long du mur que forment les barres de fermeture. Ainsi, suite à cette opération, on observe souvent l'apparition de fissures dans le joint brasé ou le cordon de soudure. Celles-ci peuvent alors être à l'origine d'une fuite ou d'une fragilisation de la structure de la matrice qui résulte de la refusion du joint brasé et/ou de l'impossibilité de la matrice à accommoder les contraintes thermomécaniques de soudage. Pour s'affranchir de cette difficulté, si la conception de l'échangeur de chaleur ne peut pas être modifiée, il est connu d'utiliser une pièce intermédiaire sur laquelle sera assemblée la tête de distribution. Cette pièce intermédiaire est brasée sur la matrice après que celle-ci ait été préalablement assemblée et usinée pour accueillir la pièce intermédiaire. Ainsi son utilisation permet de ne pas réaliser un soudage direct de la tête sur des joints brasés. De plus, notamment si des surfaces internes de l'échangeur sont enduites d'un catalyseur, il peut être nécessaire de réaliser périodiquement une dépose des têtes de distribution, par exemple pour procéder au renouvellement dudit catalyseur. De nouveau, la présence des pièces intermédiaires permet de déposer et de ressouder les têtes de distribution sans nuire à la qualité de la matrice. Le document FR 2 950 960 Al décrit une solution de mise en oeuvre d'une pièce intermédiaire en forme de cadre. Cette solution n'est pas satisfaisante car dans le cas où le plan de joint entre la matrice et la pièce intermédiaire est orthogonal à l'empilage de la matrice, un cadre ne permet pas de prendre en compte les variations dimensionnelles de la matrice lors du brasage, notamment l'affaissement qui résulte de la fusion et de l'exsudation de la brasure. Il est donc nécessaire que la matrice soit préalablement assemblée en une première étape de brasage, qu'elle soit ensuite usinée à la forme du cadre, ce dernier étant assemblé à la matrice en une seconde étape de brasage. Compte tenu de la nature des alliages de brasage utilisés, notamment ceux à base de nickel, l'usinage de la matrice peut provoquer une détérioration du joint brasé. De plus, le double cycle de brasage peut altérer la qualité métallurgique du joint et du métal de base, par exemple en raison d'un grossissement du grain austénitique ou d'une évolution de l'interface brasure/métal de base du premier brasage. L'invention permet de pallier à ces inconvénients. Un but de l'invention est notamment de mettre à disposition un échangeur de chaleur à plaques brasées de bonne étanchéité et solidité mécanique, même dans des applications nécessitant un enlèvement et remontage fréquents des têtes de distribution, et qui puisse être réalisé de façon simple et fiable Ce but est atteint par un échangeur de chaleur, comprenant: - une matrice brasée composée d'un empilement de plaques gravées ou d'un empilement d'ondes, de tôles de séparation et de barres, ou d'une combinaison des deux types d'empilement ; une tête de distribution de fluides ; et un ensemble intermédiaire de liaison de la tête de distribution à la matrice ; et caractérisé en ce que l'ensemble intermédiaire et la matrice sont imbriqués l'un dans l'autre par une liaison mâle-femelle, de préférence en contre-dépouille, et brasés l'un à l'autre. Selon des modes de réalisation préférés, l'échangeur de chaleur selon l'invention comprend l'une, plusieurs ou toutes les caractéristiques suivantes, dans toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'ensemble intermédiaire contribue au positionnement des plaques gravées et/ou des tôles de séparation et des barres lors de l'empilage de la matrice et à leur maintien en position lors du brasage ; - l'ensemble intermédiaire est d'un seul tenant avec la tête de distribution ; - la tête de distribution et l'ensemble intermédiaire sont délimités par une ligne d'affaiblissement ; - l'ensemble intermédiaire est un ensemble distinct de la tête distribution qui est fixé, et notamment soudé, à la tête de distribution ; - l'ensemble intermédiaire comprend deux profilés, par exemple avec une section transversale en forme de « L » ; - l'ensemble intermédiaire s'étend longitudinalement selon une direction sensiblement orthogonale aux plaques gravées ou aux tôles de séparation de la matrice. Le but ci-dessus est également atteint par un procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur tel que décrit ci-dessus ; le procédé étant caractérisé en ce que, avant le brasage, l'ensemble intermédiaire et la matrice sont imbriqués l'un dans l'autre, puis l'ensemble constitué par la matrice et l'ensemble intermédiaire est figé par brasage en une seule opération. Selon des modes de réalisation préférés, le procédé de fabrication selon l'invention comprend l'une, plusieurs ou toutes les caractéristiques suivantes, dans toutes les combinaisons techniquement possibles : - un réservoir à brasure est disposé le long de la surface de contact entre l'ensemble intermédiaire et la matrice avant le brasage ; - ladite imbrication est réalisée par empilement des plaques gravées et/ou par empilement des ondes des tôles de séparation et des barres de la matrice le long de l'ensemble intermédiaire ; - ladite imbrication est réalisée avec un jeu transversal entre l'ensemble intermédiaire et les plaques gravées et/ou les tôles de séparation et les barres de la matrice, ce jeu transversal permettant un affaissement vertical de la matrice lors du brasage ; - lors du brasage, la matrice est maintenue en compression ; - une étape consistant à rapporter, notamment par soudage, une tête de distribution de fluides sur l'ensemble intermédiaire après le brasage. L'invention est basée également sur l'idée d'utiliser l'ensemble intermédiaire, servant au rattachement de la tête de distribution de fluides à la matrice de l'échangeur de chaleur, également comme moyen de positionnement et stabilisation des couches lors de l'empilage de la matrice et de son affaissement lors du brasage. L'ensemble intermédiaire assure alors une double fonction de liaison entre la matrice et une tête de distribution de fluides et de positionnement et stabilisation des couches de la matrice. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ces dessins : . figure 1 est une représentation schématique en vue éclatée d'une matrice en cours d'empilage avec un ensemble intermédiaire comportant deux pièces intermédiaires, selon un premier exemple de réalisation de l'invention, . figure 2 est une représentation schématique en vue éclatée de l'ajout d'une tête de distribution à la matrice obtenue selon le premier exemple de réalisation de l'invention illustré en figure 1, . figure 3 est une représentation schématique de l'échangeur finalisé selon le premier exemple de réalisation de l'invention illustré en figures 1 et 2, et . figure 4 est une représentation schématique en vue éclatée d'une matrice en cours d'empilage avec une tête de distribution, selon un second exemple de réalisation de l'invention. Par la suite, pour simplifier la description de l'invention, on fera référence à un échangeur à plaques de séparation et ondes, sachant que l'invention s'applique également à un échangeur à plaques gravées, ou à un échangeur comprenant une combinaison de plaques de séparation et ondes et de plaques gravées. En se reportant à la figure 1, on peut voir schématiquement représenté un empilage d'une matrice 2 en cours de réalisation selon un premier exemple de réalisation avec un ensemble intermédiaire à deux pièces intermédiaires 7 à section en L. Pour simplifier les dessins, la description se limite à la mise en place d'une seule tête de distribution, alors qu'un échangeur en comprend au minimum deux et souvent davantage. Dans cet exemple de réalisation, les extrémités des pièces intermédiaires 7 dépassent de part et d'autre de la matrice 2 afin de recevoir de chaque côté une platine 19 de fermeture de la tête de distribution (cf. figure 2). Cela sera décrit plus en détail par la suite. Pour permettre le dépassement des pièces intermédiaires 7 du côté de la matrice 2 posée sur le plan de pose 11 qui sert de support inférieur à l'outillage, une plaque provisoire 16 est tout d'abord placée sur ce plan de pose 11. L'épaisseur de cette plaque 16 correspond au dépassement souhaité des pièces intermédiaires 7. Ensuite, une plaque d'extrémité inférieure 10 de la matrice 2 est placée sur la plaque provisoire 16, puis les pièces intermédiaires 7 sont glissées dans cette plaque d'extrémité inférieure 10 et placées verticalement sur le plan de pose 11. Des ouvertures 8 en L pratiquées au préalable dans la plaque d'extrémité inférieure 10 épousent la forme 9 des pièces intermédiaires 7. Cette forme en L est illustrative d'un exemple simple de réalisation de l'invention mais n'est nullement limitative, d'autres formes permettant l'imbrication entre les pièces intermédiaires et la matrice. Après la pose de la plaque d'extrémité inférieure 10, l'imbrication ou l'emboîtement en contre-dépouille entre la plaque d'extrémité inférieure 10 et les pièces intermédiaires 7 permet d'assurer le maintien et le positionnement des pièces intermédiaires 7. Puis, une première couche d'ondes 4 est posée sur la plaque d'extrémité inférieure 10 et entourée par des barres 5, 6. Les barres 6 situées du côté des pièces intermédiaires 7 disposent d'ouvertures 8 en L leur permettant de se glisser autour des pièces intermédiaires 7. Une première plaque intermédiaire 3, également pourvue d'ouvertures 8, est ensuite posée sur les ondes 4 et les barres 5, 6, en la glissant autour des pièces intermédiaires 7. On procède ensuite à la pose des autres couches jusqu'à compléter la matrice 2 avec la pose d'une plaque d'extrémité supérieure 20 (cf. figure 2). Lors de l'empilage de la matrice 2, les pièces intermédiaires 7 servent de système d'équerrage et facilitent et assurent le positionnement des couches successives de la matrice 2. Une fois la matrice 2 achevée, les pièces intermédiaires 7 dépassent du côté supérieur de la matrice 2 d'une longueur un peu plus faible que l'épaisseur de la plaque provisoire 16 de façon à prendre en compte l'affaissement de la matrice lors du brasage. Ainsi, il est possible de s'affranchir des variations dimensionnelles de la matrice 2 lors du cycle de brasage. Les pièces intermédiaires 7 ne sont maintenus en translation verticale que par le plan de pose 11 jusqu'à la fusion de la brasure. Comme illustré à la figure 1, les couches successives de l'empilage de la matrice 2 sont sensiblement parallèles à la section transversale 14 de la matrice 2. Les pièces intermédiaires 7 s'étendent longitudinalement selon une direction 15 sensiblement perpendiculaire à la section transversale 14 de la matrice 2. Une fois la matrice 2 constituée, on place sur celle-ci un outillage de maintien en compression, par exemple simplement constitué de masses posées au-dessus de la dernière plaque de l'empilage. L'outillage de maintien assure le déplacement vertical des couches de plaques 3, ondes 4 et barres 5, 6 de la matrice 2 qui résulte de l'affaissement de celle-ci lors de la fusion de la brasure, en maintenant un effort de compression suffisant. Les pièces intermédiaires 7 posées sur le plan de pose 11 ont une position fixe lors du brasage. Les plaques 3 et barres 5, 6 glissent le long des pièces intermédiaires 7 lors de l'affaissement de la matrice 2. L'imbrication mâle-femelle entre les pièces intermédiaires 7 et les plaques 3 et les barres 5, 6 contribue au maintien en position de la matrice 2 lors du brasage. Pour un échangeur à plaques gravées, l'invention permet de la même façon aux plaques gravées de glisser le long des pièces intermédiaires lors de la fusion de la brasure. Selon cet exemple de réalisation, les deux pièces intermédiaires 7 sont des profilés avec une section transversale en « L », les bases des L étant tournées l'une vers l'autre. Le jeu transversal entre le profil des profilés 7 et les ouvertures 8 doit être suffisant pour permettre l'assemblage de la matrice 2 puis le déplacement vertical relatif entre les profilés 7 et les plaques 3 et barres 5, 6 lors du brasage. Ce jeu transversal est par exemple compris entre 0,1 et 0,4 mm. Avantageusement, un réservoir à brasure, sous la forme d'une gorge, est présent le long de l'interface entre la partie mâle des profilés 7 et les parties femelles, à savoir les ouvertures 8 des plaques 3, 10, 20 et des barres 6. L'existence de ce réservoir assure la présence de brasure sur toute la longueur de la surface de contact entre les pièces intermédiaires 7 et la matrice 2. De plus, lorsque les pièces intermédiaires 7 sont placées verticalement, la composition de la brasure est adaptée pour que l'état de la brasure évite le ruissellement. Selon une variante de réalisation, on empile les couches successives de la matrice 2 de manière traditionnelle, puis on glisse les pièces intermédiaires 7 dans l'alignement des ouvertures 8 de la matrice 2. Cependant, en raison du jeu transversal limité entre la matrice 2 et les pièces intermédiaires 7 pour assurer la qualité de leur liaison lors du brasage, il est nécessaire d'avoir un alignement très précis entre les couches successives de la matrice 2 pour pouvoir y glisser les pièces intermédiaires 7. Pour éviter cet inconvénient, et avantageusement selon l'invention, les pièces intermédiaires 7 servent de guides pour l'empilage de la matrice 2 comme décrit précédemment. En se reportant à la figure 2, on peut voir schématiquement représentée la matrice 2 une fois l'opération de brasage réalisée. On peut voir sur cette figure que les pièces intermédiaires 7 dépassent des deux côtés de la matrice. Une tête de distribution 17 de forme sensiblement semi-cylindrique est alors rapportée sur la matrice 2 en soudant ses tranches d'extrémité sur celles de ses branches parallèles des pièces intermédiaires 7, qui font saillie latéralement par rapport à la matrice. Des platines d'extrémités 18 et 19 sont ensuite rapportées sur la tête de distribution 17 pour obstruer les extrémités de la tête de distribution 17. En se reportant à la figure 3, on peut voir schématiquement représenté l'échangeur 1 finalisé comprenant la matrice 2 à laquelle a été rapportée la tête de distribution 17 avec les platines d'extrémités 18 et 19. Celles-ci comportent deux découpes 20 qui s'insèrent étroitement dans les L des pièces 7, et l'appliquent sur les faces supérieure et inférieure des plaques d'extrémité 10 et 20 de la matrice. En se reportant à la figure 4, on peut voir schématiquement représenté un autre exemple de réalisation de l'invention dans lequel la tête de distribution 17 est prolongée par les pièces intermédiaires 7. Les pièces intermédiaires 7 sont ainsi solidaires de la tête de distribution 17 avant l'assemblage de la matrice 2. Les pièces intermédiaires 7 peuvent avoir été ajoutées à la tête de distribution 17, par exemple par soudage, ou faire partie intégrante de celle-ci. Ainsi, la tête de distribution 17 peut être réalisée à partir d'une seule pièce comprenant la forme des pièces intermédiaires 7. Le procédé d'assemblage de la matrice 2 est similaire à celui décrit précédemment en référence à la figure 1. L'assemblage constitué par la matrice 2 et la tête de distribution 17 est brasé en une seule opération, directement dans le four de brasage. Pour des opérations d'entretien de l'échangeur de chaleur 1 qui nécessiteraient de retirer la tête de distribution 17, par exemple pour un changement de catalyseur au sein de l'échangeur de chaleur 1, on découpera la tête de distribution 17. Cette découpe est réalisée au niveau d'une ligne 13 correspondant au joint de soudure si la tête de distribution 17 et les pièces intermédiaires 7 sont soudées, ou par exemple d'une rainure réduisant l'épaisseur de matière à son endroit et facilitant ainsi la découpe si la tête de distribution 17 et les pièces intermédiaires 7 sont d'un seul tenant. Après la découpe et les opérations d'entretien, la tête de distribution 17 peut être remise en place par soudure sur les pièces intermédiaires 7 qui restent solidaires de la matrice 2. REVENDICATIONS1.- Echangeur de chaleur (1), comprenant: - une matrice brasée (2) composée d'un empilement de plaques gravées (3) ou d'un empilement d'ondes (4), de tôles de séparation (3) et de barres (5, 6), ou d'une combinaison des deux types d'empilement; une tête de distribution de fluides (17) ; et un ensemble intermédiaire (7) de liaison de la tête de distribution (17) à la matrice (2), caractérisé en ce que l'ensemble intermédiaire (7) et la matrice (2) sont imbriqués l'un dans l'autre par une liaison mâle-femelle, de préférence en contre-dépouille, et brasés l'un à l'autre. 2.- Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 1, dans lequel l'ensemble intermédiaire (7) contribue au positionnement des plaques gravées (3) et/ou des tôles de séparation (3) et des barres (5, 6) lors de l'empilage de la matrice et à leur maintien en position lors du brasage. 3.- Echangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'ensemble intermédiaire (7) est d'un seul tenant avec la tête de distribution (17). 4.- Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 3, dans lequel la tête de distribution (17) et l'ensemble intermédiaire (7) sont délimités par une ligne d'affaiblissement. 5.- Echangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel l'ensemble intermédiaire (7) est un ensemble distinct de la tête distribution (17) qui est fixé, et notamment soudé, à la tête de distribution (17). 6.- Echangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'ensemble intermédiaire (7) comprend deux profilés, par exemple avec une section transversale en forme de « L ». 7.- Echangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'ensemble intermédiaire (7) s'étend longitudinalement selon une direction (15) sensiblement orthogonale aux plaques gravées ou aux tôles de séparation (3) de la matrice (2). 8.- Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le procédé étant caractérisé en ce que, avant le brasage, l'ensemble intermédiaire (7)et la matrice (2) sont imbriqués l'un dans l'autre, puis l'ensemble constitué par la matrice et l'ensemble intermédiaire est figé par brasage en une seule opération. 9.- Procédé de fabrication selon la revendication 8, dans lequel un réservoir à brasure est disposé le long de la surface de contact entre l'ensemble intermédiaire (7) et la matrice (2) avant le brasage. 10.- Procédé de fabrication selon la revendication 8 ou 9, dans lequel ladite imbrication est réalisée par empilement des plaques gravées (3) et/ou par empilement des ondes (4), des tôles de séparation (3) et des barres (5, 6) de la matrice le long de l'ensemble intermédiaire (7). 11.- Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel ladite imbrication est réalisée avec un jeu transversal entre l'ensemble intermédiaire et les plaques gravées (3) et/ou les tôles de séparation (3) et les barres (5, 6) de la matrice (2), ce jeu transversal permettant un affaissement vertical de la matrice (2) lors du brasage. 12.- Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel, lors du brasage, la matrice (2) est maintenue en compression. 13.- Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, comportant en outre l'étape consistant à rapporter, notamment par soudage, une tête de distribution de fluides (17) sur l'ensemble intermédiaire (7) après le brasage.