Brevet FR3075080A1 — publié le 20190621

La presente invention concerne un procede de brasage d'un element intercalaire pour un echangeur de chaleur du type a plaques et ailettes, ledit element intercalaire presentant une texturation de surface, ainsi qu'un echangeur de chaleur comprenant un tel element et un procede de fabrication d'un tel echangeur. La presente invention trouve notamment application dans le domaine de la separation de gaz par cryogenie, en particulier de la separation d'air par cryogenie (connue sous l'acronyme anglais . ASU >> pour unite de separation d'air) exploitee pour la production d'oxygene gazeux sous pression. En particulier, la presente invention peut s'appliquer a un echangeur de chaleur qui vaporise un debit liquide, par exemple de l'oxygene liquide, de l'azote et/ou de ('argon par echange de chaleur avec un gaz calorigene, par exemple l'air ou l'azote. Si l'echangeur de chaleur se trouve dans la cuve d'une colonne de distillation, it peut constituer un vaporiseur fonctionnant en thermosiphon pour lequel l'echangeur est immerge dans un bain de liquide descendant la colonne ou un vaporiseur fonctionnant en vaporisation a film alimente directement par le liquide tombant de la colonne et/ou par une pompe de recirculation. La presente invention peut egalement s'appliquer a un echangeur de chaleur qui vaporise au moins un debit de mélange liquide-gaz, en particulier un debit de mélange a plusieurs constituants, par exemple un mélange d'hydrocarbures, par echange de chaleur avec au moins un autre fluide, par exemple du gaz naturel. La technologie couramment utilisee pour un echangeur est celle des echangeurs en aluminium a plaques et a ailettes ou ondes brases, qui permettent d'obtenir des dispositifs tres compacts offrant une grande surface 30 d'echange. Ces Ochangeurs comprennent des plaques separatrices entre lesquelles sont inserees des structures d'echange thermique, generalement des structures ondulees ou ondes, formees d'une succession d'ailettes ou 2 jambes d'onde, constituant ainsi un empilement de passages pour les differents fluides a mettre en relation d'echange thermique. Les performances d'un echangeur sont liees au coefficient d'echange thermique des structures d'echange thermique se trouvant en contact avec les 5 fluides. Le coefficient d'echange thermique dune structure depend notamment de la nature du materiau la constituant, de la porosite de ce materiau, de sa rugosite et du regime d'ecoulement des fluides. II est possible de modifier le coefficient d'echange thermique d'une structure d'echange en modifiant la goometrie ou les proprietes physico- 10 chimiques de sa surface. Ceci permet d'augmenter la surface effective d'echange et/ou de modifier les interactions entre le fluide et la surface, en changeant des proprietes de la surface consideree comme sa mouillabilite ou sa capacite a intensifier rebullition d'un fluide. On parle alors de surfaces intensif lees. 15 Par exemple, on peut realiser des depots de surface de revetements poreux ou textures, formant des reliefs a la surface des structures, ou bien creer de tels Mats de surfaces par des traitements mecaniques ou par attaque chimique. On connait du document WO-A-2005/075920 differentes techniques de 20 depot de revetements poreux ou de texturation a la surface d'une onde pour echangeur de chaleur. Le document WO-A-2004/109211 decrit un procede de depOt d'un revetement poreux a la surface dune plaque separatrice d'un echangeur de chaleur. 25 Un probleme qui se pose avec ('utilisation de surfaces intensifiees dans des echangeurs en aluminium brases concerne ('assemblage d'elements comportant de telles surfaces lors de la fabrication de ('echangeur. En effet, la liaison des elements constitutifs de ('echangeur est realisee par brasage avec utilisation d'un metal d'apport, appele brasure ou agent de brasage, ('assemblage etant obtenu par fusion et diffusion de ('agent de brasage au sein des pieces a braser, sans fusion de celles-ci. Or, la presence d'un revetement poreux au niveau de la zone de liaison entre les pieces a assembler peut poser probleme, puisqu'au jeu existant entre 3 les pieces a assembler, s'ajoute la porosite ouverte du revetement ou les cavites menagees sur les surfaces texturees. Lors de sa fusion, le metal d'apport comble ces porosites ou cavites avant le jeu entre les pieces, ce qui peut engendrer des defauts dans le joint brass, tels des porosites, un manque 5 de brasure, voire une absence de joint. Ceci affecte les proprietes mecaniques et/ou thermiques du joint, et donc celles de l'echangeur qui sont directement liees a la qualite du joint brass. D'autre part, un exces de brasure peut aussi etre prejudiciable aux performances de l'echangeur puisqu'en s'ecoulant en dehors de la zone du 10 joint brass, la brasure peut modifier la microstructure du revetement ou de la texturation de surface et donc ses performances, en comblant les porosites ou cavites ou en favorisant Ia fermeture de Ia porosite ouverte de ('element a surface intensifiee. Pour tenter de remedier a ces inconvenients, une solution est de ne 15 pas realiser de texturation sur ('element dans Ia zone 00 le joint brass doit etre forme. Toutefois, cela implique de modifier localement l'etat de surface des pieces, ce qui complexifie le procede de fabrication. On peut par exemple masquer les zones 00 le brasage doit avoir lieu ou retirer le revetement de ces zones. Mais ces Mapes supplementaires entrainent un surcoCit et des difficultes 20 de mise en oeuvre. La presente invention a pour but de resoudre en tout ou partie les problemes mentionnes ci-avant, notamment de faciliter Ia fabrication d'un echangeur de chaleur du type a plaques et ailettes brases presentant des structures d'echanges a proprietes thermiques ameliorees. 25 La solution selon ('invention est alors un procede d'assemblage par brasage d'une premiere piece et d'une deuxieme piece comportant chacune au moins une portion d'assemblage destinee a etre brasee avec Ia portion d'assemblage de l'autre piece, ledit procede comprenant les stapes suivantes : a) positionnement des portions d'assemblage des premiere et 30 deuxieme piece l'une contre l'autre avec agencement d'un agent de brasage entre lesdites portions d'assemblage, 4 b) fusion de l'agent de brasage et brasage des portions d'assemblage par liaison metallurgique de l'agent de brasage a chacune des portions d'assemblage, caracterise en ce que les premiere et deuxiernes pieces sont 5 conformees pour definir entre elles une pluralite de canaux adaptes pour recoulement d'un premier fluide, l'une et/ou l'autre des portions d'assemblage presentant, prealablement au brasage, une texturation de surface sous la forme d'une structure poreuse ou de reliefs formes sur une surface desdites premiere et/ou deuxieme pieces. 10 Notons que les termes >, on entend les portions des pieces 22, 6 le long desquelles le joint brass est forme, c'est-a-dire les portions qui se retrouvent Hoes metallurgiquement via ('agent de brasage 30. Typiquement les portions d'assemblage 220, 60 peuvent etre celles ou le jeu entre les pieces 22, 6, est 5 le plus faible, typiquement les portions au niveau desquelles les pieces 22, 6 sont en contact ou quasi-contact l'une avec l'autre, c'est-a-dire avec un jeu tres faible existant entre tout ou partie desdites portions, l'une avec l'autre. De preference, un jeu faible est compris entre 0 et 0,1 mm, de preference encore compris entre 0 et 0,05 mm. 10 Selon l'invention, ('element intercalaire 22 et/ou la plaque 6 presentent prealablement au brasage, au moins au niveau de leurs portions d'assemblage 220, 60, une texturation de surface 23 sous la forme d'une structure poreuse ou de reliefs formes sur la surface desdites portions d'assemblage 220, 60. Les inventeurs de la presente invention ont mis en evidence que pour 15 certaines applications, le brasage de pieces avec portions a texturation de surface pouvait etre realise sans preparation particuliere des portions brasses et conduire a des performances satisfaisantes en termes de tenue mecanique. C'est le cas notamment lorsqu'en fonctionnement, les canaux 26 Minis entre une premiere et une deuxieme piece 22, 6 canalisent un premier fluide dont la 20 pression est relativement faible, typiquement inferieure ou egale a 5 bar, de preference une pression comprise entre 1 et 2 bar, comme c'est le cas dans les passages pour l'oxygene du vaporiseur-condenseur precedemment decrit. En outre, it a ete constate que la texturation de surface pouvait participer de facon benefique a la formation du joint brass. En effet, la brasure etant piegee 25 dans la porosite du revetement par les forces capillaires, elle a moins tendance a diffuser a travers les pieces brasses, ce qui limite les risques de dissolution du materiau constitutif des pieces et permet de reduire leur epaisseur. Grace a l'invention, on simplifie le procede de fabrication puisque la texturation de surface peut etre formee ou deposee sur la surface des pieces 30 sans necessiter d'etape supplementaire de masquage ou de post-traitement visant a eliminer la texturation de surface des portions a assembler. De preference, le brasage entre les portions d'assemblage 220, 60 est realise dans le cadre du brasage global de la matrice de l'echangeur. 11 L'empilement de plaques, les elements intercalaires et les autres elements constitutifs de l'Ochangeur sont plaques les uns contre les autres grace a un dispositif de compression. La matrice ainsi formee est placee dans un four sous vide et chauffee a des temperatures comprises entre 550 et 650 °C, de 5 preference de l'ordre de 580 a 600 °C. La force decompression appliquee a Ia matrice est de preference comprise entre 20000 a 40000 N/m2. La force de compression, combinee a l'apport de chaleur, permet de lier les texturations de surface des portions d'assemblage 220, 60 via ('agent de brasage 30. De preference, au moins une surface de l'une et/ou l'autre des 10 premiere et deuxieme pieces 22, 6 presente la texturation de surface 23 en dehors de leurs portions d'assemblage 220, 60, ('agent de brasage 30 etant configure de sorte que, apres le brasage des portions d'assemblage 220, 60, Ia texturation de surface 23 est conservee en dehors de Ia ou des portions d'assemblage 220, 60. 15 En d'autres termes, des caracteristiques de ('agent de brasage 30 telles sa composition chimique ou Ia quantite dispose entre les portions d'assemblage peuvent etre predefinies de fagon a ce que ('infiltration de ('agent de brasage 30 dans Ia texturation de surface n'ait lieu qu'au niveau des portions d'assemblage 220, 60. Ainsi, on minimise, voire on elimine, toute modification 20 de l'etat de surface de la piece a surface intensifiee, ce qui permet de conserver de fagon optimale les proprietes de Ia piece a surface intensifiee et Ia fagon dont celle-ci interagit avec le fluide circulant a son contact. De preference, les premiere et/ou deuxieme pieces 22, 6 presentent ladite texturation de surface 23 sur leurs surfaces positionnees l'une contre 25 I'autre, de preference sur Ia totalite ou Ia quasi-totalite, c'est-à-dire les surfaces participant au joint brass. Avantageusement, les premiere et deuxieme pieces 22, 6 presentent ladite texturation de surface 23 sur Ia totalite ou Ia quasi-totalite de leurs surfaces, comme par exemple represents sur la Figure 3B. Ainsi, on simplifie 30 le procede de fabrication de ('element intercalaire puisque Ia texturation de surface peut etre formee ou deposee sur Ia totalite ou Ia quasi-totalite des surfaces de ('element intercalaire sans necessiter d'etape supplementaire de 12 masquage ou de post-traitement visant a eliminer la texturation de surface des portions a assembler. De preference, la premiere et/ou la deuxieme pieces 22, 6 sont chacune formees a partir d'un substrat massif, en particulier un substrat non-poreux. La 5 texturation de surface 23 est de preference deposee ou formee sur la totalite ou la quasi-totalite de la surface des substrats. A noter que dans la cadre de la presente invention, la quasi-totalite d'une surface, dune piece ou d'une portion s'entend d'une portion representant au moins 90%, de preference au moins 95%, de preference encore au moins 98% 10 de la superficie de cette surface, portion ou de la superficie totale de cette piece. Selon un mode de realisation avantageux, la deuxieme piece 6 est sous la forme d'une plaque formant avec une autre plaque 6 parallele un passage 33 d'echangeur de chaleur. La premiere piece 22 forme un element intercalaire qui, agence entre deux plaques 6 subdivise le passage 33 en une pluralite de 15 canaux 26 de fluide. Ledit element s'etend de preference sur la quasi-totalite, de preference la totalite, de la hauteur des passages de maniere a etre en contact avec chaque plaque 6 formant le passage 33. Selon une variante de realisation, la deuxieme piece 6 peut etre un autre element intercalaire destine a etre agencee dans le meme passage 33 et a etre 20 brase avec ('element intercalaire 22. A noter que la deuxieme piece 6 peut aussi etre une Barre de fermeture de l'echangeur de chaleur. De preference, ('element intercalaire 22 est forme a partir d'un produit plat, tel une tole ou feuillard, presentant deux surfaces opposees 22a, 22b. L'une et/ou l'autre de ces surfaces 22a, 22b presente la texturation de surface 23. Ce 25 produit est ensuite mis en forme mecaniquement, par exemple par un outil de presse. Comme illustre sur la Figure 3A, ('element intercalaire 22 peut etre une structure d'echange thermique ondulee comprenant une succession de jambes d'onde 123 s'etendant selon une direction D1 et reliees alternativement par des 30 sommets d'onde 121 et des bases d'onde 122. Les portions d'assemblage 220 de ('element intercalaire 22 se situent au niveau desdits sommets et bases d'onde 121,122 et presentent une texturation de surface 23. 13 La Figure 3B est une vue en coupe transversale d'une onde droite presentant des jambes d'onde 123 a surface plane. Selon cet exemple de realisation, les canaux 26 formes entre deux jambes d'onde successives presentent une section transversale de forme generale rectangulaire. La 5 direction z est parallele a la direction D1 de la Figure 3A. Plusieurs jambes d'onde 123 de forme longiligne s'etendent parallelement entre elles et globalement suivant une direction dite longitudinale z. Les jambes d'onde 123 se succedent suivant une direction laterale x, qui est perpendiculaire a la direction longitudinale z. Dans cet exemple, les sommets d'onde 121 et les 10 bases d'onde 122 sont de forme plane et s'etendent parallelement entre eux et perpendiculairement aux jambes d'onde 123. D'autre configurations d'element intercalaire 22 sont bien sur envisageables, notamment des configurations du type onde droite perforee, onde a decalage partiel, onde a vagues ou a arete de hareng ( REVENDICATIONS1. Procede d'assemblage par brasage d'une premiere piece (22) et d'une deuxieme piece (6) comportant chacune au moins une portion 5 d'assemblage (220) destinee a etre brasee avec Ia portion d'assemblage (60) de l'autre piece, ledit procede comprenant les etapes suivantes : a) positionnement des portions d'assemblage (220, 60) des premiere et deuxieme piece (22, 6) l'une contre l'autre avec agencement d'un agent de brasage (30) entre lesdites portions d'assemblage (220, 60), 10 b) fusion de ('agent de brasage (30) et brasage des portions d'assemblage (220, 60) par liaison metallurgique de ('agent de brasage (30) a chacune des portions d'assemblage (220, 60), caracterise en ce que les premiere et deuxiemes pieces (22, 6) sont conformees pour definir entre elles une pluralite de canaux (26) adaptes pour 15 recoulement d'un premier fluide, l'une et/ou l'autre des portions d'assemblage (220, 60) presentant, prealablement au brasage, une texturation de surface (23) sous Ia forme d'une structure poreuse ou de reliefs formes sur une surface desdites premiere et/ou deuxieme pieces. 20 2. Procede selon Ia revendication 1, caracterise en ce qu'au moins une surface de l'une et/ou l'autre des premiere et deuxieme pieces (22, 6) presente Ia texturation de surface (23) au-dela des portions d'assemblage (220, 60). 25 3. Procede selon l'une des revendications 1 ou 2, caracterise en ce que la premiere (22) et/ou Ia deuxieme pieces (6) presente ladite texturation de surface (23) sur la totalite ou Ia quasi-totalite de leurs surfaces. 4. Procede selon l'une des revendications precedentes, 30 caracterise en ce que, apres le brasage, la texturation de surface (23) est conservee en dehors des portions d'assemblage (220, 60). 5. Procede selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que, apres le brasage, au moins une partie de la texturation 22 de surface (23) est infiltree par ('agent de brasage (30) au niveau des portions d'assemblage (220, 60). 6. Procede selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que Ia deuxieme piece (6) est sous la forme d'une plaque adaptee pour definir, avec une autre plaque (6) agencee parallelement a ladite plaque, un passage (33) pour un premier fluide, Ia premiere piece (22) formant un element intercalaire destine a etre agence entre deux plaques (6) de maniere a subdiviser le passage (33) en une pluralite de canaux (26). 7. Procede selon la revendication 6, caracterise en ce que ('element intercalaire (22) est sous Ia forme d'un produit ondule comprenant une succession de jambes d'onde (123) reliees alternativement par des sommets d'onde (121) et des bases d'onde (122), au moins une partie desdits sommets d'onde (121) et/ou bases d'onde (122) comprenant une portion d'assemblage (220). 8. Procede selon l'une des revendications precedentes, caracterise en ce que la texturation de surface (23) est sous la forme d'une structure poreuse ayant, prealablement au brasage, une porosite ouverte initiale comprise entre 15 et 60 %, de preference une porosite ouverte initiale comprise entre 20 et 45 % (% en volume). 9. Procede selon rune des revendications precedentes, caracterise en ce que la texturation de surface (23) est sous Ia forme d'une structure poreuse presentant, prealablement au brasage, une porosite ouverte initiale, ladite texturation de surface (23) presentant au niveau des portions d'assemblage (220, 60), apres le brasage, une porosite ouverte residuelle inferieure a ladite porosite ouverte initiale. 10. Procede selon la revendication 9, caracterise en ce que la porosite ouverte residuelle represente de 0 A 90%, de preference de 10 a 50%, de la porosite ouverte initiale. 23 11. Procede selon l'une des revendications 1 a 7, caracterise en ce que la texturation de surface (23) est sous la forme de reliefs detinissant, en coupe transversale, des cavites ouvertes a la surface desdites portions d'assemblage (220, 60). 5 12. Procede selon ('une des revendications precedentes, caracterise en ce comprend, prealablement a l'etape a), une etape d'ajustement de Ia quantite d'agent de brasage (30) en fonction d'au moins un parametre choisi parmi la composition chimique de l'agent de brasage (30), la 10 composition chimique de la texturation de surface (23), la porosite ouverte initiale ou repaisseur de la texturation de surface (23). 13. Procede selon ('une des revendications precedentes, caracterise en ce qu'il comprend, prealablement a l'etape a), les etapes 15 suivantes : - definition d'un volume predetermine contenant une portion predeterminee d'agent de brasage (30) et des portions predeterminees de premiere et/ ou de deuxieme pieces (22, 6) presentant Ia texturation de surface (23), 20 - determination d'un volume de pores ou de cavites ouverts compris dans ledit volume predetermine, - determination d'un facteur dit de liquefaction correspondant a la fraction de Ia portion predeterminee d'agent de brasage (30) qui est fondue a l'etape b), 25 - ajustement d'au moins une dimension de la portion caracteristique d'agent de brasage (30) de sorte que le produit du volume de ladite portion caracteristique d'agent de brasage (30) par le facteur de liquefaction soit inferieur ou egal au volume de pores ou de cavites ouverts. 30 14. Procede selon la revendication 12, caracterise en ce que l'agent de brasage (30) est sous la forme d'une couche de revetement ou d'un feuillard agence sur une des premiere et deuxierne pieces (22, 6), l'agent de brasage (30) s'etendant suivant un plan (P) et ayant une epaisseur (e) mesuree suivant un plan orthogonal audit plan (P), l'ajustement d'au moins une 24 dimension de la portion caracteristique d'agent de brasage (30) consistant en un ajustement de l'epaisseur (e) de ('agent de brasage (30). 15. Procede selon Ia revendication 14, caracterise en ce que 5 ('agent de brasage (30) a une epaisseur (e) comprise entre 50 et 250 pm, de preference comprise entre 100 et 200 pm. 16. Procede de fabrication d'un echangeur de chaleur du type a plaques et ailettes brases, ledit procede comprenant les stapes suivantes : 10 - agencement de plusieurs deuxiemes pieces (6) prenant la forme de plaques (6) parallelement entre elles de fawn a definir une premiere serie de passages (33) pour recoulement d'un premier fluide a mettre en relation d'echange thermique avec au moins un deuxieme fluide, - positionnement d'au moins une premiere piece formant un element 15 intercalaire (22) entre deux plaques (6) successives de fawn a definir au sein d'un passage (33) de la premiere serie des canaux (26) pour recoulement du premier fluide, caracterise en ce qu'iI comprend une etape de brasage de ('element intercalaire (22) avec au moins une plaque (6) au moyen d'un procede conforme 20 a l'une des revendications 1 A 15. 17. Echangeur de chaleur du type a plaques et ailettes brases comprenant une pluralite de plaques (6) agencees parallelement entre elles de fawn a definir des passages (33) pour recoulement d'un premier fluide 25 mettre en relation d'echange thermique avec au moins un deuxieme fluide, et au moins un element intercalaire (22) agencee entre deux plaques (6) successives de fawn a former au sein d'un passage (33) plusieurs canaux (26) pour recoulement dudit premier fluide, caracterise en ce que ('element intercalaire (22) et au moins une plaque (6) forment respectivement une 30 premiere piece (22) et une deuxieme piece (6) assemblees par un procede selon l'une des revendications 1 a 11. 18. Procede d'echange de chaleur entre un premier fluide et au moins un deuxieme fluide dans un echangeur de chaleur selon Ia revendication 25 17, ledit premier fluide s'ecoulant entre ('element intercalaire (22) et la plaque (6) a une pression inferieure ou egale a 5 bar, de preference une pression comprise entre 1 et 2 bar. 5