Brevet FR3062470A1 — publié le 20180803

Plaque d'échange pour échangeur de chaleur à plaques et échangeur de chaleur à plaques correspondant L'invention concerne une plaque d'échange pour échangeur de chaleur à plaques et plus particulièrement une plaque d'échange dont l'empilement permet de former des circuits de circulation de fluides caloporteurs. La présente invention concerne également un échangeur de chaleur à plaques comportant de telles plaques d'échange. De manière générale, les échangeurs de chaleur à plaques comportent un empilement de plaques d'échange comportant des corrugations. Ces corrugations permettent, au sein de l'empilement, la formation de circuits de circulation de fluides caloporteurs distincts entre des entrées et des sorties de fluides. Les corrugations des plaques d'échanges sont généralement régulières ce qui permet notamment la formation d'un premier et d'un deuxième circuit de circulation de fluide symétriques et de même volume. Cette symétrie des deux circuits de circulation de fluides peut ne pas être optimal au niveau des échanges de chaleurs, notamment lorsque les deux fluides sont différents et circulent à des débits différents. Une solution connue pour répondre à ce problème technique est de proposer des circuits de circulation de fluides asymétriques. Une telle solution est décrite dans le document US6237679B1 où les plaques d'échanges sont sinusoïdales avec des méplats entre chaque sinusoïde et sur lesquels le contact entre deux plaques d'échange est effectué. Cependant cette solution n'est pas optimale car au niveau de ces méplats, la surface sur laquelle un fluide caloporteur est en contact thermique avec le même fluide caloporteur mais circulant de l'autre côté des deux plaques d'échange est importante. Cela diminue l'efficacité thermique de l'échangeur de chaleur. 3062470 2 Un des buts de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer une plaque d'échange améliorée ainsi que l'échangeur de chaleur correspondant. 5 La présente invention concerne donc une plaque d'échange pour échangeur de chaleur à plaques, ladite plaque d'échange comportant des corrugations de sorte que lorsque ladite plaque d'échange est en contact su ses deux faces avec une autre plaque, lesdites corrugations forment : 10 ° un premier circuit de circulation de fluide sur une première face dans lequel un premier fluide caloporteur est destiné à circuler, et ° un deuxième circuit de circulation de fluide sur une deuxième face, opposée à la première face, dans lequel un deuxième fluide caloporteur est destiné à circuler, 15 les corrugations comportant des motifs périodiques de reliefs contigus, la périodicité entre les motifs étant réalisée selon deux axes perpendiculaires l'un de l' autre. Le fait que les motifs soient contigus et s'étendent selon deux axes perpendiculaires l'un de l'autre, permet de limiter la superficie de la zone de contact 20 entre les plaques d'échange et ainsi augmente la superficie de la zone où les deux fluides caloporteurs peuvent échanger de la chaleur l'un avec l'autre. Selon un aspect de l'invention, les motifs ont une forme de portion d'ellipsoïde dont le grand diamètre est parallèle au plan de la plaque d'échange, de sorte à former un 25 creux sur la première face et une bosse sur la deuxième face de la plaque d'échange. Selon un autre aspect de l'invention, l'ellipsoïde des portions d'ellipsoïdes est un ellipsoïde aplati. 3062470 3 Selon un autre aspect de l'invention, les portions d'ellipsoïde sont des demi-ellipsoïdes tronqués sur quatre cotés perpendiculaires entre eux et perpendiculairement au plan de la plaque d'échange. 5 Selon un autre aspect de l'invention, les quatre côtés tronqués des motifs sont de même longueur. Selon un autre aspect de l'invention, les motifs en portion d'ellipsoïde 10 comprennent sur leur périphérie une demi-gorge sur la deuxième face de la plaque d'échange de sorte à former une gorge de circulation d'un deuxième fluide caloporteur entre deux motifs, ladite gorge formant une arrête sur la première face de la plaque d'échange, ladite gorge ayant une section de forme semi-elliptique. 15 Selon un autre aspect de l'invention, le grand diamètre de la portion d'ellipsoïde des motifs est supérieur à la largeur de la gorge. La présente invention concerne également un échangeur de chaleur à plaque comportant un empilement de plaques d'échange telles que décrient précédemment, 20 lesdites plaques d'échange étant empilées de sorte que : ° les premières faces sont en regard l'une de l'autre afin de former un premier circuit de circulation de fluide, et ° les deuxièmes faces sont en regard l'une de l'autre afin de former un deuxième circuit de circulation de fluide. 25 Selon un aspect de l'échangeur selon l'invention, les points de contacts entre les plaques d'échanges sur leurs premières faces sont réalisés au niveau des jonctions des coins des motifs de sorte que les motifs forment des reliefs en coussinet. 3062470 4 Selon un autre aspect de l'échangeur selon l'invention, les deuxièmes faces des plaques d'échange sont en contact les unes des autres au niveau des sommets des motifs de sorte à former un deuxième circuit de circulation d'un deuxième fluide caloporteur 5 entre lesdites plaques d'échanges. Selon un aspect de l'échangeur selon l'invention, l'empilement de plaques d'échange est disposé entre deux plaques planes de terminaison. 10 Selon un aspect de l'échangeur selon l'invention, le ratio de diamètre hydraulique entre le premier circuit de circulation de fluide et le deuxième circuit de circulation de fluide est compris entre 1 et 3. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement 15 à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 montre une représentation schématique en vue de dessus d'un empilement de deux plaques d'échange, - la figure 2 montre une représentation schématique éclatée et en perspective 20 d'une portion de la zone corruguée de deux plaques d'échange selon un premier mode de réalisation, - la figure 3 montre une représentation schématique en perspective d'une portion de la zone corruguée des deux plaques d'échange de la figure 2 jointes, - la figure 4 montre une représentation schématique en perspective d'une portion 25 de la zone corruguée de quatre plaques d'échange de la figure 2 jointes, - la figure 5 montre une représentation schématique en perspective et en coupe d'une portion de la zone corruguée des quatre plaques d'échange jointes de la figure 4, 3062470 5 - la figure 6 montre une représentation schématique en coupe d'une portion de la zone corruguée d'une plaque d'échange selon un deuxième mode de réalisation, - la figure 7 montre un graphique de l'évolution du ratio du diamètre hydraulique entre un premier et un deuxième circuit de circulation de fluide, 5 - les figures 8a et 8b montrent des représentations schématiques en coupe d'une portion de la zone corruguée d'un échangeur de chaleur comportant des plaques d'échange de la figure 6. Les éléments identiques sur les différentes figures, portent les mêmes références. 10 Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents 15 modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d'autres réalisations. Dans la présente description, on peut indexer certains éléments ou paramètres, comme par exemple premier élément ou deuxième élément ainsi que premier paramètre 20 et deuxième paramètre ou encore premier critère et deuxième critère etc. Dans ce cas, il s'agit d'un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres ou critères proches mais non identiques. Cette indexation n'implique pas une priorité d'un élément, paramètre ou critère par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. 25 Cette indexation n'implique pas non plus un ordre dans le temps par exemple pour apprécier tels ou tels critères. 3062470 6 Comme le montre la figure 1, un échangeur de chaleur à plaques 1 comporte un empilement de plaques d'échange 10. Ces plaques d'échange 10 comportent notamment une zone centrale comportant des corrugations 3. Lorsque les plaques d'échange 10 sont empilées, lesdites corrugations 3 forment : 5 ° un premier circuit de circulation de fluide A (visible sur les figures 3 à 5) sur une première face 10a des plaques d'échange 10 et dans lequel un premier fluide caloporteur est destiné à circuler, et ° un deuxième circuit de circulation de fluide B (visible sur les figures 4 et 5) sur une deuxième face 10b, opposée à la première face 10a, des plaques 10 d'échange 10 et dans lequel un deuxième fluide caloporteur est destiné à circuler. La circulation des premier et deuxième fluides caloporteurs s'effectue notamment entre une entrée de fluide 2a et une sortie de fluide 2b. Comme illustré à la 15 figure 1, la circulation au sein des premier A et deuxième B circuits de circulation de fluides peut notamment être à contre-courant pour maximiser les échanges de chaleur entre les premier et deuxième fluides caloporteurs. Comme le montrent notamment les figures 2 et 3, les corrugations 3 comportent 20 des motifs 20 périodiques de reliefs contigus. La périodicité entre les motifs 20 est réalisée selon deux axes X, Y perpendiculaires l'un de l'autre. Le fait que les motifs 20 soient contigus et s'étendent selon deux axes X, Y perpendiculaires l'un de l'autre, permet de limiter la superficie de la zone de contact entre les plaques d'échange 10 et ainsi augmente la superficie de la zone où les deux 25 fluides caloporteurs peuvent échanger de la chaleur l'un avec l'autre. Un telle plaque d'échange 10 est généralement réalisée en métal et les motifs 20 des corrugations 3 sont obtenus par emboutissage. 3062470 7 Plus particulièrement, les motifs 20 peuvent avoir une forme de portion d'ellipsoïde dont le grand diamètre D20 (visible sur la figure 6) est parallèle au plan de la plaque d'échange 10. Cette configuration en portion d'ellipsoïde des motifs 20 fait que la première face 10a de la plaque d'échange 10 comporte un creux pour chaque 5 motif 20 et que la deuxième face 10b comporte une bosse pour chaque motif 20. L'ellipsoïde des portions d'ellipsoïdes peut notamment être un ellipsoïde aplatie, c'est-à-dire que son petit diamètre d20 (visible sur la figure 6) est son diamètre de révolution. 10 Comme le montrent les figures 2 à 5, les portions d'ellipsoïde peuvent être des demi-ellipsoïdes tronqués sur quatre cotés perpendiculaires entre eux et perpendiculairement au plan de la plaque d'échange 10. Plus particulièrement, les quatre côtés tronqués des motifs 20 sont de même longueur, ce qui fait que les motifs 20 ont une forme carrée lorsque la plaque d'échange 10 est regardée d'un point de vue 15 perpendiculaire à son plan XY. Comme le montrent les figures 2 et 3, lorsque deux plaques d'échange 10 sont accolées l'une à l'autre avec leurs premières faces 10a en regard l'une de l'autre, les points de contacts 25 entre ces plaques d'échanges 10 sur leurs premières faces 10a sont 20 réalisés au niveau des jonctions des coins des motifs 20. De cette façon, les motifs 20 forment des reliefs en coussinet. Ces coussinets sont ouverts sur leurs quatre cotés du fait des troncatures et forment le premier circuit de circulation A du premier fluide caloporteur. Le premier fluide caloporteur peut ainsi circuler d'un motif 20 à un autre aussi bien selon l'axe X que selon l'axe Y du fait des troncatures. 25 Comme le montrent les figures 4 et 5, lorsque deux plaques d'échange 10 sont accolées l'une à l'autre avec leurs deuxièmes faces 10a en regard l'une de l'autre, les plaques d'échange 10 sont en contact les unes des autres au niveau des sommets des motifs 20. Du fait de la forme en portion d'ellipsoïde les plaques d'échanges 10 forment 3062470 8 le deuxième circuit de circulation B du deuxième fluide caloporteur. Le deuxième fluide caloporteur peut ainsi circuler d'un motif 20 à un autre aussi bien selon l'axe X que selon l'axe Y du fait de la forme en portion d'ellipsoïde. Le fait que ce contact se fait au niveau des sommets des motifs 20, qui ont notamment une forme en portion 5 d'ellipsoïde, permet de limiter la surface sur laquelle le premier fluide caloporteur circulant entre deux plaques d'échange 10 est en contact avec le premier fluide caloporteur circulant entre deux autres plaques d'échange 10. De plus, cette forme en portion d'ellipsoïde des motifs 20 permet d'avoir des 10 premier A et deuxième B circuit de circulation asymétriques, c'est-à-dire dont le diamètre hydraulique est différent. Cela est particulièrement avantageux lorsque les premier et deuxième fluides caloporteurs sont de nature différentes et/ou circulent à des débits différents. Selon le type d'échangeur de chaleur et surtout les fluides caloporteurs qui 15 seront amenés à circuler dans les premier A et deuxième B circuit de circulation de fluide, il est possible, en choisissant un grand diamètre D20 des motifs 20 en portion d'ellipsoïde adapté, de définir le diamètre hydraulique des différents circuits afin qu'ils soient optimaux. 20 Selon un mode de réalisation particulier, illustré notamment à la figure 6, les motifs 20 en portion d'ellipsoïde peuvent également comprendre sur leur périphérie une demi-gorge sur la deuxième face 10b de la plaque d'échange 10 de sorte à former une gorge 27 de circulation d'un deuxième fluide caloporteur entre deux motifs 20. La gorge 27 forme une arrête sur la première face 10a de la plaque d'échange 10. 25 Comme le montre la figure 6, la gorge 27 peut également avoir une section de forme semi-elliptique et donc comporter un premier diamètre D27 et un deuxième diamètre d27. Le deuxième diamètre d27 de la gorge 27 correspond à sa largeur, c'est à dire que le deuxième diamètre d27 de la gorge 27 est parallèle au grand diamètre D20 de la portion d'ellipsoïde du motif 20. 3062470 9 Sur la figure 6, le deuxième diamètre d27 correspond plus exactement au petit diamètre de l'ellipse. Dans ce cas, le premier diamètre D27 est supérieur au deuxième diamètre d27. Il est cependant tout à fait possible d'imaginer un cas où le deuxième diamètre d27 correspond au grand diamètre de l'ellipse. Dans ce cas, le premier 5 diamètre D27 sera inférieur au deuxième diamètre d27. Afin que la gorge 27 soit bien marquée, le grand diamètre D20 de la portion d'ellipsoïde des motifs 20 est de préférence supérieur à la largeur de la gorge 27. La demi-gorge de chaque motif 20 et donc la gorge 27 suit le bord de la portion d'ellipsoïde des motifs 20. 10 De même que précédemment, selon le type d'échangeur de chaleur 1 et surtout selon les fluides caloporteurs qui seront amenés à circuler dans les premier A et deuxième B circuits de circulation de fluide, il est possible, en choisissant un grand diamètre D20 des motifs 20 en portion d'ellipsoïde et une largeur de la gorge 27 15 adaptés, de définir le diamètre hydraulique des différents circuits afin qu'ils soient optimaux. De préférence, le ratio de diamètre hydraulique entre le premier circuit de circulation de fluide A et le deuxième circuit de circulation de fluide B est compris entre 20 1 et 3. La figure 7 montre notamment un graphique de l'évolution du ratio de diamètre hydraulique entre le premier circuit de circulation de fluide A et le deuxième circuit de circulation de fluide B en fonction du grand diamètre D20 de la portion d'ellipsoïde des motifs 20 et du deuxième diamètre d27 de la gorge 27, soit sa largeur. Sur ce graphique, 25 le premier diamètre D27 de la gorge 27 et le petit diamètre d20 de la portion d'ellipsoïde sont de lmm. Le grand diamètre D20 de la portion d'ellipsoïde des motifs 20 peut ainsi par exemple varier entre 1 et 5 mm alors que le deuxième diamètre d27 de la gorge 27 peut quant à lui par exemple varier entre 1 et 4 mm. 3062470 10 Les figures 8a et 8b montrent des représentations schématiques en coupe d'un échangeur de chaleur 1 à différents endroits. L'empilement de plaques formant l'échangeur de chaleur 1 comporte ici quatre plaques d'échange 10 ainsi que deux plaques planes 11 de terminaison. L'empilement de plaques d'échange 10 est disposé 5 entre les deux plaques planes 11 de terminaison. Les plaques d'échange 10 sont empilées de sorte que : ° les premières faces 10a sont en regard l'une de l'autre afin de former le premier circuit de circulation de fluide A, et ° les deuxièmes faces 10b sont en regard l'une de l'autre afin de former le 10 deuxième circuit de circulation de fluide B. De plus, aux extrémités de l'empilement des plaques d'échanges 10, les plaques planes 11 sont en regards des premières faces 10a des plaques d'échanges 10 extrémales. 15 La figure 8a est une coupe réalisée selon un des axes X ou Y sur le plan formé par les petits diamètres d20 des portions d'ellipsoïde des motifs 20 (au même titre que la coupe de la figure 5). Sur cette figure 8a, sur les deuxièmes faces 10b des plaques d'échange 10, les sommets des portions d'ellipsoïde des motifs 20 sont en contact les uns des autres. Sur les premières faces 10a, les arrêtes des gorges 27 ne sont pas en 20 contact les unes des autres du fait de la forme en portion d'ellipsoïde des motifs 20. La figure 8b est une coupe réalisée selon un des axes X ou Y sur le plan formé par les points de contacts 25 entre les plaques d'échanges 10 sur leurs premières faces 10a (au même titre que la coupe des figures 2, 3 et 4). Sur cette figure 8b, sur les premières faces 10a, les arêtes des gorges 27 sont en contact les unes des autres. Sur les 25 deuxièmes faces 10b des plaques d'échange 10, les sommets des portions d'ellipsoïde des motifs 20 ne sont pas en contact les un des autres du fait de la forme en portion d'ellipsoïde des motifs 20. 3062470 11 Ainsi, on voit bien que la plaque d'échange 10 selon l'invention permet de part sa forme particulière de diminuer la superficie des zones de contact où un fluide caloporteur est en contact thermique avec le même fluide caloporteur circulant entre deux autres plaques d'échange 10. Du fait que cette superficie est diminuée, la surface 5 de contact entre deux fluides caloporteurs distincts est augmentée ce qui améliore les performances de l'échangeur de chaleur 1. REVENDICATIONS1. Plaque d'échange (10) pour échangeur de chaleur à plaques, ladite plaque d'échange (10) comportant des corrugations (3) de sorte que lorsque ladite plaque d'échange (10) est en contact su ses deux faces (10a, 10b) avec une autre plaque (10, 11), lesdites corrugations (3) forment : ° un premier circuit de circulation de fluide (A) sur une première face (10a) dans lequel un premier fluide caloporteur est destiné à circuler, et ° un deuxième circuit de circulation de fluide (B) sur une deuxième face (10b), opposée à la première face (10a), dans lequel un deuxième fluide caloporteur est destiné à circuler, caractérisée en ce que les corrugations (3) comportent (20) des motifs périodiques de reliefs contigus, la périodicité entre les motifs (20) étant réalisée selon deux axes (X, Y) perpendiculaires l'un de l'autre. 2. Plaque d'échange (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les motifs (20) ont une forme de portion d'ellipsoïde dont le grand diamètre est parallèle au plan de la plaque d'échange (10), de sorte à former un creux sur la première face (10a) et une bosse sur la deuxième face (10b) de la plaque d'échange (10). 3. Plaque d'échange (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'ellipsoïde des portions d'ellipsoïdes est un ellipsoïde aplati. 4. Plaque d'échange (10) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les portions d'ellipsoïde sont des demi-ellipsoïdes 3062470 13 tronqués sur quatre cotés perpendiculaires entre eux et perpendiculairement au plan de la plaque d'échange (10). Plaque d'échange (10) selon la revendication 4, caractérisée en ce que les quatre côtés tronqués des motifs (20) sont de même longueur. Plaque d'échange (10) selon l'une des revendication 2 à 5, caractérisée en ce que les motifs (20) en portion d'ellipsoïde comprennent sur leur périphérie une demi-gorge sur la deuxième face (10b) de la plaque d'échange (10) de sorte à former une gorge (27) de circulation d'un deuxième fluide caloporteur entre deux motifs (20), ladite gorge (27) formant une arrête sur la première face (10a) de la plaque d'échange (10), ladite gorge (27) ayant une section de forme semielliptique. Plaque d'échange (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le grand diamètre (D20) de la portion d'ellipsoïde des motifs (20) est supérieur à la largeur de la gorge (27). Échangeur de chaleur (1) à plaque comportant un empilement de plaques 20 d'échange (10) selon l'une des revendications 1 à 7, lesdites plaques d'échange (10) étant empilées de sorte que : ° les premières faces (10a) sont en regard l'une de l'autre afin de former un premier circuit de circulation de fluide (A), et ° les deuxièmes faces (10b) sont en regard l'une de l'autre afin de former un 25 deuxième circuit de circulation de fluide (B). 9. Échangeur de chaleur (1) à plaque selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les plaques d'échanges (10) sont selon l'une des revendications 4 ou 5 5. 5 6. 10 157. 8. 3062470 14 et que les points de contacts (25) entre les plaques d'échanges (10) sur leurs premières faces (10a) sont réalisés au niveau des jonctions des coins des motifs (20) de sorte que les motifs (20) forment des reliefs en coussinet. 5 10. Échangeur de chaleur (1) à plaque selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que les deuxièmes faces (10b) des plaques d'échange (10) sont en contact les unes des autres au niveau des sommets des motifs (20) de sorte à former un deuxième circuit de circulation (B) d'un deuxième fluide caloporteur entre lesdites plaques d'échanges (1). 10 11. Échangeur de chaleur à plaque selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'empilement de plaques d'échange (10) est disposé entre deux plaques planes (11) de terminaison. 15 12. Échangeur de chaleur à plaque selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que le ratio de diamètre hydraulique entre le premier circuit de circulation de fluide (A) et le deuxième circuit de circulation de fluide (B) est compris entre 1 et 3.