Brevet FR3146984A1 — publié le 20240927

L’invention concerne un échangeur de chaleur (2) comprenant une première plaque (8) et une deuxième plaque (10), la deuxième plaque étant fixée à la première plaque pour former un premier conduit ; la première plaque et la deuxième plaque ayant chacune une première face (18) et une deuxième face (20) opposée à la première face, la première et la deuxième plaque ayant chacune deux bords opposés (22) et une bande centrale, au moins une face parmi la première face (18) et la deuxième face (20) d’au moins une plaque comporte des nervures (28). Les nervures possèdent des sections ayant des dimensions différentes, Les dimensions des sections d’au moins la moitié des nervures diminuent progressivement entre la bande centrale et les bords (22) de la plaque. L’invention concerne également l’utilisation d’une méthode d’optimisation topologique pour définir des sections des nervures (28) d’un échangeur de chaleur (2). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 3A Echangeur de chaleur et utilisation d’une méthode d’optimisation topologique Domaine technique de l’invention La présente invention se rapporte aux échangeurs de chaleur, et en particulier aux échangeurs de chaleurs à plaque. La présente invention concerne également l’utilisation d’une méthode d’optimisation topologique pour définir des échangeurs de chaleur. Etat de la technique antérieure Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans presque tous les secteurs industriels, y compris les centrales électriques, les appareils électroniques et les processus de fabrication de matériaux, etc. Il a été démontré que les dispositifs comprenant des surfaces étendues comme des ailettes sont les plus efficaces pour améliorer le taux de transfert de chaleur Ces dispositifs ont l’inconvénient de générer une perte hydraulique importante pour le flux traversant l’échangeur de chaleur. Par conséquent, la forme, la taille et la disposition des ailettes est importante pour parvenir à un bon compromis entre l'amélioration du taux de transfert de chaleur et la puissance de pompage requise. Présentation de l’invention La présente invention a pour but de proposer un nouveau type d’échangeurs de chaleur améliorant les performances thermo hydrauliques, c'est-à-dire augmentant le taux de transfert de chaleur pour une perte hydraulique donnée, ou réduisant la perte hydraulique pour un même taux de transfert de chaleur. La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur comprenant une première plaque et une deuxième plaque, la deuxième plaque étant fixée à la première plaque pour former un premier conduit traversé par un premier fluide s’écoulant selon une direction d’écoulement; la première plaque et la deuxième plaque ayant chacune une première face en contact thermique avec le premier fluide, et une deuxième face opposée à la première face, la deuxième face étant en contact thermique avec un deuxième fluide ; la première et la deuxième plaque s’étendant chacune dans un plan médian, la première et la deuxième plaque ayant chacune deux bords opposés et une bande centrale, au moins une face parmi la première face et la deuxième face d’au moins une plaque parmi la première plaque et la deuxième plaque comporte des nervures s’étendant selon la direction d’écoulement, caractérisé en ce que les nervures possèdent des sections ayant des dimensions différentes, lesdites sections étant définies selon un plan de coupe perpendiculaire à la direction d’écoulement ; et en ce que les dimensions des sections d’au moins la moitié des nervures diminuent progressivement entre la bande centrale et les bords de ladite au moins une plaque. Avantageusement, les nervures permettent de créer des turbulences locales et de casser l’écoulement de la couche limite. Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : Les nervures présentent des hauteurs différentes, lesdites hauteurs des nervures étant définies selon un axe perpendiculaire au plan médian de ladite au moins une plaque, et en ce que les hauteurs d’au moins la moitié des nervures diminuent progressivement entre la bande centrale et lesdits bords de ladite au moins une plaque. Au moins la moitié des nervures, et de préférence au moins 80% des nervures, présentent des largeurs différentes ; lesdites largeurs étant définies selon une direction perpendiculaire à la direction d’écoulement et appartenant au plan médian de ladite au moins une plaque. Les largeurs d’au moins la moitié des nervures, et de préférence les largeurs d’au moins 80% des nervures, diminuent progressivement entre la bande centrale et lesdits bords. Les nervures sont formées à partir d’une méthode de fabrication additive. Les nervures sont formées par un procédé d’emboutissage de ladite au moins une plaque. Les nervures présentent une section rectangulaire dans un plan de coupe perpendiculaire au plan médian de la plaque, ledit plan de coupe étant perpendiculaire à la direction d’écoulement. Les hauteurs de l’ensemble des nervures diminuent progressivement entre la bande centrale et les bords de ladite au moins une plaque. Les largeurs de l’ensemble des nervures diminuent progressivement entre la bande centrale et lesdits bords de ladite au moins une plaque. L’échangeur de chaleur comporte une troisième plaque fixée à la deuxième plaque pour former un deuxième conduit traversé par le deuxième fluide, la troisième plaque ayant une première face en contact thermique avec le deuxième fluide et une deuxième face opposée à la première face, la deuxième face étant en contact thermique avec le premier fluide, et dans lequel la première face et la deuxième face de la première plaque, de la deuxième plaque et de la troisième plaque comporte des nervures possédant des sections ayant des dimensions différentes. L’invention a également pour objet une utilisation d’une méthode d’optimisation topologique pour définir des sections des nervures d’un échangeur de chaleur conformé selon l’une des caractéristiques mentionnées ci-dessus. Selon un mode de réalisation, une méthode d’optimisation topologique est utilisée pour définir la distribution desdites nervures. Brève description des figures est vue schématique de principe d’un échangeur de chaleur selon la présente invention ; est une vue schématique en perspective d’une partie d’un échangeur de chaleur sectionné selon un plan A-A illustré sur la , l’échangeur de chaleur étant réalisé selon un premier mode de réalisation de l’invention ; est une vue schématique de dessus de la partie de l’échangeur de chaleur illustré sur la ; est un agrandissement d’une première nervure illustrée de la ; est un agrandissement d’une deuxième nervure illustrée sur la ; est une vue schématique de face d’une plaque de l’échangeur de chaleur illustré sur la ; est une vue schématique en perspective d’une partie d’un échangeur de chaleur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ; est une vue schématique d’une section de l’échangeur de chaleur illustré sur la ; est un agrandissement d’une première nervure illustrée de la ; est un agrandissement d’une première nervure illustrée de la ; est une vue schématique de côté de deux plaques d’un échangeur de chaleur selon le deuxième mode de réalisation ; est un graphe représentant les évolutions d’un critère d’évaluation de performance en fonction du nombre de Reynolds pour un échangeur de chaleur connu et un échangeur de chaleur selon le deuxième mode de réalisation de l’invention ; et est un graphe représentant l’évolution des nombres de champs de synergie en fonction du nombre de Reynolds pour différents échangeurs de chaleur. Description détaillée de l’invention La est une vue de principe d’un échangeur de chaleur 2 selon la présente invention. Cet échangeur de chaleur comprend des plaques fixées les unes aux autres directement, ou par l’intermédiaire d’un joint. Ces plaques forment d’une part, un premier conduit 12 traversé par un premier fluide 4 et d’autre part un deuxième conduit 16 traversé par un deuxième fluide 6. Cet échangeur de chaleur permet d’échanger de la chaleur entre le premier fluide et le deuxième fluide. Le premier et le deuxième fluide peuvent être des liquides ou des gaz. Sur le schéma illustré à titre d’exemple, le premier fluide traverse l’échangeur de chaleur selon une direction d’écoulement E. Le deuxième fluide traverse l’échangeur dans un sens opposé à la direction d’écoulement E. En variante, le premier fluide et le deuxième fluide parcours l’échangeur de chaleur selon des directions identiques ou selon des directions différentes. En référence 2, l’échangeur de chaleur 2 comporte au moins une première plaque 8, une deuxième plaque 10 fixée à la première plaque pour former le premier conduit 12, et une troisième plaque 14 fixée à la deuxième plaque 10 pour former le deuxième conduit 16. La première conduite 12 est en contact, et en particulier en contact thermique, avec le premier fluide 4. La deuxième conduite 14 est en contact, et en particulier en contact thermique, avec le deuxième fluide 6. En référence aux figures 2 à 4, les plaques 8, 10, 14 comportent chacune une première face 18 et une deuxième face 20 opposée à la première face 18. Les plaques présentent une forme générale rectangulaire. Elles possèdent chacune deux bords longitudinaux 22 parallèles à une direction longitudinale L et deux bords transversaux 24 parallèles à une direction transversale T. La direction transversale T est perpendiculaire à la direction longitudinale L. Le plan médian (L, T) d’une plaque est défini par la direction longitudinale L et la direction transversale T. Dans les modes de réalisation illustrés, la direction d’écoulement E du premier fluide est parallèle à la direction longitudinale L. Les premières 8 et les deuxièmes 10 plaques comportent en outre une bande centrale 26 centrée par rapport aux bords longitudinaux 22. Si l’on considère le segment formé par un bord transversal 24 et que l’on détermine la médiatrice M de ce segment. La bande centrale 26 est disposée sur une zone adjacente à cette médiatrice M. Cette bande centrale s’étend selon la direction longitudinale L tout le long de la plaque. La première face 18 et la deuxième face 20 des plaques 8, 10, 14 sont pourvues de nervures 28. Les nervures s’étendent selon la direction longitudinale L tout le long de la plaque. Pour simplifier la , les nervures n’ont pas été représentées sur la face 20 de la plaque 14. Les nervures 28 présentent chacune une section S hachurée sur les figures 3B et 3C. Les sections des nervures présentent des dimensions différentes. Les dimensions des nervures 28 sont définies par le volume qu’elles occupent. Une méthode d’optimisation topologique a été utilisée à l’aide d’un processeur pour définir les sections et la distribution des nervures sur chaque plaque. La distribution et la forme des nervures varient en fonction de critères tel que la viscosité, le sens des fluides etc. En conséquence, les nervures présentent des formes différentes. Par exemple, les nervures 28 peuvent présenter des formes sensiblement triangulaires, tronconiques ou semi-circulaires. En conséquence également, les nervures présentent des dimensions qui varient d’une nervure à l’autre. La dimension d’une nervure comprend au moins la hauteur d’une nervure ou la largeur d’une nervure. Avantageusement, les dimensions d’au moins la moitié des nervures diminuent progressivement entre la bande centrale 26 et les bords longitudinaux 22. En particulier, les nervures 28 présentent des hauteurs h1, h2 différentes. La hauteur h1, h2 d’une nervure est définie selon la présente demande de brevet, comme la mesure de la nervure selon un axe perpendiculaire au plan médian (L, T) de chaque plaque. Dans le mode de réalisation représenté, les hauteurs h1, h2 d’au moins la moitié des nervures diminuent progressivement entre la bande centrale 26 et les bords longitudinaux 22 de chaque plaque. Selon une variante non représentée, les hauteurs h1, h2 de l’ensemble des nervures diminuent progressivement entre la bande centrale 26 et les bords longitudinaux 22. Avantageusement, au moins la moitié les nervures 28, et de préférence au moins 80% des nervures, présentent des largeurs LA1, LA2 différentes. La largeur LA1 d’une nervure est définie dans la présente demande de brevet comme étant la dimension d’une nervure mesurée selon une direction perpendiculaire à la direction d’écoulement E et appartenant au plan médian de la plaque. Dans la présente demande de brevet, les largeurs LA1, LA2 des nervures sont mesurées dans une zone proche de la plaque. De préférence, les largeurs LA1, LA2 d’au moins la moitié des nervures, et de préférence les largeurs LA1, LA2 d’au moins 80% des nervures, diminuent progressivement entre la bande centrale 26 et les bords longitudinaux de la plaque. De préférence, les nervures 28 sont formées à partir d’une méthode de fabrication additive. En variante, les nervures 28 sont formées par emboutissage d’une tôle. Les figures 5 et 6 représentent un échangeur de chaleur 30 selon un second mode de réalisation de l’invention. L’échangeur de chaleur 30 selon le second mode de réalisation de l’invention est plus facilement réalisable par un procédé d’emboutissage. Les éléments techniques du deuxième mode de réalisation identiques ou similaires aux éléments techniques du premier mode de réalisation portent les mêmes références et ne seront pas décrits en détails une seconde fois. L’échangeur de chaleur 30 comporte au moins une première plaque 32, une deuxième plaque 34 et une troisième plaque 36. La première plaque 32 est fixée à la deuxième plaque 34 pour former le premier conduit 12. La deuxième plaque 34 est fixée à la troisième plaque 36 pour former un deuxième conduit. La première face 18 et la deuxième 20 des plaques 32, 34 et 36 comportent des nervures 38. Dans ce mode de réalisation, les nervures présentent toutes une section S de forme rectangulaire. La section d’une nervure est définie par un plan de coupe perpendiculaire au plan médian (L,T) de la plaque, le plan de coupe étant parallèle à la direction transversale T. En variante, les nervures présentent toutes une section S de forme triangulaire, semi-circulaire ou en forme de tronc de cône. Selon ce mode de réalisation, les hauteurs h1, h2 de l’ensemble des nervures 38 diminuent progressivement entre la bande centrale 26 et les bords 22 de chaque plaque. De préférence, les nervures 28 présentent une hauteur h1, h2 qui varie de 1,5 millimètres au centre de la bande central 26 à 0, 5 millimètres à proximité de chaque bord latéral 22. Selon ce mode de réalisation, les largeurs LA1, LA2 de l’ensemble des nervures diminuent progressivement entre la bande centrale 26 et les bords 22 de chaque plaque. De préférence, les nervures 28 présentent une largeur LA1, LA2 qui varie de 6 millimètres au centre de la bande central 26 à 1 millimètre à proximité de chaque bord latéral 22. La représente une vue schématique de côté d’une première 32 et d’une deuxième 34 plaques d’un échangeur de chaleur selon le deuxième mode de réalisation. La est un graphe représentant l’évolution 40 d’un critère d’évaluation de performance PEC en fonction du nombre de Reynolds pour un échangeur de chaleur connu, et l’évolution 42 d’un critère d’évaluation de performance PEC en fonction du nombre de Reynolds pour un échangeur de chaleur 30 selon le deuxième mode de réalisation de l’invention. Le critère d’évaluation de performance PEC est le rapport entre le coefficient de transfert de chaleur et la perte de charge. Comme visible sur ce graphe, la performance PEC de l’échangeur de chaleur augmente lorsque le nombre de Reynolds augmente. Alors que cette performance PEC stagne dans le cas d’un échangeur de chaleur connu. La est un graphe représentant l’évolution 44 du nombre de champs de synergie (de l’anglais « synergy field number ») en fonction du nombre de Reynolds pour un échangeur de chaleur classique, l’évolution 46 du nombre de champs de synergie en fonction du nombre de Reynolds pour un échangeur de chaleur 2 selon le premier mode de réalisation et l’évolution 48 du nombre de champs de synergie en fonction du nombre de Reynolds pour un échangeur de chaleur 30 selon le deuxième mode de réalisation. Le nombre de champs de synergie est le rapport entre le gradient de température et les vecteurs de vitesse du fluide. Avantageusement, comme visible sur la , les échangeurs de chaleurs 2, 30 selon le premier et le deuxième modes de réalisation présentes des champs de synergie supérieurs au champs de synergie d’un échangeur de chaleur classique dès que le nombre de Reylnolds est supérieur à 800. L’invention concerne également l’utilisation d’une méthode d’optimisation topologique mise en œuvre par un processeur pour définir des sections S des nervures 28 de l’échangeur de l’échangeur de chaleur 2 selon le premier mode de réalisation. De préférence, une méthode d’optimisation topologique est également utilisée pour définir la distribution des nervures 28 de l’échangeur de l’échangeur de chaleur 2 selon le premier mode de réalisation. Echangeur de chaleur (2, 30) comprenant une première plaque (8,32) et une deuxième plaque (10,34), la deuxième plaque étant fixée à la première plaque pour former un premier conduit (12) traversé par un premier fluide (4) s’écoulant selon une direction d’écoulement (E); la première plaque (8,32) et la deuxième plaque (10, 34) ayant chacune une première face (18) en contact thermique avec le premier fluide, et une deuxième face (20) opposée à la première face, la deuxième face (20) étant en contact thermique avec un deuxième fluide (6) ; la première et la deuxième plaque s’étendant chacune dans un plan médian (L, T), la première et la deuxième plaque ayant chacune deux bords opposés (22) et une bande centrale (26), au moins une face parmi la première face (18) et la deuxième face (20) d’au moins une plaque parmi la première plaque (8,32) et la deuxième plaque (10,34) comporte des nervures (28,38) s’étendant selon la direction d’écoulement, caractérisé en ce que les nervures possèdent des sections (S) ayant des dimensions différentes, lesdites sections (S) étant définies selon un plan de coupe perpendiculaire à la direction d’écoulement (E) ; et en ce que les dimensions des sections (S) d’au moins la moitié des nervures diminuent progressivement entre la bande centrale (26) et les bords (22) de ladite au moins une plaque. Echangeur de chaleur (2, 30) selon la revendication 1, dans lequel les nervures (28,38) présentent des hauteurs (h1, h2) différentes, lesdites hauteurs (h1, h2) des nervures étant définies selon un axe perpendiculaire au plan médian (L,T) de ladite au moins une plaque, et en ce que les hauteurs (h1, h2) d’au moins la moitié des nervures diminuent progressivement entre la bande centrale (26) et lesdits bords (22) de ladite au moins une plaque. Echangeur de chaleur (2, 30) selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel au moins la moitié des nervures (28,38), et de préférence au moins 80% des nervures, présentent des largeurs différentes (LA1, LA2) ; lesdites largeurs étant définies selon une direction perpendiculaire à la direction d’écoulement (E) et appartenant au plan médian (L, T) de ladite au moins une plaque. Echangeur de chaleur (2, 30) selon la revendication 3, dans lequel les largeurs (LA1, LA2) d’au moins la moitié des nervures (28,38), et de préférence les largeurs d’au moins 80% des nervures, diminuent progressivement entre la bande centrale (26) et lesdits bords (22). Echangeur de chaleur (2, 30) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les nervures (28,38) sont formées à partir d’une méthode de fabrication additive. Echangeur de chaleur (2, 30) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les nervures (28,38) sont formées par un procédé d’emboutissage de ladite au moins une plaque. Echangeur de chaleur (30) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les nervures (28,38) présentent une section rectangulaire dans un plan de coupe perpendiculaire au plan médian (L, T) de la plaque, ledit plan de coupe étant perpendiculaire à la direction d’écoulement (E). Echangeur de chaleur (30) selon la combinaison des revendications 3 et 7, dans lequel les hauteurs (h1, h2) de l’ensemble des nervures (38) diminuent progressivement entre la bande centrale (26) et les bords (22) de ladite au moins une plaque. Echangeur de chaleur (30) selon la combinaison des revendications 2 et 7, dans lequel les largeurs (LA1, LA2) de l’ensemble des nervures (38) diminuent progressivement entre la bande centrale (26) et lesdits bords (22) de ladite au moins une plaque. Echangeur de chaleur (2, 30) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, qui comporte une troisième plaque (14,36) fixée à la deuxième plaque (10,34) pour former un deuxième conduit (16) traversé par le deuxième fluide (6), la troisième plaque (14,36) ayant une première face (18) en contact thermique avec le deuxième fluide (6) et une deuxième face (20) opposée à la première face, la deuxième face (20) étant en contact thermique avec le premier fluide (4), et dans lequel la première face (18) et la deuxième face (20) de la première plaque (8,32), de la deuxième plaque (10,34) et de la troisième plaque (12,36) comporte des nervures (28,38) possédant des sections ayant des dimensions différentes. Utilisation d’une méthode d’optimisation topologique pour définir des sections (S) des nervures (28) d’un échangeur de chaleur (2) conformé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 et 10. Utilisation selon la revendication 11 dans laquelle une méthode d’optimisation topologique est utilisée pour définir la distribution desdites nervures (8).