EP0275724A1 - Echangeur de chaleur à circuits d'échange en spirale; plaque nervurée pour un tel échangeur - Google Patents
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- EP0275724A1 EP0275724A1 EP87402699A EP87402699A EP0275724A1 EP 0275724 A1 EP0275724 A1 EP 0275724A1 EP 87402699 A EP87402699 A EP 87402699A EP 87402699 A EP87402699 A EP 87402699A EP 0275724 A1 EP0275724 A1 EP 0275724A1
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- F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
- F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
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- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D9/04—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being formed by spirally-wound plates or laminae
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- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
- F28F3/08—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning
- F28F3/083—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning capable of being taken apart
Definitions
- the present invention firstly relates to a heat exchanger with spiral exchange circuits, of the type comprising a stack of heat conducting plates, separated by a rib extending on each side of these plates and defining said circuits d spiral exchange, these plates thus sealingly separating the two fluids between which the heat exchanges are to take place, and the exchange circuits of each of the two fluids being connected in parallel, at the respective internal ends and external of the spirals, on the one hand to at least one inlet manifold of the fluid in question, on the other hand to at least one outlet manifold of this fluid, such an exchanger comprising several ribs produced in the form of surfaces of heat exchange and which form an integral part of the base of said plates, which are therefore ribbed plates on their two faces, and the same plate bearing on one face, for one of the fluids, spiral ribs with dextrorsum winding and on the other side, for the other fluid, the same number of spiral ribs with senestrorsum winding, these ribs being in exact coincidence
- an exchanger of the type defined at the start will, in accordance with the invention, be essentially characterized in that it comprises a stack of ribbed plates which are alternately of two different types, namely of a first type in which the same plate carries on one face, for one of the fluids, a certain number of spiral ribs with dextrorsum winding and on the other side, for the other fluid, the same number of spiral ribs with senestrorsum winding, and of a second type in which, for the same fluids, the directions of winding of the ribs are respectively opposed to the previous ones.
- the base plate and its ribs form a one-piece assembly which promotes maximum heat exchange and gives the entire exchanger excellent rigidity, much greater, for example, than that of thin plate exchangers. This will allow significant pressure differences between the two fluids, without fear of deformation.
- the number of ribs, their spacing and their shape and height, determined by calculation will allow choose, independently of one another, the Reynolds number and the Mach number, and therefore optimize the exchange coefficients and minimize the pressure losses on each of the flows.
- heat exchangers of two different types can be produced.
- two successive plates of the stack it is in fact possible to ensure that the ribs of a plate (on each of its faces) are in the exact alignment of the ribs which are opposite them on the two adjacent plates.
- the heat transfer is then excellent, since it takes place over the entire surface of the ribs, with large flow sections.
- each of them comprises on the two faces of the spiral ribs forming an integral part of the base of the plate, and in what it carries on one side, for one of the fluids, spiral ribs with dextrorsum winding and on the other side, for the other fluid, the same number of spiral ribs with senestrorsum winding, these ribs being in exact coincidence by their base, so that the ribs on one side of the plate are in the exact extension of the ribs on the other side.
- the ribbed plates have been referenced 1.
- the plates 1 are of two different types (which will be described below) and are circular. These plates are oriented in pairs in opposite directions, namely that the cold fluid F to be heated flows between the spiral ribs 2 of two adjacent plates and the hot fluid C to be cooled flows between the spiral ribs 3 located opposite to the previous ones, all these ribs being, on the same plate, carried by a common base 4.
- the plates 1 can be made of any suitable heat exchange material and in particular can be made of materials which can withstand very high temperatures. high, such as silicon carbides and nitrides, etc., and also having excellent resistance to corrosive fluids.
- metals such as Mg, Al, Cu, Fe, Ni, or any suitable metal alloy.
- the exchanger was incorporated into a compressor-turbine assembly, these devices being housed in a common casing 20.
- the cold air F (or any other fluid) arrives at the exchanger by the peripheral passage 11, is distributed in the plates 1 by the three central inlet collectors 12A and escapes therefrom by the three external outlet collectors 13A.
- the hot air C (or any other fluid) enters the exchanger by the axial passage 15, which distributes it in the plates 1 by the three external inlet collectors 12B, and from which it escapes by the three central outlet manifolds 13B, then through an axial duct 21.
- a stack of ribbed plates which are alternately of two different types, namely of a first type in which the same plate 1 carries on one face, for one F of the fluids, spiral ribs 2 with dextrorsum winding and on the 'other face, for the other fluid C, the same number of spiral ribs 3 with senestrorsum winding, and of a second type in which, for the same fluids, the directions of winding of the ribs are respectively opposite to the previous ones.
- Figures 2 and 3 are respectively a plan view of one side and a plan view of the other side of the ribbed plates 1 of Figure 1.
- ribs 2 of the cold flow the direction of winding dextrorsum
- ribs 3 of the hot flow the direction of winding senestrorsum
- each side carries nine parallel spiral ribs, offset by 40 ° one relative to the next. This arrangement makes it possible, as already mentioned above, to reduce the pressure losses, by obtaining a better distribution of the fluids on each face of the plates.
- FIGs 2 and 3 also clearly show how one can obtain, by simple stacking of the plates 1, the inlet manifolds 12A, 12B and the outlet manifolds 13A, 13B, respectively for the fluids F and C.
- collectors are formed by aligned cells which have the plates 1 at their center and at their periphery and which, to facilitate understanding, have been designated respectively by the same references as the collectors which they constitute, but with the small letters a, b instead of the capital letters A, B.
- each exchanger plate may have on its central part and / or on its peripheral part of the bearing surfaces, recessed or in relief, intended to ensure the centering and the orientation of the adjacent plates so that, once the assembly has been carried out, the supply and output cells are coincident.
- the central cells 12a, 13b have the shape of sectors of a circle, and the peripheral cells 12b, 13a have the shape of arcs of a circle.
- the central cells 12a are interposed with the central cells 13b, and it is the same for the peripheral cells 12b and 13a, so that both at the periphery and in the center, a cell traversed by the fluid F is between two cells crossed by the fluid C and vice versa. This further improves heat exchange considerably in a given space. It should be noted in this regard that an excellent distribution of the different flows is obtained by providing that the number of ribs on each face of the plates is equal to the number of cells or to a small multiple of this number. This is the case in the example described, since there are nine ribs for groups of three cells.
- spokes such as 17 or 18, which separate these cells are ribbed.
- C is notably greater than the height of the ribs 2 on the other face of the plate, namely that which receives the spiral flow of the cold fluid F to be heated.
- the cells 12b and 13b of the hot fluid C have a significantly greater center angle than that of the cells 12a and 13a of the cold fluid F, as is also clearly visible in FIGS. 2 and 3.
- the central and peripheral cells can be produced in the form of cylindrical openings in certain applications where lowering the manufacturing cost is sought.
- the plate then has openings of circular section, on the one hand a central opening for one of the fluids, surrounded by a series of smaller diameter openings for the other fluid, and on the other hand peripheral openings , alternately for one and for the other of the fluids.
- FIGS. 4 to 7 The plates shown partially in radial section in FIGS. 4 to 7 are intended to equip a heat exchanger of the second type mentioned above, namely with overlapping ribs.
- FIGS. 4 and 5 it has been shown that identical plates 1 could be used, with ribs 2 relatively low for the circulation of the cold fluid F, nested with the ribs 2 of the same height of the neighboring plate, and with ribs 3 relatively higher, likewise nested with the ribs 3 of the same height of the adjacent plate, for the circulation of the hot fluid C.
- the plates 1 are opposite in pairs in the same way as in the embodiment of FIG. 1 .
- the pipes of the cold flow F and the hot flow C each have a bilenticular shape whose hydraulic diameter can vary significantly, not only by the height of the ribs but by the shape (of the parabolic type) of the profile of these ribs.
- the ribs are straight and the conduits of the hot C and cold F flows are of rectangular section.
- the heat flux transmitted through the support plate 1 of the ribs is less than a hundredth of the flux transmitted by the ribs themselves; the heat flux is therefore essentially transmitted by the ribs 2 and 3, as in the exchanger in FIG. 1.
- the stack of plates 1 thus ribbed by spirals with optimized contours on each of the flows leads to an extremely compact exchanger.
- the centrifugal and centripetal supplies and discharges can be of the same type as according to FIGS. 1 to 3.
- the tops of the ribs 2 and 3 may or may not be supported on the plates 1.
- a short rib of a plate 1 ⁇ is nested between two higher ribs, on either side of the same plate 1.
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Abstract
Echangeur de chaleur comportant un empilement de plaques (1) à nervures en spirale (23). Chaque plaque (1) nervurée comporte sur les deux faces des nervures en spirale (2, 3) faisant partie intégrante de la base (4) de la plaque (1), et sur une face, pour l'un (F) des fluides, des nervures en spirale (2) à enroulement dextrorsum et sur l'autre face, pour l'autre fluide (C), un même nombre de nervures en spirale (3) à enroulement senestrorsum, ces nervures (2, 3) étant en exacte coïncidence par leurs bases, de sorte que les nervures (2) d'une face de la plaque (1) soient dans l'exact prolongement des nervures (3) de l'autre face. Les nervures (2,3) de chaque plaque peuvent être alignées avec celles qui leur sont opposées sur les deux plaques (1) voisines, ou ces nervures (2, 3) peuvent être imbriquées.
Description
- La présente invention concerne tout d'abord un échangeur de chaleur à circuits d'échange en spirale, du type comportant un empilement de plaques conductrices de la chaleur, séparées par une nervure s'étendant de chaque côté de ces plaques et définissant lesdits circuits d'échange en spirale, ces plaques séparant ainsi, de façon étanche, les deux fluides entre lesquels doivent s'effectuer les échanges de chaleur, et les circuits d'échange de chacun des deux fluides étant connectés en parallèle, au niveau des extrémités respectivement internes et externes des spirales, d'une part à au moins un collecteur d'entrée du fluide considéré, d'autre part à au moins un collecteur de sortie de ce fluide, un tel échangeur comportant plusieurs nervures élaborées sous la forme de surfaces d'échange thermique et qui font partie intégrante de la base desdites plaques, lesquelles sont donc des plaques nervurées sur leurs deux faces, et une même plaque portant sur une face, pour l'un des fluides, des nervures en spirale à enroulement dextrorsum et sur l'autre face, pour l'autre fluide, un même nombre de nervures en spirale à enroulement senestrorsum, ces nervures étant en exacte coïncidence par leurs bases, de sorte que les nervures d'une face de la plaque soient respectivement dans l'exact prolongement des nervures de l'autre face.
- On connaît déjà de tels échangeurs de chaleur, par exemple par le brevet allemand no 669 442. Dans ces échangeurs, cependant, n'est prévue sur chaque face de la plaque de base qu'une seule nervure en spirale, ce qui a pour effet favorable uniquement d'allonger le parcours du fluide sur la plaque d'échange. En d'autres termes, chaque face de la plaque ne comporte qu'un seul trajet pour tout le fluide qui y entre ou qui en sort. Cela a pour inconvénient d'augmenter la perte de charge. Par ailleurs, il convient de remarquer que dans les échangeurs connus les nervures, qui d'ailleurs ne sont pas toujours en vis-à-vis sur les deux faces opposées des plaques, ne constituent que des cloisons de séparation qui, comme indiqué plus haut, n'ont pour but que d'allonger les parcours des fluides, et qu'elles ne participent pas directement aux échanges de chaleur, ne pouvant transmettre des calories par conductibilité.
- Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients des échangeurs connus, notamment des échangeurs à circuits d'échange en spirales, et, à cet effet, un échangeur du type défini au début sera, conformément à l'invention, essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte un empilement de plaques nervurées qui sont alternativement de deux types différents, à savoir d'un premier type dans lequel une même plaque porte sur une face, pour l'un des fluides, un certain nombre de nervures en spirale à enroulement dextrorsum et sur l'autre face, pour l'autre fluide, un même nombre de nervures en spirale à enroulement senestrorsum, et d'un second type dans lequel, pour les mêmes fluides, les sens d'enroulement des nervures sont respectivement opposés aux précédents.
- Grâce à ces dispositions, on peut tout d'abord diminuer les pertes de charge des fluides à l'intérieur de l'échangeur car, sur chaque face des plaques, chaque fluide se divisera en un certain nombre de parcours parallèles, en fonction du nombre des spirales.
- Par ailleurs, alors que dans les échangeurs classiques les calories sont échangées à travers une paroi mince de la plaque de base, selon la présente invention l'essentiel de l'échange de calories s'effectue par la conductibilité des nervures qui se font face, et qui sont élaborées, dans le même matériau que celui qui constitue la plaque de base, par coulée, par usinage mécanique, par électroérosion ou encore par estampage. Selon l'invention, la plaque de base et ses nervures forment un ensemble monobloc favorisant au maximum les échanges thermiques et conférant à tout l'échangeur une excellente rigidité, de beaucoup supérieure, par exemple, à celle des échangeurs à plaques minces. Cela autorisera des différences de pression importantes entre les deux fluides, sans craindre les déformations.
- En outre, alors que dans les échangeurs classiques les seuls paramètres sont les distances entre plaques, ce qui interdit toute optimisation, selon l'invention le nombre des nervures, leur espacement ainsi que leur forme et leur hauteur, déterminées par le calcul, permettront de choisir, indépendamment l'un de l'autre, le nombre de Reynolds et le nombre de Mach, et donc d'optimiser les coefficients d'échange et de minimiser les pertes de charge sur chacun des écoulements.
- Avec ces dispositions de base de l'invention, on peut réaliser des échangeurs de chaleur de deux types différents. Considérant deux plaques successives de l'empilement, on peut en effet faire en sorte que les nervures d'une plaque (sur chacune de ses faces) soient dans l'alignement exact des nervures qui leur sont opposées sur les deux plaques voisines. On obtient ainsi une continuité parfaite des nervures non seulement sur les deux faces d'une même plaque, mais encore dans l'ensemble des plaques de l'empilement. Le transfert thermique est alors excellent, puisqu'il s'effectue par la totalité de la surface des nervures, avec d'importantes sections d'écoulement.
- Dans un autre type d'échangeur encore conforme à l'invention, on peut au contraire faire en sorte que les nervures d'une plaque (sur chacune de ses faces) soient, du fait d'un décalage radial approprié, imbriquées avec les nervures qui leur sont opposées sur les deux plaques voisines. Dans ce cas, on obtient un transfert thermique encore excellent, et l'on peut, entre autres possibilités, réduire notablement la hauteur de l'empilement de plaques sans diminuer les surfaces d'échange.
- D'autres caractéristiques d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention, ainsi que d'autres avantages, seront mentionnés plus bas, en regard des dessins.
- Il en sera de même pour les plaques nervurées destinées à équiper de tels échangeurs et dont la caractéristique principale réside dans le fait que chacune d'elles comporte sur les deux faces des nervures en spirale faisant partie intégrante de la base de la plaque, et en ce qu'elle porte sur une face, pour l'un des fluides, des nervures en spirale à enroulement dextrorsum et sur l'autre face, pour l'autre fluide, un même nombre de nervures en spirale à enroulement senestrorsum, ces nervures étant en exacte coïncidence par leur base, de sorte que les nervures d'une face de la plaque soient dans l'exact prolongement des nervures de l'autre face.
- Des modes d'exécution de l'invention vont maintenant être décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, avec référence aux figures du dessin annexé dans lequel :
- - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention, dans une première forme de réalisation à nervures alignées ;
- - la figure 2 est une vue en plan d'une face d'une plaque nervurée conforme à l'invention ;
- - la figure 3 est une vue en plan de la face opposée de la plaque de la figure 2 ; et
- - les figures 4 à 7 sont des vues partielles en coupe radiale à plus grande échelle montrant différents empilements de plaques à nervures imbriquées.
- Sur les différentes figures les plaques nervurées ont été référencées 1. Dans l'échangeur de la figure 1 les plaques 1 sont de deux types différents (qui seront décrits plus bas) et sont circulaires. Ces plaques sont orientées deux à deux dans des sens opposés, à savoir que le fluide froid F à chauffer s'écoule entre les nervures en spirales 2 de deux plaques voisines et le fluide chaud C à refroidir s'écoule entre les nervures en spirales 3 situées à l'opposé des précédentes, toutes ces nervures étant, sur une même plaque, portées par une base commune 4. Les plaques 1 peuvent être en tout matériau d'échange thermique approprié et notamment peuvent être en des matériaux pouvant résister aux températures très élevées, tels que les carbures et nitrures de silicium, etc, et ayant également une excellente résistance vis-à-vis des fluides corrosifs. On peut également envisager d'utiliser des métaux comme Mg, Al, Cu, Fe, Ni, ou tout alliage métallique approprié.
- On a supposé que l'échangeur était incorporé à un ensemble compresseur-turbine, ces appareils étant logés dans un carter commun 20. L'air froid F (ou tout autre fluide) arrive à l'échangeur par le passage périphérique 11, se répartit dans les plaques 1 par les trois collecteurs centraux d'entrée 12A et s'en échappe par les trois collecteurs extérieurs de sortie 13A. L'air chaud C (ou tout autre fluide) entre dans l'échangeur par le passage axial 15, qui le répartit dans les plaques 1 par les trois collecteurs d'entrée extérieurs 12B, et d'où il s'échappe par les trois collecteurs de sortie centraux 13B, puis par un conduit axial 21.
- On voit que l'on obtient ainsi un échangeur à contre-courant, puisque sur les plaques 1, le parcours en spirale des fluides est centrifuge pour le fluide froid F et centripète pour le fluide chaud C ; cette disposition à contre-courant, connue en soi, n'est pas obligatoire, mais présente comme on le sait l'avantage de permettre d'obtenir un coefficient d'échange optimal.
- Il convient qu'à une face "froide" d'une plaque nervurée 1 s'oppose une face "froide" de la plaque nervurée voisine, et qu'à sa face "chaude" s'oppose la face "chaude" de la plaque nervurée voisine située de l'autre côté. Pour ce faire, et pour conserver une disposition essentielle de l'invention dans ce type d'échangeur, consistant à faire en sorte que les nervures en spirale soient exactement dans le prolongement les unes des autres dans tout l'empilement, il convient de prévoir un empilement de plaques nervurées qui sont alternativement de deux types différents, à savoir d'un premier type dans lequel une même plaque 1 porte sur une face, pour l'un F des fluides, des nervures en spirale 2 à enroulement dextrorsum et sur l'autre face, pour l'autre fluide C, un même nombre de nervures en spirale 3 à enroulement senestrorsum, et d'un second type dans lequel, pour les mêmes fluides, les sens d'enroulement des nervures sont respectivement opposés aux précédents.
- On aura donc à utiliser alternativement d'une part des plaques 1 analogues à celles des figures 2 et 3, et d'autre part des plaques ayant des sens d'enroulement des spirales opposés (senestrorsum pour la face "froide" et dextrorsum pour la face "chaude").
- Bien entendu, on pourra brancher les échangeurs conformes à l'invention en série ou en parallèle, comme les échangeurs classiques : en série lorsque l'on souhaitera obtenir une efficacité importante sans pour autant atteindre des diamètres de plaques prohibitifs, en parallèle pour les grands débits, les échangeurs pouvant alors être montés en batteries. Dans ce cas on obtiendra une compacité et une robustesse particulièrement importantes en utilisant des plaques hexagonales, permettant un parfait emboîtement des échangeurs.
- Les figures 2 et 3 sont respectivement une vue en plan d'une face et une vue en plan de l'autre face des plaques nervurées 1 de la figure 1. On voit sur ces figures que l'on a choisi pour les nervures 2 de l'écoulement froid le sens d'enroulement dextrorsum et pour les nervures 3 de l'écoulement chaud le sens d'enroulement senestrorsum, ce qui permet d'obtenir une disposition parfaitement symétrique des nervures et donc une coïncidence exacte des bases des nervures d'une face avec celles de la face opposée.
- On voit aussi sur ces figures 2 et 3 que chaque face porte neuf nervures en spirales parallèles, décalées de 40° l'une par rapport à la suivante. Cette disposition permet, comme on l'a déjà mentionné plus haut, de diminuer les pertes de charge, en obtenant une meilleure répartition des fluides sur chaque face des plaques.
- Les figures 2 et 3 montrent aussi clairement de quelle façon on peut obtenir, grâce au simple empilement des plaques 1, les collecteurs d'entrée 12A, 12B et les collecteurs de sortie 13A, 13B, respectivement pour les fluides F et C.
- Ces collecteurs sont formés par des alvéoles alignés que comportent les plaques 1 en leur centre et à leur périphérie et que, pour faciliter la compréhension, on a désignés respectivement par les mêmes références que les collecteurs qu'ils constituent, mais avec les minuscules a,b au lieu des majuscules A,B.
- Constructivement, chaque plaque d'échangeur peut comporter sur sa partie centrale et/ou sur sa partie périphérique des portées, en creux ou en relief, destinées à assurer le centrage et l'orientation des plaques adjacentes pour que, une fois le montage effectué, les alvéoles d'alimentation et de sortie soient en coïncidence.
- En considérant la figure 2 on voit que les spirales constituées par les neuf nervures 2 relient trois alvéoles centraux d'entrée 12a à trois alvéoles périphériques de sortie 13a pour l'écoulement du fluide F. De même, en considérant la figure 3 on voit que les spirales constituées par les neuf nervures 3 relient trois alvéoles périphériques d'entrée 12b à trois alvéoles centraux de sortie 13b pour l'écoulement du fluide C.
- Les alvéoles centraux 12a, 13b ont la forme de secteurs de cercle, et les alvéoles périphériques 12b, 13a la forme d'arcs de cercle. Les alvéoles centraux 12a sont intercalés avec les alvéoles centraux 13b, et il en est de même pour les alvéoles périphériques 12b et 13a, de sorte qu'aussi bien à la périphérie qu'au centre, un alvéole traversé par le fluide F est compris entre deux alvéoles traversés par le fluide C et inversement. Cela permet encore d'améliorer considérablement les échanges thermiques dans un encombrement donné. Il convient de noter à ce sujet qu'une excellente répartition des différents écoulements est obtenue en prévoyant que le nombre des nervures sur chaque face des plaques est égal au nombre d'alvéoles ou à un petit multiple de ce nombre. C'est le cas dans l'exemple décrit, puisque l'on a neuf nervures pour des groupes de trois alvéoles.
- Pour améliorer encore les échanges thermiques des conduits d'entrée et de sortie, on peut prévoir que les rayons, tels que 17 ou 18, qui séparent ces alvéoles sont nervurés.
- Il peut par ailleurs être avantageux, pour tenir compte des différences des débits, de faire en sorte que la section de passage offerte au fluide le plus chaud C soit nettement supérieure à celle qui est offerte au fluide le plus froid F.
- Pour ce faire, et comme cela est bien visible sur la figure 1, on peut prévoir avantageusement que la hauteur des nervures 3 sur l'une des faces de la plaque, à savoir celle qui reçoit l'écoulement en spirale du fluide chaud à refroidir C, est notablement plus importante que la hauteur des nervures 2 sur l'autre face de la plaque, à savoir celle qui reçoit l'écoulement en spirale du fluide froid F à réchauffer.
- La forme de la section transversale des nervures qui est indiquée à la figure 1 n'est bien entendu aucunement limitative. Cette forme pourrait être triangulaire, trapézoïdale ou rectangulaire, selon les besoins.
- Corrélativement, on prévoit que les alvéoles 12b et 13b du fluide chaud C ont un angle au centre notablement plus important que celui des alvéoles 12a et 13a du fluide froid F, comme cela est également bien visible sur les figures 2 et 3.
- Il y a lieu de noter en outre, concernant ces figures, que les surfaces S qui sur la figure 2 entourent les grands alvéoles 12b,13b sont en saillie par rapport à la base 4 et sont parfaitement planes, étant destinées à constituer des portées d'étanchéité sur les plaques intermédiaires 5 ; il en est de même des surfaces Sʹ qui sur la figure 3 entourent les petits alvéoles 12a, 13a.
- Les alvéoles centraux et phériphériques peuvent être réalisés sous la forme d'ouvertures cylindriques dans certaines applications où l'abaissement du coût de fabrication est recherché. La plaque comporte alors des ouvertures à section circulaire, d'une part une ouverture centrale pour l'un des fluides, entourée d'une série d'ouvertures de plus faible diamètre pour l'autre fluide, et d'autre part des ouvertures périphériques, alternativement pour l'un et pour l'autre des fluides.
- Quant au parcours des spirales, on peut choisir la spirale d'Archimède, comme représenté sur les figures 2 et 3, ce qui délimite pour chacun des écoulements une section de passage très sensiblement constante. Cependant, grâce aux machines à commande numérique, à l'usinage chimique ou par électroérosion on peut envisager toute courbe plus complexe, en particulier la spirale logarithmique, procurant une section agrandie vers la sortie des spirales pour les deux fluides, ce qui permettrait de maintenir sensiblement constant le nombre de Mach de chacun des écoulements et constituerait par suite encore un avantage sur les échangeurs connus.
- Les plaques représentées partiellement en coupe radiale aux figures 4 à 7 sont destinées à équiper un échangeur de chaleur du second type évoqué plus haut, à savoir à nervures imbriquées. Sur les figures 4 et 5 on a montré que l'on pouvait utiliser des plaques 1 identiques, à nervures 2 relativement peu élevées pour la circulation du fluide froid F, imbriquées avec les nervures 2 de même hauteur de la plaque voisine, et à nervures 3 relativement plus hautes, de même imbriquées avec les nervures 3 de même hauteur de la plaque voisine, pour la circulation du fluide chaud C. Les plaques 1 sont opposées deux à deux de la même façon que dans le mode de réalisation de la figure 1.
- Là encore, cela impose l'utilisation de plaques 1 de deux types différents : sur un type de plaques les nervures 2 seront dextrorsum et les nervures 3 senestrorsum, tandis que sur les plaques intercalées entre les précédentes, les nervures 2 seront senestrorsum et les nervures 3 dextrorsum.
- On voit que dans le cas de la figure 4, les conduites du flux froid F et du flux chaud C ont chacune une forme bilenticulaire dont le diamètre hydraulique peut varier de façon significative, non seulement par la hauteur des nervures mais par la forme (du type parabolique) du profil de ces nervures. Dans le cas de la figure 5, les nervures sont droites et les conduites des flux chaud C et froid F sont de section rectangulaire.
- Il est clair que les diamètres hydrauliques, donc les flux thermiques captés et transmis par les nervures sont différents dans le cas de la figure 4 et de la figure 5. On peut ainsi, par une forme appropriée du contour des nervures, diminuer sensiblement, pour un échange thermique donné, les pertes de charge, le volume, la masse et le prix d'un échangeur.
- Dans ces configurations le flux thermique transmis à travers la plaque de support 1 des nervures est inférieur au centième du flux transmis par les nervures elles-mêmes ; le flux thermique est donc essentiellement transmis par les nervures 2 et 3, comme dans l'échangeur de la figure 1.
- L'empilement des plaques 1 ainsi nervurées par des spirales aux contours optimisés sur chacun des flux conduit à un échangeur extrêmement compact.
- En jouant sur le nombre de plaques et de nervures on peut, pour un volume et une masse qui varient peu, pour un flux thermique donné et une perte de charge optimisée par la forme des nervures et la distance qui les sépare, réaliser des échangeurs de faible diamètre et de longueur relativement importante (grand nombre de plaques, faible nombre de nervures) ou, au contraire, des échangeurs de faible longueur et de diamètre relativement important (grand nombre de nervures, faible nombre de plaques).
- On peut ainsi s'adapter à la place disponible en particulier sur les véhicules (automobiles, locomotives, bateaux, avions...)
- Les alimentations et les évacuations centrifuges et centripètes peuvent être du même type que selon les figures 1 à 3.
- Les sommets des nervures 2 et 3 peuvent ou non être en appui sur les plaques 1.
- Aux figures 6 et 7, on a montré que la hauteur des nervures pouvait être très variable d'une plaque 1 à la suivante 1ʹ. Cela ne complique pas la fabrication puisque de toute façon, et comme indiqué plus haut, on doit fabriquer des plaques de deux types différents.
- Dans le cas de la figure 6, une nervure courte d'une plaque 1ʹ est imbriquée entre deux nervures plus élevées, de part et d'autre d'une même plaque 1.
- Dans le cas de la figure 7, deux nervures courtes (ou un nombre quelconque) d'une plaque 1ʹ sont de même imbriquées entre les deux nervures plus élevées de la plaque 1.
- On dispose ainsi d'un paramètre supplémentaire d'optimisation.
Claims (16)
1. Echangeur de chaleur à circuits d'échange en spirale, du type comportant un empilement de plaques conductrices de la chaleur, séparées par une nervure s'étendant de chaque côté de ces plaques et définissant lesdits circuits d'échange en spirale, ces plaques séparant ainsi, de façon étanche, les deux fluides entre lesquels doivent s'effectuer les échanges de chaleur, et les circuits d'échange de chacun des deux fluides étant connectés en parallèle, au niveau des extrémités respectivement internes et externes des spirales, d'une part à au moins un collecteur d'entrée du fluide considéré, d'autre part à au moins un collecteur de sortie de ce fluide, un tel échangeur comportant plusieurs nervures élaborées sous la forme de surfaces d'échange thermique et qui font partie intégrante de la base desdites plaques, lesquelles sont donc des plaques nervurées sur leurs deux faces, et une même plaque portant sur une face, pour l'un des fluides, des nervures en spirale à enroulement dextrorsum et sur l'autre face, pour l'autre fluide, un même nombre de nervures en spirale à enroulement senestrorsum, ces nervures étant en exacte coïncidence par leurs bases, de sorte que les nervures d'une face de la plaque soient respectivement dans l'exact prolongement des nervures de l'autre face, caractérisé en ce qu'il comporte un empilement de plaques nervurées qui sont alternativement de deux types différents, à savoir d'un premier type dans lequel une même plaque (1) porte sur une face, pour l'un (F) des fluides, un certain nombre de nervures en spirale (2) à enroulement dextrorsum et sur l'autre face, pour l'autre fluide (C), un même nombre de nervures en spirale (3) à enroulement senestrorsum, et d'un second type dans lequel, pour les mêmes fluides, les sens d'enroulement des nervures sont respectivement opposés aux précédents.
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'empilement des plaques est agencé de telle sorte que les nervures (2,3) de chaque plaque (1), sur chacune de ses faces, sont dans l'alignement exact des nervures (2,3) qui leur sont opposées sur les deux plaques (1) voisines, grâce à quoi l'on obtient une continuité parfaite des nervures dans l'ensemble de l'empilement.
3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'empilement des plaques est agencé de sorte que les nervures (2,3) de chaque plaque (1), sur chacune de ses faces, soient, du fait d'un décalage radial approprié, imbriquées avec les nervures (2,3) qui leur sont opposées sur les deux plaques voisines.
4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que deux ou un plus grand nombre de nervures d'une plaque (1ʹ) sont imbriquées entre deux nervures consécutives de la plaque (1) voisine.
5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités internes des spirales constituant les circuits d'échange d'un (F) des fluides sont reliées à au moins un collecteur d'entrée (12A) de ce fluide et les extrémités externes des mêmes spirales sont reliées à au moins un collecteur (13A) de sortie de ce fluide, l'agencement étant inverse pour les circuits d'échange de l'autre fluide (C), de sorte que les échanges sont à contre-courant.
6. Plaque nervurée destinée à être utilisée dans un échangeur de chaleur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte sur les deux faces des nervures en spirale (2,3) faisant partie intégrante de la base (4) de la plaque (1), et en ce qu'elle porte sur une face, pour l'un (F) des fluides, des nervures en spirale (2) à enroulement dextrorsum et sur l'autre face, pour l'autre fluide (C), un même nombre de nervures en spirale (3) à enroulement senestrorsum, ces nervures étant en exacte coïncidence par leurs bases, de sorte que les nervures (2) d'une face de la plaque (1) soient dans l'exact prolongement des nervures (3) de l'autre face.
7. Plaque nervurée selon la revendication 6, caractérisée en ce que sur chacune de ses faces, les spirales relient au moins un alvéole central (12a, 13b) à au moins un alvéole périphérique (12b, 13a), ces alvéoles étant destinés à constituer par leur alignement, lorsque plusieurs plaques (1) sont empilées, respectivement des collecteurs d'entrée (12A, 12B) et de sortie (13A, 13B) des fluides.
8. Plaque nervurée selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs alvéoles centraux (12a, 13b) ayant la forme de secteurs de cercle, et un même nombre d'alvéoles périphériques (12b, 13a) en forme d'arcs de cercle.
9. Plaque nervurée selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits alvéoles sont de forme circulaire.
10. Plaque nervurée selon la revendication 8, caractérisée en ce que les alvéoles centraux (12a) et périphériques (13a) qui, sur une des faces de la plaque (1), sont reliés par plusieurs spirales pour l'écoulement d'un (F) des fluides sont intercalés respectivement avec les alvéoles centraux (13b) et périphériques (12b) qui, sur l'autre face de la plaque, sont reliés par plusieurs spirales pour l'écoulement de l'autre fluide (C).
11. Plaque nervurée selon la revendication 8 ou 10, caractérisée en ce que les alvéoles centraux (12a) et périphériques (13a) qui, sur une des faces de la plaque (1), sont reliés par plusieurs spirales pour l'écoulement du fluide froid (F) à chauffer ont un angle au centre notablement plus faible que celui des alvéoles centraux (13b) et périphériques (12b) qui, sur l'autre face de la plaque, sont reliés par plusieurs spirales pour l'écoulement du fluide chaud (C) à refroidir.
12. Plaque nervurée selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisée en ce que la hauteur des nervures (3) sur l'une des faces de la plaque, à savoir celle qui reçoit l'écoulement en spirale du fluide chaud qui cède les calories (C), est notablement plus importante que la hauteur des nervures (2) sur l'autre face de la plaque, à savoir celle qui reçoit l'écoulement en spirale du fluide froid (F) à chauffer.
13. Plaque nervurée destinée à être utilisée dans un échangeur de chaleur conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que sur chaque face des plaques les nervures (2,3) sont de même hauteur que celles avec lesquelles elles sont imbriquées.
14. Plaque nervurée destinée à être utilisée dans un échangeur de chaleur conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les nervures d'un (1ʹ) des deux types de plaques sont notablement moins élevées que celles de l'autre type (1) de plaques.
15. Plaque nervurée selon l'une quelconque des revendications 6 à 14, caractérisée en ce que sur chaque face les nervures ont un parcours en spirale d'Archimède.
16. Plaque nervurée selon l'une quelconque des revendications 6 à 14, caractérisée en ce que sur chaque face les nervures ont un parcours en spirale logarithmique.
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FR8617737A FR2608746B1 (fr) | 1986-12-18 | 1986-12-18 | Echangeur de chaleur a circuits d'echange en spirale; plaque nervuree pour un tel echangeur |
FR8617737 | 1986-12-18 |
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Publication Number | Publication Date |
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EP87402699A Withdrawn EP0275724A1 (fr) | 1986-12-18 | 1987-11-30 | Echangeur de chaleur à circuits d'échange en spirale; plaque nervurée pour un tel échangeur |
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Also Published As
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FR2608746B1 (fr) | 1990-01-12 |
FR2608746A1 (fr) | 1988-06-24 |
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