FR2465985A1 - Structure alveolaire monolithique a grande surface de contact - Google Patents

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UNE STRUCTURE ALVEOLAIRE MONOLITHIQUE A GRANDE SURFACE DE CONTACT, EN PARTICULIER POUR ECHANGEUR THERMIQUE STATIQUE, COMPORTANT UNE PLURALITE DE CANAUX PARALLELES. LA STRUCTURE EST REMARQUABLE EN CE QUE SON ORGANISATION GENERALE EST ESSENTIELLEMENT CYLINDRIQUE, QUE LES CANAUX SONT DEFINIS PAR DES PAROIS DE TYPE RADIAL ET DES PAROIS DE TYPE CIRCULAIRE, ET QUE LESDITS CANAUX DEFINISSENT DES ENSEMBLES A DISPOSITION ESSENTIELLEMENT RAYONNANTE TRAVERSES PAR UN MEME FLUX. APPLICATION NOTAMMENT AUX ECHANGEURS STATIQUES ET AUX FILTRES.

Description

La présente invention concerne les structures alvéolaires mono-
lithiques à grande surface de contact, en particulier pour échangeurs
thermiques statiques.
Il est connu d'utiliser des structures alvéolaires monolithiques, constituées de multiples canaux parallèles, lorsque l'on recherche une très grande surface de contact d'un ou plusieurs fluides avec les parois desdites structures: c'est le cas notamment des supports de catalyseurs, des accumulateurs de chaleur, des échangeurs statiques de chaleur et des filtres. Pour les échangeurs statiques et les filtres, la structure alvéolaire doit être traversée par deux flux distincts, et les alvéoles de ladite structure constituent alors deux ensembles dont chacun est traversé par un fluide différent du point de vue chimique
et/ou physique.
En particulier, il a été déjà prévu de réaliser des structures parallélépipédiques, de section rectangulaire et à maille rectangulaire les deux ensembles que constituent les alvéoles sont alors des rangées parallèles, et chacun de ces ensembles doit naturellement communiquer avec l'extérieur par deux ouvertures formant l'entrée et la sortie du fluide correspondant. Pour des raisons d'ordre topologique et mécanique, il est en principe prévu de faire appel à des ouvertures latérales faisant partie de la structure alvéolaire ou de pièces rapportées à ses extrémités, de sorte que les rangées correspondant au flux entrant et sortant latéralement sont obturées aux faces d'extrémité de ladite structure, l'autre flux entrant et sortant par lesdites faces. Notons que les alvéoles sont généralement disposées en rangées parallèles, le profil de la maille pouvant en fait être quelconque, mais la section de l'ensemble étant rectangulaire ou carrée à cause de la présence
des ouvertures latérales.
Or, pour des applications mettant en jeu des températures élevées, par exemple de l'ordre de 12000C à 14000C, la matière céramique s'impose pour constituer ces structures alvéolaires; on sait aussi que les traitements thermiques, de la céramique en particulier, s'accompagnent de chargements dimensionnels importants (retraits, dilatations), lesdites structures étant alors en général obtenues par extrusion, séchage et traitement thermique. Les structures de section rectangulaire ou carrée (ou même polygonale) se prêtent particulièrement mal aux opérations -2- ci-dessus, car les parties angulaires engendrent des hétérogénéités de traitement, des contraintes internes, des rebuts, une certaine fragilité et de ce fait une limitation quant aux dimensions desdites structures; en particulier, le séchage ne peut pas être uniforme car les parties anguleuses sèchent plus vite que les faces planes adjacentes, de même pour les opérations de cuisson, o il est nécessaire de faire pénétrer un flux de chaleur dans la section de la structure, les parties anguleuses constituant alors des zones privilégiées pour
ledit flux.
L'invention a pour but de proposer une structure alvéolaire dont la conception particulière se prête à une réalisation en matière céramique, ou tout autre matériau présentant des variations dimensionnelles lors des traitements thermiques (retraits, dilatations,...), avec des caractéristiques nettement améliorées par rapport aux structures
antérieures, et permet d'envisager des applications très variées.
Il s'agit plus particulièrement d'une structure alvéolaire monolithique à grande surface de contact, en particulier pour échangeur thermique statique, comportant une pluralité de canaux parallèles, caractérisée par le fait que l'organisation générale de ladite structure est essentiellement cylindrique, que les canaux sont définis par des parois de type radial et des parois de type circulaire, et que lesdits canaux définissent des ensembles à disposition essentiellement
rayonnante traversés par un même flux.
La structure de l'invention peut présenter en outre l'une au moins des caractéristiques suivantes: - pour une structure dans laquelle les canaux forment deux groupes dont chacun est traversé par un même flux, chacun des deux
groupes est formé d'ensembles de canaux dont la disposition essen-
tiellement rayonnante est en alternance selon un décalage angulaire, cette structure est réalisée selon un cylindre évidé dont la section annulaire est constituée d'ensembles de canaux parallèles, et dont le logement central est un canal pouvant permettre l'admission et/ou l'évacuation d'un flux, ledit canal étant obturé au voisinage d'une de ses extrémités par un bouchon étanche; avantageusement, ladite structure comporte à chaque extrémité un embout permettant d'obturer la face annulaire d'extrémité tout en laissant un libre accès au canal central, 3- - un groupe de canaux communique avec le canal central, l'embout d'extrémité obturant simultanément lesdits canaux, l'autre groupe
de canaux présentant des orifices latéraux d'admission et/ou d'évacua-
tion du flux associé; alors, lesdits orifices débouchent directement contre le plan des faces annulaires d'extrémité ou bien sont prévus à une certaine distance desdites faces, en vue d'une plus grande rigidité, - le cloisonnement entre les deux groupes de canaux est tel que le flux évacué par les orifices latéraux associés est une partie filtrée du flux admis par le canal central, après traversée dudit cloisonnement, - chaque face annulaire d'extrémité présente une obturation sélective radiale de façon que l'un des deux flux soit admis et évacué par lesdites faces annulaires, tandis que le groupe de canaux associé
à l'autre flux présente des orifices latéraux d'admission et d'éva-
cuation dudit flux; dans ce cas, il peut être avantageusement prévu que l'obturation sélective soit obtenue par un ensemble de secteurs annulaires rayonnants, qu'alors les secteurs annulaires présentent en leur zone large' une portion non découpée ouvrant sur d'autres canaux concernés par le flux admis et évacué par les faces annulaires d'extrémité, et que la structure comporte à chaque extrémité un embout dont le rebord circulaire s'appuie contre la périphérie des faces annulaires d'extrémité, et dont la surface définit une chambre intérieure débouchant vers l'extérieur par un orifice plus étroit,
- les parois de type radial des canaux parallèles sont recti-
lignes, inscrites dans des plans radiaux ou dans des plans parallèles deux à deux, ou sont ondulées, - les parois de type circulaire des canaux parallèles sont inscrites dans des cylindres coaxiaux à ladite structure, ou sont rectilignes entre deux parois de type radial adjacentes, définissant alors des contours en ligne brisée; ces parois de type circulaire peuvent être disposées en quinconce à chaque couple de parois de type radial, et peuvent, en cas de parois de type radial
ondulées, se raccorder auxdites parois aux sommets des ondulations.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparai-
tront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre,
donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, en référence aux figures du dessin annexé, o: -4 -
- la figure 1 est une vue partielle en perspective, avec arra-
chement, illustrant un type de structure alvéolaire de section rectan-
gulaire, conformément à la technique antérieure,
- la figure 2 est une vue partielle en perspective d'une struc-
ture alvéolaire conforme à l'invention, destinée à être traversée par deux flux distincts dont l'un est admis par un canal central, - les figures 3A et-3B illustrent une cartouche complète, dont les orifices latéraux sont respectivement en bout ou reculés par rapport à la face annulaire de chaque extrémité, - la figure 4 est une coupe schématique de la structure illustrée en figure 3B, illustrant les trajets empruntés par les deux flux, - les figures 5A et 5B sont des coupes schématiques pour des variantes à un seul flux d'entrée, et deux flux de sortie dont l'un est une partie filtrée du flux d'entrée, la structure constituant alors un filtre, respectivement à flux total et à flux dérivé, par exemple pour l'épuration des gaz émis par des moteurs diesels, - les figures 6A, 6B, 6C illustrent différentes variantes de réalisation des parois de type radial et de type circulaire, - les figures 7 et 8 illustrent, respectivement en vue partielle arrachée et en perspective, une variante de structure pour laquelle l'un des deux flux est introduit et extrait par les faces d'extrémité, - la figure 9 illustre un maillage à cellules proches du carré, ce maillage convenant tout particulièrement à une structure traversée
par un seul flux en vue d'une grande accumulation d'énergie thermique.
Figure 1, l'extrémité de structure alvéolaire 1 conforme à la technique antérieure est de section rectangulaire et à maille rectangulaire. La face d'extrémité 2 est obturée sélectivement, selon une alternance de rangées parallèles: un premier flux est admis (flèche 3) par la face 2 dans des canaux parallèles tels que 4, et est évacué par l'autre face (non visible), tandis qu'un deuxième flux est admis (flèche 5) par des orifices latéraux 6 dans des canaux parallèles telsque 7 (dont les extrémités sont donc obturées), et évacué latéralement au voisinage de l'autre face: l'échange thermique se fait par les parois telles que 8 séparant deux ensembles adjacents de canaux. Une telle structure est obtenue par extrusion, puis séchage et traitement thermique lorsqu'elle est réalisée en matière céramique, et l'obturation sélective de ses faces d'extrémité est en général _ 5 -
réalisée par trempage dans une barbotine.
On conçoit bien, outre les difficultés de réalisation lorsque les dimensions sont faibles, que les arêtes, et il y en a douze, soient des sources d'inconvénients aussi bien quant au traitement qui est nécessairement hétérogène, que quant à la rigidité mécanique
de la structure.
Au contraire, l'invention prévoit une conception toute différente, dont le-principe fondamental réside dans le fait que l'organisation générale de ladite structure est essentiellement cylindrique, que les canaux sont définis par des parois de type radial et des parois de type circulaire, et que lesdits canaux définissent des ensembles
à disposition essentiellement rayonnante traversés par un même flux.
La structure permet ainsi d'utiliser une section circulaire, et en
particulier la circulation de deux flux à l'intérieur de ladite struc-
ture avec une utilisation optimale de la section en ce qui concerne l'aérodynamique, étant entendu que cette structure peut fort bien trouver des applications dans lesquelles un seul flux est utilisé,
ainsi que cela sera précisé plus loin.
Figure 2, un exemple de structure 9 conforme à l'invention prévoit que les canaux sont définis par des parois 10 de type radial et des parois 11 de type circulaire, lesdits canaux définissant des ensembles à disposition essentiellement rayonnante traversés par un même flux. Ici, l'organisation générale est cylindrique, aussi bien quant à la section, la surface extérieure cylindrique permettant un séchage et un traitement thermique beaucoup plus uniforme et offrant une rigidité mécanique très supérieure par rapport aux structures à section rectangulaire, que quant à la disposition des canaux traversés par un même flux, dont la disposition essentiellement rayonnante,
en alternance selon un décalage angulaire, est clairement illustrée.
Selon une disposition particulièrement avantageuse, la struc-
ture 9 est réalisée selon un cylindre évidé dont la section annulaire, formant la partie alvéolaire utile, est constituée d'ensembles de canaux parallèles, et dont le logement central 12 est un canal permettant l'admission et/ou l'évacuation de l'un des deux flux, ledit canal étant obturé au voisinage d'une de ses extrémités (non visible ici, mais ultérieurement représenté sur les coupes des figures 4 et 5) pour répartir le flux dans les alvéoles de ladite structure. A chaque extrémité, la structure comporte un embout 13 permettant d'obturer -6 - simultanément par sa face circulaire 14 tous les canaux débouchant sur la face annulaire d'extrémité, tout en laissant un libre accès par un orifice 15 au canal central 12. Cet embout, réalisé en toute matière étanche (métallique ou céramique) sera selon le cas fixé par métallisation de la céramique à haute température, ou par collage, ou par brasure avec des verres, selon les gammes de températures
de fonctionnement.
Il faut insister quelque peu sur l'utilisation d'un tel canal central, dont la communication avec un ensemble de canaux n'est pas toujours nécessaire, car cette utilisation est tout à fait remarquable en effet, on n'avait utilisé jusqu'alors un canal central que comme passage de moyeu dans le cas de roues alvéolaires en céramique formant des échangeurs rotatifs, des régénérateurs par exemple. Or ici, le r6le du canal est infiniment plus actif, puisqu'il permet d'introduire et extraire l'un des flux, avec l'avantage non négligeable de pouvoir
obturer en totalité les faces d'extrémité, au lieu d'obturer sélec-
tivement les canaux de l'un des deux groupes comme c'était le cas pour une structure du type de celle illustrée en figure 1, cette
obturation sélective étant une opération délicate et onéreuse.
En outre, l'évidement central, dans la disposition annulaire, qu'il serve ou non à l'acheminement d'un flux, permet de réduire les contraintes dues aux variations dimensionnelles de la structure, au cours de
son élaboration et/ou de son utilisation.
Ici donc, sur la figure 2, un groupe de canaux communique avec le canal central, l'embout d'extrémité obturant simultanément lesdits canaux, tandis que l'autre groupe de canaux, associé au deuxième flux, présente des orifices latéraux 16 d'admission et/ou d'évacuation
du flux associé.
Les figures 3A et 3B illustrent une structure complète, se présentant sous la forme d'une cartouche, avec une paroi de séparation 17
fixée sur la surface extérieure pour séparer les deux flux, et présen-
tant respectivement des orifices latéraux d'entrée et de sortie d'un flux 16A débouchant directement contre le plan des faces annulaires d'extrémité, et 16B ménagés à une certaine distance desdites faces, ce qui complique un peu l'usinage dans ce dernier cas, mais permet surtout d'accroître notablement la rigidité des extrémités de la structure. Les ouvertures sont d'une façon générale obtenues par usinage classique des cloisons au moyen de meules, fraises ou par - 7- tout autre procédé (ultra-sons, laser, etc...); l'usinage sera de préférence pratiqué sur l'élément céramique extrudé cru, tandis que sur un élément précuit (biscuit) ou même cuit, on-préfèrera utiliser des ultra-sons ou des disques diamantés, la structure munie de ses ouvertures pouvant être de toute façon soumise à une cuisson lui
conférant la résistance mécanique désirée.
La figure 4 illustre bien les trajets qu'empruntent les deux flux traversant la structure 9B, et montre le bouchon étanche 18 obturant le canal central 12: la partie inférieure de la coupe concerne la circulation du flux admis par le canal central, dans des canaux parallèles successifs, tandis que la partie supérieure concerne la circulation de l'autre flux qui est admis et expulsé latéralement par les orifices 16B. La découpe circulaire des orifices schématise un usinage des parois par une meule de type circulaire, mais il va
de soi que l'on peut choisir tout autre type de découpe.
Les figures 5A et 5B illustrent des variantes constituant un filtre, par exemple pour épuration des gaz émis par des moteurs diesels, variantes selon lesquelles le cloisonnement entre les deux groupes de canaux est tel que le flux évacué est une partie filtrée du flux admis par le canal central 12, après traversée dudit cloisonnement on utilisera naturellement pour réaliser la structure une matière présentant la porosité désirée en fonction du gaz particulier à épurer figure 5A, il s'agit d'un filtre à flux total, auquel cas la structure 9C ne présente aucun orifice latéral, tandis que figure 5B, il s'agit d'un filtre à flux dérivé, auquel cas la structure 9'C présente un
orifice latéral 16B pour la portion dérivée.
Figures 6A à 6C, ce sont des exemples non limitatifs de variantes pour les parois de type radial et de type circulaire. Figure 6A, les parois 10A sont rectilignes et inscrites dans des plans radiaux, tandis que les parois 11A sont inscrites dans des cylindres coaxiaux à ladite structure. Figure 6B, les parois 10B sont rectilignes et inscrites dans des plans parallèles deux à deux, tandis que les parois 11B sont rectilignes entre deux parois 10B adjacentes, définissant des contours en ligne brisée. Figure 6C, les parois 10C sont ondulées, tandis que les parois 11C sont inscrites dans des cylindres coaxiaux,
mais disposées en quinconce à chaque couple de parois 10C et se raccor-
dant à celles-ci aux sommets des ondulations.
On a vu précédemment que l'on peut obturer simultanément les
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-8- canaux aux faces annulaires d'extrémité, avec un embout d'extrémité
laissant passer un flux par le canal central. Il peut s'avérer inté-
ressant dans certains cas d'introduire et extraire ce flux par les faces annulaires: dans ce cas, chaque face annulaire d'extrémité présente une obturation sélective radiale, obturation qui peut être obtenue par un ensemble de secteurs annulaires rayonnants: ces secteurs ont été représentés, avec arrachement, aux figures 6A, 6B, 6C,avec
les références respectives 19A, 19B, 19C. Si ces secteurs sont suffi-
samment larges, on peut même, ainsi que cela a été représenté en figure 7, mettre à profit ces parties larges pour augmenter la surface utile interflux: à cet effet, on peut prévoir en leur zone large une portion non découpée 20 ouvrant sur d'autres canaux concernés par le flux admis et évacué par les faces annulaires d'extrémité les parois 10D sont ici rectilignes, parallèles pour la portion non découpée, radiales pour les autres, tandis que les parois 11D sont circulaires. On peut prévoir, figure 8, un embout 21 à chaque extrémité, dont le rebord circulaire 22 s'appuie contre la périphérie des faces annulaires d'extrémité, ou plus exactement des secteurs 19D, et dont la surface définit une chambre intérieure débouchant vers l'extérieur
par un orifice plus étroit 23.
La figure 9 illustre encore un autre exemple o les parois 10E et 11E définissent pour chaque canal un profil d'alvéole proche du carré. Il va de soi que l'écartement relatif entre les différentes, parois sera choisi de façon à être parfaitement adapté aux contraintes
subies sous l'effet de la pression différentielle des deux flux.
Les parois de type radial sont disposées de façon à répartir, selon les critères aérodynamiques désirés, la surface offerte à chacun des deux flux: en particulier, l'écartement entre lesdites parois sera choisi en fonction des débits et des vitesses de chacun des flux. Signalons pour terminer deux avantages supplémentaires procurés par la structure de l'invention: d'abord, la conception annulaire, par sa rigidité de forme, permet de concevoir des cartouches plus longues qu'avec n'importe quelle autre architecture de section utile donnée; ensuite, la section cylindrique permet accessoirement de prévoir une rotation de la structure autour de son axe lors des étapes
de la fabrication, ce qui favorise grandement l'homogénéité du séchage.
- 9 - Il va de soi que l'invention n'est nullement limitée aux exemples qui en ont été donnés à titre purement illustratif, mais comprend toute variante reprenant avec des moyens équivalents la définition
générale figurant aux revendications.
- 10 -

Claims (14)

REVENDICATIONS
1/ Structure alvéolaire monolithique à grande surface de contact, en particulier pour échangeur thermique statique, comportant une
pluralité de canaux parallèles, caractérisée par le fait que l'orga-
nisation générale de ladite structure est essentiellement cylindrique, que les canaux sont définis par des parois de type radial et des parois de type circulaire, et que lesdits canaux définissent des ensembles à disposition essentiellement rayonnante traversés par
un même flux.
2/ Structure selon la revendication 1, dans laquelle les canaux forment deux groupes dont chacun est traversé par un même flux, caractérisée par le fait que chacun des deux groupes est formé d'ensembles de canaux dont la disposition essentiellement rayonnante est en alternance
selon un décalage angulaire.
3/ Structure selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée
par le fait qu'elle est réalisée selon un cylindre évidé dont la section annulaire est constituée d'ensembles de canaux parallèles, et dont le logement central est un canal pouvant permettre l'admission et/ou l'évacuation d'un flux, ledit canal étant obturé au voisinage
d'une de ses extrémités par un bouchon étanche.
4/ Structure selon la revendication 3, caractérisée par le fait qu'elle comporte à chaque extrémité un embout permettant d'obturer la face
annulaire d'extrémité tout en laissant un libre accès au canal central.
/ Structure selon les revendications 2 et 4, caractérisée par le
fait qu'un groupe de canaux communique avec le canal central, l'embout d'extrémité obturant simultanément lesdits canaux, l'autre groupe de canaux présentant des orifices latéraux d'admission et/ou d'évacuation
du flux associé.
6/ Structure selon la revendication 5, caractérisée par le fait que les orifices latéraux débouchent directement contre le plan des faces
annulaires d'extrémité.
7/ Structure selon la revendication 5, caractérisée par le fait que les orifices latéraux sont prévus à une certaine distance des faces
annulaires d'extrémité, en vue d'une plus grande rigidité.
- 11 -
8/ Structure selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée par
le fait que le cloisonnement entre les deux groupes de canaux est tel que le flux évacué par les orifices latéraux associés est une partie filtrée du flux admis par le canal central, après traversée dudit cloisonnement. 9/ Structure selon la revendication 3, caractérisée par le fait que chaque face annulaire d'extrémité présente une obturation sélective radiale de façon que l'un des deux flux soit admis et évacué par lesdites faces annulaires, tandis que. le groupe de canaux associé à l'autre flux présente des orifices latéraux d'admission et d'évacuation
dudit flux.
/ Structure selon la revendication 9, caractérisée par le fait que l'obturation sélective est obtenue par un ensemble de secteurs
annulaires rayonnants.
11/ Structure selon la revendication 10, caractérisée par le fait que les secteurs annulaires présentent en leur zone large une portion non découpée ouvrant sur d'autres canaux concernés par le flux admis
et évacué par les faces annulaires d'extrémité.
12/ Structure selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée
par le fait qu'elle comporte à chaque extrémité un embout dont le rebord circulaire s'appuie contre la périphérie des faces annulaires d'extrémité, et dont la surface définit une chambre intérieure débouchant
vers l'extérieur par un orifice plus étroit.
13/ Structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisée
par le fait que les parois de type radial des canaux parallèles sont rectilignes. 14/ Structure selon la revendication 13, caractérisée par le fait
que les parois sont inscrites dans des plans radiaux.
/ Structure selon la revendication 13, caractérisée par le fait
que les parois sont inscrites dans des plans parallèles deux à deux.
16/ Structure selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée
par le fait que les parois de type radial des canaux parallèles sont ondulées.
- 12 -
17/ Structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisée
par le fait que les parois de type circulaire des canaux parallèles
sont incrites dans des cylindres coaxiaux à ladite structure.
18/ Structure selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisée
par le fait que les parois de type circulaire des canaux parallèles sont rectilignes entre deux parois de type radial adjacentes, définissant
des contours en ligne brisée.
19/ Structure selon l'une des revendications 17 et 18, caractérisée
par le fait que les parois de type circulaire sont disposées en quinconce
à chaque couple de parois de type radial.
/ Structure selon les revendications 16 et 19, caractérisée par
le fait que les parois de type circulaire se raccordent aux parois
de type radial ondulées aux sommets des ondulations.
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