FR2657954A1 - Dispositif d'echange thermique a plaques planes et a turbulateurs. - Google Patents

Abstract

On décrit un dispositif d'échange de chaleur à plaques caractérisé en ce que, dans au moins une partie des canaux délimités par deux plaques consécutives, on dispose deux rangées superposées de tiges rectilignes, parallèles entre elles pour chaque rangée, la direction (XX') des tiges de l'une des rangées formant avec la direction (AA') d'écoulement du fluide dans le canal considéré un angle orienté alpha de +30 à +90degré , la direction (Y'Y) des tiges de l'autre rangée formant avec la direction AA' un angle orienté beta de 0 à -90degré , la direction XX' et la direction YY' formant entre elles un angle gamma de 45 à 135degré . Cette disposition permet un transfert thermique efficace et des pertes de charge relativement réduites. L'échangeur est particulièrement adapté à des fluides circulant à contre-courant.

Description

Les échangeurs à plaques présentent de nombreux avantages par rapport aux échangeurs à tubes et calandre. Ils sont plus compacts et permettent de réaliser un échange de chaleur à contre-courant.

Les plaques sont généralement pourvues de nervures de forme ondulée qui permettent de réaliser l'écartement entre plaques et de favoriser le transfert thermique. Ces nervures sont réalisées par estampage sous presse. Cette technique rend difficile la realisation de plaques de très grande dimension, en raison de la capacité et de la puissance limitées des presses et des machines de forge.

I1 a été récemment propose une méthode de forgeage par explosion, grâce à laquelle il était possible de fabriquer, à partir des tôles obtenues, des modèles d'échangeurs plus grands et plus puissants, comme décrit notamment dans le brevet FR-A-2471569. Cependant, un inconvénient du forgeage par explosion est que la mise en place des cordons d'explosif est necessairement une opération manuelle, longue et minutieuse, ce qui entraîne un coût très élevé pour les appareillages fabriqués selon cette méthode.

On s'est alors oriente vers une conception d'échangeurs à plaques planes, entre lesquelles sont insérés des amplificateurs de turbulence consistant notamment en des réseaux de fils métalliques tissés ou des feuilles de métal déployé, comme décrit par exemple dans la demande de brevet européen EP-A-0111459. Les solutions ainsi proposées présentent néanmoins certains inconvénients : les inserts consistant en fils métalliques tissés conduisent à des echangeurs dont le prix est trop élevé ; quant aux inserts consistant en des feuilles de metal déployé, ils occasionnent des pertes de charge particulièrement élevées et, en raison de la discontinuité de contact avec les plaques adjacentes, ils induisent un défaut de transfert thermique.

La présente invention vise à proposer la réalisation d'échangeurs de chaleur à plaques planes et à turbulateurs qui ne présentent pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Ces échangeurs peuvent avoir une tres grande surface unitaire et réaliser des échanges de chaleur entre fluides avec un coefficient de transfert thermique eleve et des pertes de charge relativement réduites.

Ces échangeurs de chaleur peuvent être utilisés avec avantage pour des échanges entre fluides circulant à contre-courant.

Les dispositifs d'échange thermique selon l'invention seront décrits ci-après en liaison avec les Figures 1 à 12.

La Figure 1 représente deux plaques consecutives 1 et 2 d'un échangeur selon l'invention, entre lesquelles sont disposees deux rangées superposées I et II de tiges parallèles entre elles, les tiges 3 et 4 appartenant à la rangée I et les tiges 5 et 6 à la rangee II.

La Figure 2 représente schématiquement la direction de l'écoulement du fluide (AA'), la direction X'X des tiges d'une des rangées formant un angle orienté avec la direction AA' de l'écoulement du fluide et la direction Y'Y des tiges de l'autre rangée formant un angle orienté avec la direction AA' de l'écoulement du fluide.L'angle formé par les directions X'X et Y'Y est désigné par
Pour permettre l'écoulement dans des conditions optimales du fluide qui passe entre deux plaques consécutives selon la direction A'A indiquée sur le schéma de la Figure 2, les rangées de tiges superposées doivent former entre elles un anglets'au moins 45". D'autre part, plus l'angle que forme une des rangées de tiges avec la direction A'A de l'écoulement se rapproche de 90 , plus l'accroissement du coefficient de transfert thermique résultant de l'introduction des rangées superposées de tiges est important ; toutefois, il s'en suit également un accroissement de la perte de charge et donc le choix optimal de l'angle a ou t3 d'inclinaison des tiges avec la direction A'A de l'écoulement résulte d'un compromis. Toutefois, pour obtenir une amélioration significative du transfert thermique, il est nécessaire que l'une au moins des deux rangées de tiges forme un angle d'au moins 30 avec la direction de l'écoulement.

D'une manière générale, le dispositif selon l'invention, destiné à l'échange de chaleur entre au moins un fluide relativement chaud et au moins un fluide relativement froid, comprend une zone d'échange thermique formée d'une succession de plaques planes parallèles entre elles, formant des canaux pour la circulation des fluides participant à l'échange thermique, chacun desdits fluides s'écoulant dans une direction déterminée, ledit dispositif comprenant en outre des moyens d'amenée et d'évacuation pour chacun desdits fluides et étant caractérisé en ce que, dans au moins une partie des canaux, sont disposées deux rangées superposées de tiges rectilignes, les tiges de chaque rangée étant parallèles entre elles, la direction X'X des tiges de l'une des rangées formant avec la direction A'A d'écoulement du fluide dans le canal considéré un angle orienté a de +30 à +90 , la direction Y'Y des tiges de l'autre rangee formant avec la direction A'A d'écoulement du fluide un angle oriente de O à -90 , la direction des tiges d'une rangée formant avec la direction des tiges de l'autre rangée un angle Y de 45 à 135".

Sur la Figure 2, on a choisi, pour la mesure des angles orientesa et g , le sens trigonométrique comme sens positif. On aurait tout aussi bien pu choisir le sens oppose. Dans les deux cas, langleY est la somme des valeurs absolues des angles a et .

Différentes dispositions des rangées de tiges parallèles superposées peuvent être envisagées.

Une disposition particulierement avantageuse pour l'amélioration du coefficient de transfert est schématisée sur la Figure 3. Dans ce cas, les tiges 17, 18 et 19 appartenant à la rangée I et les tiges 20, 21 et 22 appartenant à la rangee II sont disposées selon des directions X'X et Y'Y symetriques ou substantiellement symétriques par rapport à l'axe
A'A de l'écoulement représenté par la flèche 23. Dans ce cas, avec les notations précédentes, on a a = - pour des directions X'X et Y'Y symétriques. Par directions substantiellement symétriques, on peut entendre que les valeurs absolues des angles a et '3diffèrent d'un angle dont la valeur absolue va par exemple jusqu'à 10 ou 15".

Une autre disposition, particulièrement avantageuse, schématisée sur la
Figure 4, peut être également réalisée en vue de réduire la perte de charge.

Dans cette disposition, les tiges 25, 26, 27 et 28 appartenant à la rangee I (direction X'X) sont inclinées par rapport à l'axe A'A de l'écoulement et les tiges 30, 31 et 32 appartenant à la rangée II (diretion Y'Y) sont parallèles ou substantiellement parallèles à l'axe
A'A de l'écoulement représenté par la flèche 35. Dans ce cas, I'angle est égal à 0 pour les directions Y'Y et A'A parallèles. Pour des directions substantiellement parallèles la mesure de l'angle 0 peut aller par exemple jusqu'à -10 ou -15 . Pour sa part la valeur de l'angle a, d'au moins +30 peut aller jusqu'à +90 .

Selon une autre disposition particulière, représentée sur la Figure 5, la direction X'X des tiges de la rangée I est perpendiculaire ou substantiellement perpendiculaire à la direction A'A de l'écoulement du fluide et la direction Y'Y des tiges de la rangée II est parallèle ou substantiellement parallele à la direction A'A de l'écoulement.

Par perpendiculaire ou substantiellement perpendiculaire, on peut entendre que l'angle a a une valeur absolue de 75 à 90 , par exemple de 80 à 90 , et par parallèle ou substantiellement parallèle, on peut entendre que l'angle 5 a une valeur absolue de O à 15 , par exemple de O à 100.

Les tiges formant les rangées I et II peuvent avoir différentes sections géométriques.

Par exemple, sur le schema de la Figure 6 sont représentées des sections circulaires pour les tiges 50, 51, 52, 53 et 54.

La section peut être également carrée comme cela est schematisé sur la
Figure 7 qui représente les sections des tiges 60, 61, 62, 63 et 64.

Une telle forme géométrique permet de creer une surface secondaire d'échange et de mieux transmettre la chaleur échangée à travers le système de tiges lorsqu'elles sont conductrices de la chaleur.

I1 est egalement possible de réaliser des tiges de section profilée comme cela est représenté sur la Figure 8 qui représente les sections des tiges 70 et 71. La direction de l'écoulement est représentée par la flèche 72.

Une telle forme permet de réduire la perte de charge tout en permettant une amélioration du transfert thermique.

Les tiges peuvent encore présenter la forme de tubes.

Selon l'invention, il est avantageux que l'épaisseur des tiges de la rangée I soit différentie de celle des tiges de la rangée II. C'est le cas en particulier lorsque les tiges de la rangee I ont une direction
X'X perpendiculaire, ou substantiellement perpendiculaire, à la direction A'A de l'écoulement du fluide et lorsque les tiges de la rangée II ont une direction Y'Y parallèle, ou substantiellement parallele, à la direction A'A de l'écoulement.

Dans ce cas, pour que les tiges de la seconde rangée jouent le rôle d'éléments de renforcement du dispositif et que les tiges de la première rangée jouent le rôle d'amplificateurs de turbulence de l'écoulement du fluide dans le canal considéré, on peut envisager que l'épaisseur e2 des tiges de la seconde rangée soit supérieure à l'épaisseur el des tiges de la première rangee.

L'épaisseur e2 des tiges de la seconde rangée peut être par exemple de 0,5 à 50 mm, de préférence de 1 à 25 mm et le rapport de l'épaisseur e1 des tiges de la premiere rangée à l'épaisseur e2 des tiges de la seconde rangee peut être de 0,01/1 à 0,8/1, de préférence de 0,1/1 à 0,5/1. L'épaisseur el des tiges de la première rangée sera généralement d'au moins 0,1 mm.

Par ailleurs, en rapprochant les tiges paralleles formant une rangée, on ameliore le coefficient de transfert thermique. En même temps, l'effet de sillage de chaque tige est réduit par la présence de la tige suivante, ce qui permet de limiter l'augmentation de la perte de charge.

I1 est donc avantageux que les tiges formant les rangées parallèles soient écartées d'une distance inférieure à cent fois et de préférence à dix fois la plus grande dimension de la coupe transversale de chacune des tiges selon l'axe de l'écoulement.

Elles ne doivent pas être non plus trop rapprochées de manière à permettre le passage de l'écoulement et sont de préférence écartees d'une distance au moins égale à la plus grande dimension de la coupe transversale de chacune des tiges selon l'axe de l'écoulement.

Les tiges appartenant aux deux rangées I et II peuvent être rendues solidaires des plaques ou fixées entre elles.

Si les Liges sont fixees entre elles, il est possible de retirer le système de tiges pour effectuer une operation de nettoyage ou même utiliser le déplacement du système de tiges pour nettoyer les parois.

Cela suppose qu'il est possible de démonter au moins une des extrémités de l'échangeur.

Les tiges peuvent être fixées entre elles par différents moyens connus de l'homme de l'art et notamment par différentes méthodes de soudure, telles que soudure électrique par point, soudure par effet Joule, soudure par laser.

I1 peut également s'agir de brasage, les tiges étant brases entre elles au niveau des points de contact par apport de brasure ou les tiges, préalablement enrobées de brasure par immersion, sont portées à la température de fusion de la brasure pour réaliser les brasures aux points de contacts des tiges.

L'étanchéité entre plaques peut être assurée par des joints. Cette disposition est schématisée sur la Figure 9. L'étanchéité entre les plaques 80, 81, 82 et 83 est assurée au moyen des joints 84, 85 et 86.

Il est également possible de souder les plaques à leur périphérie.

C'est la disposition qui est schématisée sur la Figure 10. Les plaques 90 et 91 sont soudées latéralement de manière à constituer un canal étanche 92 et les plaques 93 et 94 sont soudees lateralement de manière à constituer un canal étanche 95. Les autres plaques analogues à 90, 91, 93 et 94 et les autres canaux analogues à 92 et 95 ne sont pas représentés sur la Figure 10. Les canaux 92 et 95 sont parcourus par un premier fluide participant à l'échange.

Une enveloppe soudée externe 96 permet de creer d'autres canaux tels que le canal 97 qui sont parcourus par un deuxième fluide participant à l'échange.

Le dispositif d'échange thermique selon l'invention peut présenter une très grande surface unitaire, la longueur des plaques pouvant être comprise par exemple entre 5 et 40 mètres, et la surface d'échange pouvant atteindre par exemple 3000 à 4000 m2.

Cependant, les plaques formant la zone d'échange peuvent être constituées chacune de plusieurs panneaux juxtaposés, comme schématisé sur la Figure 11. Dans ce cas les rangées I et II de tiges peuvent être assemblées comme il a été décrit précédemment, pour chaque ensemble de panneaux juxtaposés.

Les tiges formant les rangées I et II peuvent être assemblées selon plusieurs panneaux différents juxtaposés.

La Figure ll schématise à titre d'exemple l'assemblage de six panneaux rectangulaires.

Dans le cas d'un échangeur de très grande surface unitaire, cela permet d'éviter la difficulte d'avoir à réaliser des plaques de très grande dimension.

Les tiges formant les rangees I et II peuvent être réalisées avec différents materiaux.

Elles peuvent être réalisées par exemple avec un materiau métallique.

Un tel matériau presente l'avantage d'une bonne conductibilité thermique et peut être compatible avec des échanges thermiques opérés sur des fluides à des températures relativement élevées.

Elles peuvent être réalisées également avec un matériau polymere. Un tel matériau permet, lorsque son utilisation est compatible avec les niveaux thermiques des fluides participant à l'échange de chaleur, des modes de réalisation par injection ou extrusion des tiges ou des panneaux de tiges qui permettent d'en abaisser le cout de revient.

Les dispositifs d'échange thermique selon l'invention permettent notamment de réaliser un échange de chaleur à contre-courant entre un fluide relativement chaud et un fluide relativement froid. On peut opérer par exemple selon le schéma de principe représenté sur la Figure 12. Sur ce schéma, on n a représenté que 3 plaques de l'échangeur, numérotees respectivement 10, 11 et 12.

L'arrivée du fluide chaud est schématisée par la flèche 13 et le départ du fluide chaud par la flèche 14.

Les canaux formés par l'empilement des plaques sont parcourus alternativmeent par le fluide chaud et le fluide froid.

L'arrivée du fluide froid est représentée par la flèche 15 et le départ du fluide froid par la flèche 16.

Les sections d'arrivée et de départ des fluides chaud et froid sont ouvertes au niveau des canaux parcourus par le fluide entrant et sortant et fermées au niveau des canaux parcourus par l'autre fluide participant à l'échange thermique.

Sur la Figure 12, les systemes de tiges superposées qui sont intercales entre les plaques n ont pas eté figurés afin de simplifier le schéma.

D'autres systèmes de distribution connus de l'homme de l'art peuvent être envisagés et il est même possible de réaliser des échanges de chaleur entre plus de deux fluides à condition de respecter les conditions définissant le dispositif d'échange thermique selon l'invention.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Dispositif destiné à l'échange de chaleur entre au moins un fluide relativement chaud et au moins un fluide relativement froid, comprenant une zone d'echange formée d'une succession de plaques planes parallèles entre elles formant des canaux pour la circulation des fluides participant à l'échange thermique, chacun desdits fluides s'écoulant dans une direction déterminée, ledit dispositif comprenant en outre des moyens d'amenée et d'évacuation pour chacun desdits fluides, ledit dispositif etant caractérisé en ce que dans au moins une partie desdits canaux sont disposées deux rangees superposées de tiges rectilignes, les tiges de chaque rangée étant parallèles entre elles, la direction (X'X) des tiges de l'une des rangées formant avec la direction (A'A) d'ecoulement du fluide dans le canal considéré un angle oriente de +30 à +90 , la direction (Y'Y) des tiges de l'autre rangée formant avec la direction (A'A) d'écoulement du fluide un angle orienté de 0 à -90 , la direction des tiges d'une rangée formant avec la direction des tiges de l'autre rangée un angleY de 45 à 135".

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction X'X de la première rangée de tiges et la direction Y'Y de la seconde rangée de tiges sont symétriques ou substantiellement symetriques par rapport à la direction A'A de l'écoulement du fluide dans le canal considère.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction Y'Y de la seconde rangée de tiges est parallèle ou substantiellement parallèle à la direction A'A de l'écoulement du fluide dans le canal considére.

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction X'X de la première rangee de tiges est perpendiculaire ou substantiellement perpendiculaire à la direction A'A de l'écoulement du fluide dans le canal consideré et en ce que la direction Y'Y de la seconde rangée de tiges est parallèle ou substantiellement parallèle à la direction A'A de l'écoulement dudit fluide.

5. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les tiges de la seconde rangée ont une épaisseur e2 supérieure à l'épaisseur el des tiges de la première rangée.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur e2 est de 0,5 à 50 mm et en ce que le rapport des épaisseurs el et e2 est de 0,01/1 à 0,8/1.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur e2 est de 1 à 25 mm.

8. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'épaisseur el est d'au moins 0,1 mm.

9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les tiges de chaque rangée sont solidaires de la plaque en contact avec chacune d'elles.

10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les tiges d'une des rangées sont solidaires des tiges de l'autre rangée, en leurs points de contact.

11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel on réalise un echange thermique entre un fluide relativement chaud et un fluide relativement froid, caractérisé en ce que chacun des deux fluides parcourant alternativement un canal sur deux circulent à contre-courant.