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Société dite : THE TRANE COMPANY
TITRE "Echangeur de chaleur du type à plaques".
(Inventeur : BUTT Alan George)
REVENDiCATION de PRIORITÉS
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L'invention concerne d'une manière générale un échangeur de chaleur du type à plaques, dans lequel deux fluides sont combinés pour s'écouler par un passage commun entre des plaques de cloisonnement, en relation de transmission de chaleur avec un troisième fluide, et elle a trait plus particulièrement à l'utilisation d'une barre creuse pour supporter les plaques et injecter l'un des deux fluides dans le passage commun.
Certaines applications industrielles exigent un échangeur de chaleur pour réaliser une transmission de chaleur entre un liquide et un gaz mélangés et un troisième fluide. Pour un fonctionnement efficace et une transmission de chaleur optimale, le liquide et le gaz doivent être répartis uniformément, sous forme d'un mélange, dans un passage commun avant de traverser l'échangeur de chaleur, en relation de transmission de chaleur avec le troisième fluide. Si les liquides et le gaz pénètrent chacun dans le coeur de l'échangeur de chaleur séparément, par des canaux adjacents séparés par une plaque commune, une ouverture transversale ménagée dans cette plaque peut établir un trajet d'écoulement par lequel les deux fluides se mélangent. Ce type d'échangeur de chaleur est décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique No 3 559 722 et No 4 249 595.
Dans le brevet ? 3 559 722 précité, une plaque de cloisonnement fendue ou ajourée, séparant les canaux de liquide et de gaz, est supportée par un plot métallique
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à ailettes en tôle ondulée qui"engendre"l'ouverture.
Ce plot renforce la structure à l'emplacement où elle est affaiblie par l'ouverture ménagée dans la plaque métallique.
Pour travailler à une pression nominale plus élevée, et pour commander l'écoulement de l'un des deux fluides, le brevet ? 4 249 595 précité décrit l'utilisation d'une barre rainurée pour supporter les plaques métalliques, à la place du plot à ailettes engendrant l'ouverture. La barre rainurée présente une aire de surface, sur laquelle sont brasées et supportées les plaques métalliques adjacentes, plus grande que celle qu'il est possible d'obtenir avec un élément à ailettes présentant la densité d'ailettes maximale admissible. La pression nominale de travail de l'échangeur de chaleur résultant est supérieure à 4900 kPa.
Des tubes d'aspersion constituent un autre moyen pour distribuer et injecter un fluide dans un canal afin de le mélanger avec un autre fluide. Un tube d'aspersion est un conduit présentant plusieurs orifices espacés disposés sur sa longueur, s'étendant transversalement à la largeur d'un canal ou passage de fluide situé entre deux plaques. Un liquide (ou un gaz) est injecté à l'une des extrémités ou aux deux extrémités du conduit et sort par les orifices pour se mélanger à l'autre fluide s'écoulant dans le passage, autour du tube d'aspersion. Des exemples d'une telle utilisation et d'autres utilisations : d'un tube d'aspersion monté dans un échangeur de chaleur sont décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 3 895 676.
L'échangeur de chaleur à tubes d'aspersion est généralement utilisé pour des applications à des fluides à deux phases, à débit d'écoulement modéré, avec des plages de pressions nominales comprises entre moins de 1750 kPa et environ 4900 kPa.
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Un tube d'aspersion placé entre deux plaques peut tendre à vibrer lorsqu'un fluide s'écoule entre sa surface extérieure et les surfaces opposées des plaques adjacentes. Ce battement ou mouvement du tube provoqué par l'écoulement d'un fluide peut avoir pour résultat une défaillance précoce par fatigue. Etant donné que le tube n'est pas normalement brasé en position ni même monté en contact avec les deux plaques, il ne constitue pas un support important et engendre donc une lacune ou faiblesse dans la structure de l'échangeur de chaleur. Ceci constitue un facteur limitant la pression nominale de fonctionnement d'un échangeur de chaleur construit avec un tube d'aspersion.
L'invention a donc pour objet un échangeur de chaleur du type à plaques comportant des moyens permettant de distribuer séparément un premier fluide et un second fluide et de les mélanger dans un passage commun. L'invention a pour autre objet de supporter les plaques adjacentes de l'échangeur de chaleur, à l'emplacement où les deux fluides se mélangent, afin que la structure résultante puisse supporter des pressions de travail relativement élevées. L'invention a pour autre objet de régler le débit d'écoulement des deux fluides à travers l'échangeur de chaleur avant leur mélange dans le passage commun et elle a également pour autre objet d'injecter l'un des deux fluides à l'aide de moyens non sujets aux vibrations et aux défaillances par la fatigue, ces moyens pouvant être brasés en position.
L'invention concerne donc un échangeur de chaleur du type à plaques qui comprend au moins trois plaques métalliques sensiblement planes, de dimensions et de formes similaires, disposées parallèlement et à distance les unes des autres. Les plaques sont reliées à leur périphérie par des barres avec lesquelles elles définissent des premier et second passages séparés. Des moyens sont prévus pour
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admettre un premier fluide dans le premier passage et pour le distribuer sensiblement sur la largeur de l'échangeur de chaleur. Une barre métallique creuse est disposée transversalement à l'intérieur du premier passage et elle présente deux surfaces parallèles, sensiblement plates, qui sont en butée contre les plaques métalliques définissant le premier passage et qui les supportent.
Plusieurs canaux sont disposés transversalement sur au moins l'une des surfaces plates de la barre métallique creuse. Cette dernière présente également plusieurs orifices espacés sur sa longueur, établissant une communication de fluide entre le premier passage et. l'intérieur de la barre. Une première extrémité de cette barre comporte des moyens d'entrée permettant l'admission d'un second fluide à l'intérieur de la barre. Le premier fluide passe par les canaux transversaux dans la barre creuse et se mélange au second fluide lorsqu'il s'écoule par les orifices. Des tubulures sont prévues pour collecter et faire sortir de l'échangeur de chaleur les premier et second fluides mélangés.
L'échangeur de chaleur comporte en outre des moyens d'admission d'un troisième fluide dans le second passage et de distribution-du troisième fluide sensiblement sur toute la largeur de l'échangeur de chaleur. Après que le troisième fluide a parcouru au moins une partie de l'échangeur de chaleur, en relation de transmission de chaleur avec les premier et deuxième fluides mélangés, des tubulures collectent et font sortir le troisième fluide du second passage de l'échangeur de chaleur.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 est une élévation d'une extrémité de l'échangeur de chaleur du type à plaques selon l'invention ;
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- la figure 2 est une coupe partielle suivant la ligne 2-2 de la figure 1 ; - la figure 3 est une coupe d'une barre creuse suivant la ligne 3-3 de la figure 2 ;
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- figure 4 est une coupe de la barre creuse suivant la ligne 4-4 de la figure 2 ; - la figure 5 est une coupe partielle de l'échangeur de chaleur suivant la ligne 5-5 de la figure 1 ; - la figure 6 est une coupe partielle d'une seconde forme de réalisation de l'échangeur de chaleur, analogue à celle montrée sur la figure 2 ;
- la figure 7 est une coupe partielle suivant la ligne 7-7 de la figure 6 ; - la figure 8 est une coupe de la barre creuse de la seconde forme de réalisation, suivant la ligne 8-8 de la figure 7 ; et - la figure 9 est une coupe de la barre creuse de la seconde forme de réalisation, suivant la ligne 9-9 de la figure 7.
La figure 1 représente un échangeur de chaleur du type à plaques selon l'invention, désigné globalement par la référence numérique 10. L'échangeur de chaleur 10 est constitué de plaques métalliques plates 11, de formes, de longueurs et de largeurs similaires, espacées, disposées parallèlement les unes aux autres et dont les bords sont scellés au moyen de barres 12. L'échangeur de chaleur 10 est normalement orienté de manière qu'un premier collecteur 13 soit disposé à son extrémité inférieure, l'axe longitudinal étant orienté verticalement, c'est-à-dire l'extrémité montrée sur la figure 1 étant tournée vers le bas. Un deuxième collecteur 14 est alors disposé le long d'un côté et un troisième collecteur 15 est disposé au sommet de l'échangeur de chaleur 10.
Les figures 2 à 5 représentent plus en détail à l'aide de vues en coupe, une première forme de réalisation
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de l'échangeur de chaleur 10. Par exemple, la figure 2 montre la construction interne d'un premier passage typique dans lequel sont admis des premier et deuxième fluides distribués et mélangés de façon à s'écouler à travers l'échangeur de chaleur 10. A travers l'explication qui suit, pour plus de commodité, le premier fluide d'échange de chaleur sera appelé simplement vapeur et le deuxième fluide sera appelé liquide. Il convient cependant de noter que les trajets d'écoulement du liquide et de la vapeur à travers l'échangeur de chaleur peuvent être intervertis sans sortir du cadre de l'invention.
Un troisième fluide s'écoule par des seconds passages ménagés dans l'échangeur de chaleur 10, comme représenté sur la coupe de la figure 5.
Dans les formes préférées de réalisation, les premiers et seconds passages alternent en ordre sur la largeur de l'échangeur de chaleur, un premier passage étant toujours placé entre deux seconds passages. Par conséquent, si la lettre"A"représente un premier passage et la lettre"B" un second passage, l'ordre est BABA.... AB. En variante, l'ordre peut être : BABBABBA... BBAB.
De la vapeur est admise du collecteur 13 dans le premier passage-par une entrée définie par les barres 12 de scellement, en un point où le collecteur 13 est relié de manière étanche à ces barres en les entourant.
La vapeur est distribuée au moyen de deux sections de tôle ondulée à ailettes 17a, de forme trapézoïdale, et d'une section triangulaire de tôle ondulée à ailettes 18a.
L'écoulement de la vapeur s'effectue généralement parallèlement aux crêtes des sections de tôle ondulée à ailettes 17a et 18a afin qu'il soit distribué uniformément sur la largeur de l'échangeur de chaleur 10 dans le premier passage.
Immédiatement en aval des tôles à ailettes 17a, on trouve une courte section de tôle ondulée à ailettes 24a disposée de manière que les crêtes des ailettes s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal de l'échangeur de chaleur.
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Une nervure 23 d'entretoisement, portée par une barre métallique creuse 16, est en butée contre l'extrémité avale des tôles ondulées à ailettes 24a et, de façon similaire, une seconde nervure 23 d'entretoisement, formée sur la surface opposée de la barre creuse 16, est en butée contre une section sensiblement plus longue de la tôle ondulée à ailettes 24b afin de s'étendre également parallèlement à l'axe longitudinal de l'échangeur de chaleur 10.
La barre creuse 16 assume plusieurs fonctions dans l'échangeur de chaleur 10. Tout d'abord, elle constitue un support structurel entre les tôles adjacentes 11 dont les surfaces opposées définissent le premier passage ; deuxièmement, la barre creuse 16 constitue un moyen permettant d'introduire un liquide dans le coeur de l'échangeur de chaleur 10 et de le mélanger à la vapeur ; et troisièmement, la barre 16 comporte des moyens permettant de régler l'écoulement de la vapeur et du liquide à travers l'échangeur de chaleur 10, dans un rapport prédéterminé, comme indiqué ci-après.
Comme représenté sur les figures 3 et 4, la barre creuse 16 présente plusieurs rainures espacées 20 formées sur ces surfaces qui sont en contact avec les tôles métalliques adjacentes 11. Ces rainures 20 constituent des moyens par lesquels la vapeur qui pénètre dans le premier collecteur 13 passe à travers le premier passage, au-delà de l'obstacle constitué autrement par la barre creuse 16. Plusieurs secondes rainures 21 sont également formées dans les surfaces des barres creuses 16 qui sont appliquées contre les tôles métalliques adjacentes 11, mais ces rainures ne s'étendent que sur une partie de la largeur de ces surfaces parallèles des barres 16.
Les rainures 21 sont plus profondes de manière à couper des gorges 22 qui s'étendent le long des surfaces intérieures des barres 16, à proximité immédiate des surfaces dans lesquelles les rainures 21 sont formées. Chaque intersection d'une gorge 22
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et d'une rainure 21 définit un orifice 22a.
Le liquide pénètre dans l'échangeur de chaleur 10 par l'intermédiaire du deuxième collecteur 14 qui est fixé de manière étanche aux barres 12 de scellement, autour des extrémités des barres creuses 16, afin de partir de chacun des premiers passages. Le liquide s'écoule ensuite à l'intérieur des barres 16 et pénètre dans le premier passage par les orifices 22a et les rainures 21. En s'écoulant par les orifices 22a, le liquide subit une fuite notable de pression et il peut, en ce point, s'évaporer en partie rapidement pour former une vapeur. La vapeur et le liquide se mélangent dans le premier passage et le mélange passe à travers la section de tôle ondulée à ailettes 24b et est collecté à l'extrémité opposée de l'échangeur de chaleur 10 par les sections de tôle ondulée à ailettes 17b et 18b.
Les tôles ondulées à ailettes 17b et 18b sont de forme similaire à celles des tôles ondulées à ailettes 17a et 18a, respectivement, et les crêtes des ailettes sont alignées afin de collecter le mélange de liquide et de vapeur à sa sortie de la tôle ondulée à ailettes 24b. Le fluide à deux phases sort ensuite de l'échangeur de chaleur par une seconde tubulure collectrice 26 qui est reliée de manière étanche aux barres 12 de scellement qu'elle entoure, à proximité immédiate de la tôle ondulée à ailettes 18b.
Comme représenté sur les figures 1 et 5, le second passage est défini à travers l'échangeur de chaleur 10 entre les surfaces opposées des tôles métalliques adjacentes 11 et par les barres 12 de scellement. Un troisième fluide, constitué de vapeur, de liquide ou d'un mélange de vapeur et de liquide (généralement une vapeur), entre par un troisième collecteur 15 qui est relié de manière étanche aux barres 12 de scellement, à proximité immédiate d'une tôle ondulée triangulaire à ailettes 27a. Cette tôle 27a et une tôle ondulée adjacente 28a à ailettes, de
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forme trapézoïdale, constituent un dispositif destiné à distribuer le troisième fluide sur la largeur de l'échangeur de chaleur.
Le troisième fluide passe à travers la tôle ondulée à ailettes 28 de l'échangeur de chaleur 10, en s'écoulant à contre-courant par rapport au mélange de liquide et de vapeur et en relation de transmission de chaleur avec le mélange. Ensuite, le troisième fluide est collecté par des tôles ondulées à ailettes 28b et 27b et il sort de l'échangeur de chaleur 10 par un premier collecteur 25 qui est relié de manière étanche aux barres 12 de scellement, à proximité immédiate de la tôle ondulée à ailettes 27b.
Les figures 6 à 9 représentent une seconde forme de réalisation de l'invention, qui est sensiblement identique à la première forme décrite, sauf en ce qui concerne
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la structure de la barre creuse 16. Dans la seconde forme o de réalisation, la barre creuse est désignée par la référence numérique 16'et elle comprend des rainures 20 s'étendant sur la largeur des faces parallèles qui sont appliquées contre les tôles métalliques opposées 11, de la même façon que pour la barre creuse 16. Cependant, la barre 16'ne présente pas de rainures 21, ni de nervures 23 d'entretoisement ni de gorges 22.
Par contre, la barre 16'est configurée de manière que ses faces tournées vers l'amont et l'aval soient concaves, et elles présentent plusieurs orifices 30 espacés sur sa longueur et centrés dans ces surfaces concaves.
Comme décrit précédemment pour la première forme de réalisation des barres 16, la vapeur entre dans le premier passage de l'échangeur de chaleur par l'intermédiaire du premier collecteur 13, est distribuée par les tôles ondulées à ailettes 18a et 17a, passe à travers la tôle à ailettes 24a et pénètre par les rainures 20 dans les barres creuses 16'. Le liquide entre par le deuxième collecteur 14 et s'écoule à travers l'intérieur des barres
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. - creuses 16', sur la largeur de l'échangeur de chaleur 10.
Le liquide sort ensuite par les orifices 30 pour se mélanger à la vapeur dans les tôles ondulées à ailettes 24a et 24b, puis il s'écoule à travers l'échangeur de chaleur 10 en relation de transmission de chaleur avec le troisième fluide.
Le mélange de liquide et de vapeur est collecté par les tôles ondulées à ailettes 17b et 18b et il sort par la seconde tubulure collectrice 26. L'écoulement du troisième fluide à travers l'échangeur 10 de chaleur comportant les barres creuses 16's'effectue comme décrit précédemment et comme montré sur la figure 5.
L'aire relative, en section, des rainures 20 et des orifices 22a, ou bien des rainures 20 et des orifices 30, détermine le rapport des débits d'écoulement de la vapeur et du liquide à travers l'échangeur de chaleur 10.
La chute de pression nominale du liquide et de la vapeur dans le circuit détermine la dimension des rainures 20 et des orifices 22a ou 30 et leur espacement le long des barres creuses 16 ou 16'. Une conception convenable de l'échangeur de chaleur selon l'invention comprend l'équilibrage des divers paramètres pour établir un écoulement approprié de vapeur et de liquide, avec un support structurel convenable afin que la haute pression nominale n'en soit pas affectée. Par exemple, la densité et la largeur des rainures 20 le long des barres creuses 16 et 16'ne doivent pas être assez importantes pour que leur produit dépasse 75 % de la longueur des barres, car il resterait alors moins de 25 % de la surface des barres creuses 16 ou 16'pour supporter les tôles métalliques adjacentes 11.
De même, la profondeur des rainures 20 est limitée par l'aire en section de l'intérieur des barres 16 ou 16'.
Pour améliorer le volume d'écoulement de liquide, les barres 16 ou 16'peuvent être alimentées en liquide à partir de leurs deux extrémités, au moyen d'un collecteur supplémentaire analogue au collecteur 14. Le volume d'écoulement
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de liquide et de vapeur peut être augmenté par la superposition de deux barres creuses 16 ou 16', ou plus, à l'intérieur d'un seul premier passage, les barres étant orientées de façon que les rainures 20 soient parallèles aux crêtes des ailettes des tôles ondulées 24b.
On peut prévoir que l'échangeur de chaleur 10 soit réalisé en tôles et profilés d'aluminium ou en toute autre matière présentant de bonnes caractéristiques de transmission de la chaleur. Les techniques de construction d'un échangeur de chaleur de ce type, utilisant de l'aluminium brasé, sont bien connues dans la technique et elles comprennent l'assemblage des tôles 11 et les autres éléments décrits ci-dessus dans un montage, et leur brasage dans un four à vide ou à bain de sel.
Les barres creuses 16 ou 16'peuvent comprendre deux profilés en"U"brasés l'un à l'autre pendant la construction de l'échangeur de chaleur 10 afin d'avoir la forme montrée sur les figures 3,4, 8 et 9. Les deux profilés constituant les barres creuses 16 ou 16'peuvent être soudées par points l'un à l'autre avant l'opération de brasage afin d'assurer leur alignement approprié. Un procédé plus coûteux peut consister à utiliser un profilé creux unique pour chacune des barres 16 ou 16'.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'échangeur de chaleur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, les barres creuses 16'peuvent présenter des orifices 30 uniquement sur leur surface concave tournée vers le bas, plutôt que sur les deux surfaces concaves, afin de minimiser le risque de retour de liquide pendant l'arrêt de l'alimentation en vapeur. Les secondes rainures 21 peuvent être réalisées sous toute la largeur de la barre creuse 16, de la même façon que les rainures 20, afin que la vapeur provenant de la section à ailettes 24a et le liquide provenant des orifices 22a s'écoulent par les
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rainures 21.
Il peut également être souhaitable de faire travailler l'échangeur de chaleur 10 de manière que le troisième fluide s'écoule parallèlement ou transversalement à l'écoulement du mélange de liquide et de vapeur. Si des collecteurs et des tubulures supplémentaires sont prévus des fluides multiples s'écoulant par des passages séparés à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 10 peuvent remplacer le troisième fluide unique, en relation d'échange de chaleur avec le mélange de liquide et de vapeur.