EP0099835A2 - Echangeur de chaleur à structure modulaire - Google Patents

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EP0099835A2
EP0099835A2 EP83401490A EP83401490A EP0099835A2 EP 0099835 A2 EP0099835 A2 EP 0099835A2 EP 83401490 A EP83401490 A EP 83401490A EP 83401490 A EP83401490 A EP 83401490A EP 0099835 A2 EP0099835 A2 EP 0099835A2
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EP
European Patent Office
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lamellae
series
fluid
strips
perforated
Prior art date
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EP83401490A
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German (de)
English (en)
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EP0099835A3 (en
EP0099835B1 (fr
Inventor
Alain Grehier
Alexandre Rojey
Francois Benoist
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Publication of EP0099835A3 publication Critical patent/EP0099835A3/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • 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
    • F28F3/086—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning having one or more openings therein forming tubular heat-exchange passages

Definitions

  • the invention relates to a heat exchange device of modular structure, intended more particularly for carrying out a heat exchange between several fluids, in particular between two gases.
  • Plate heat exchangers make it possible to obtain larger specific exchange surfaces.
  • the fluids participating in the exchange circulate on either side of the different plates but the specific surface is also limited by the need not to reduce the spacing between plates too much.
  • heat exchangers consisting of stacks of perforated sheets, juxtaposed so as to obtain, by superposition of the perforations, channels some of which can be traversed by a relatively hot fluid, others by a relatively cold fluid, the transfer thermal between the channels being provided by conduction through the material forming at least part of said sheets.
  • Heat exchangers are most often made of metallic materials. In cases where condensation occurs during heat exchange, such as in the case of heat recovery from fumes from a heating boiler, these materials have the disadvantage of being easily corroded.
  • the invention proposes a new heat exchange device, the modular structure of which (produced by a simple assembly of elements J allows easy adaptation to the geometric requirements encountered by the user, in particular facilitating its insertion into existing systems.
  • the possibility to make this device using a wide variety of materials, also makes it easy to adapt it to the nature of the fluids involved in heat exchange, in particular in cases where corrosion is to be feared, for example in heat exchange with condensation.
  • the device of the invention also has a high specific heat exchange surface.
  • the heat exchange structures according to the invention can be used to produce both exchanger bodies with two fluids circulating in parallel currents (co-current or counter-current) or in crossed currents, as well as the heads for supplying and the departure of fluids.
  • the invention proposes a heat exchange device comprising at least one zone of modular structure essentially consisting of a stack of trellises which can be built one above the other in a contiguous manner and each formed by an intersection of two series of assembled lamellae contiguously by mutual engagement of the lamellae, parallel to each other, of the first series and of the lamellae, parallel to each other, of the second series, at the level notches formed on one of the edges (for example upper) of the lamellae of the first series and on the opposite edge (for example lower) of the lamellae of the second series, said stack creating spaces for the circulation of at least two fluids in heat exchange relationship.
  • the invention also provides a heat exchange device comprising at least one zone of modular structure essentially consisting of a stack of interlocking series of lamellae, joined together by mutual engagement of the lamellae, parallel to each other, of a series with the lamellae, parallel to each other, of the consecutive series, at the level of notches formed on the two edges of each lamella, facing each other; said stacking of series of strips creating spaces for the circulation of at least two fluids in heat exchange relation.
  • a first heat exchange structure essentially consists of a stack of trellises (or grids) which can be built one above the other, and each formed by an interlacing of two series of lamellae, assembled by mutual engagement of each lamellae of a series by the lamellae of the other.
  • the lamellae of the first series, parallel to each other, consist of so-called “full” lamellae, that is to say comprising only, on one of their edges, the notches necessary for straddling with the lamellae of the second series ; said lamellae of the second series are parallel to each other and preferably arranged perpendicular to the lamellae of the first series; as the case may be, they may consist of "solid” strips like those of the first series, or of so-called “perforated” strips, that is to say comprising in addition to the notches necessary for straddling with the strips of the first series, on one of their edges, formed recesses in some of the solid parts of the strips delimited by two consecutive notches, said recesses being formed for example in one in two of these solid parts.
  • the stacking of the trellis creates circulation spaces for at least two fluids in heat exchange relationship.
  • the term "lattice” therefore designates a grid, formed by an interlacing of solid strips of a first series, parallel to one another, with strips of a second series full or perforated, parallel to one another. If we consider the trellis (or grid) in a horizontal position, the two series of slats are placed in two series of vertical planes parallel to each other, each plane of one of the two series intersecting the planes of the other series according to dihedral angles of vertical edge, equal to each other. These dihedral angles are preferably 90 °.
  • This first embodiment of a structure according to the invention can correspond to an exchange zone in which two fluids can circulate in crossed currents.
  • the first type lattice 1 is formed by an intertwining of two series of lamellae, a series of solid lamellae 3 and a series of perforated lamellae 4, which are also shown in FIGS. 2A and 28.
  • the notches 7 of the strips of the first series 3 are for example formed along the upper edge of said strips. They all preferably have the same depth and their width is equal or substantially equal to the thickness of the lamellae of the second series.
  • the notches 8 of the lamellae of the second series 4 are, for example, formed along the lower edge of said lamellae. They all preferably have the same depth and their width is equal to or substantially equal to the thickness of the strips of the first series 3.
  • the recesses in the perforated strips 4 can have any shape: they can be circular, square, rectangular, etc ... they can open, or not, on one of the edges of the strip. They can also consist of several disjointed recesses on each strip, one or more of which may or may not open on one edge or on both edges of the strip. FIGS. 4A to 40 show different forms and particular arrangements of these recesses.
  • the assembly of the two series of lamellae 3 and 4 is carried out when each notch of the lower edge of the lamellae of the second series 4 comes to fit on a notch of the upper edge of the lamellae of the first series 3.
  • a rigid lattice is thus produced or substantially rigid. (type 1 trellis).
  • a trellis of a second type 2 is shown, also formed by an intertwining of two series of lamellae: a series of solid lamellae 5 and a series of perforated lamellae 6, which are also shown in the figures. 3A and 3B.
  • the notches 9 of the lamellae of the first series 5 are for example formed along the lower edge of said strips. They all preferably have the same depth and their width is equal or substantially equal to the thickness of the lamellae of the second series.
  • the notches 10 of the lamellae of the second series 6 are formed for example along the upper edge of said lamellae. They all preferably have the same depth and their width is equal to or substantially equal to the thickness of the strips of the first series 5.
  • the recesses of the perforated lamellas 6 of the trellis 2 can have various shapes and arrangements.
  • the heat exchange structure according to the invention is formed by an alternating stack of type 1 and type 2 trellises, the underside of each type 1 trellis fitting in (as it appears in FIG. 1) on the upper face of a type 2 trellis. Likewise, the lower face of each type 2 trellis must be able to be embedded on the upper face of a type 1 trellis, not shown in FIG. 1.
  • FIG. 1 only shows two lattices each formed by a small number of strips, but it is understood that a stack of lattices constituting a heat exchange zone according to the invention may consist of a large number of superimposed trellises from ten to several hundred and that each trellis may include a large number of interlaced lamellae (from ten to several hundred).
  • the depression of the hollow (lower) edges of the series of strips 6 of the trellis 2 is made to correspond to the emergence of the (upper) protruding edges of the series of strips 4 of a type 1 trellis located below the type 2 trellis.
  • the respective heights of the lamellae 3 and 4 and the respective depths of the notches 7 made on the lamellas 3 and of the notches 8 made on the lamellas 4 are chosen so that the bottoms of said notches 7 and 8 come into contact during the straddling of the two series of strips 3 and 4 limit the mutual overlapping of said strips so that, for example, the edges of the perforated strips 4 opposite the edges where the notches 8 are formed are located in the outermost plane (emerging) of the upper face of a type 1 trellis; while the edges of solid slats 3 are opposed to edges where q prac- UEES the notches 7 are located in the outermost plane (in emergence) of the underside of the same mesh 1.
  • the respective heights of the lamellae 5 and 6 and the respective depths of the notches 9 made in the lamellae 5 and the notches 10 practiced in the lamellae 6 are chosen so that the bottoms of said notches 9 and 10, coming into contact when the two series of lamellae 5 and 6 are mounted, limit the mutual overlap of said lamellae so that, for example, the edges of the perforated lamellas 6 opposite the edges where the notches are made 10 lie in the innermost plane (set back) of the lower face of the trellis 2; while the edges of the solid strips 5 opposite the edges where the notches 9 are formed are located in the innermost plane (set back) of the upper face of the same trellis 2.
  • the height of the slats 3,4,5 and 6 and the depth of the notches 7,8,9 and 10 are chosen such that the emergence for the trellis 1, of the plane of the edges of the slats 3 opposite to the edges where are notches 7, relative to the plane of the edges of the lamellae 4 where the notches 8 are practiced, is equal to the depression for the trellis 2, from the plane of the edges of the lamellae 5 opposite the edges where the notches9 are practiced, relative in the plane of the edges of the slats 6 where the notches 10 are made; likewise, taking into account the alternation of type 1 and type 2 trellis in the stack, the height of the slats 3,4,5 and 6 and the depth of the notches 7, 8, 9 and 10 are chosen such that the depression for the trellis 2, of the plane of the edges of the lamellae 6 opposite the edges where the notches 10 are made relative to the plane of the edge of the lamellae 5 where are notches 9 is equal to the
  • the characteristics defined above reflect the fact that the different stacked trellises fit into each other and that, in this embedding, the projecting (or recessed) parts of one of the faces of a trellis of the first type come into contact with the counterpart hollow (or projecting) parts of the opposite face of the second type lattice.
  • the heights of the various strips are chosen so that the sum of the heights of the solid strips 3 and 5 has the same value that the sum of the heights of the perforated lamellas 4 and 6.
  • the respective depths of the notches 7, 8, 9 and 10 are chosen so that their sum also has the same value.
  • the stack of perforated strips creates on the one hand, continuous partitions, when we consider the superimposition of the solid parts of said perforated lamellae, and on the other hand, perforated partition flaps, when one considers the superposition of the openwork portions of said openwork slats, the continuous partition panels alternating with the openwork partition panels, each partition panel of one of the two types being separated from the neighboring partition panel, of the other type, by a partition adjacent continuous corresponding to the superposition of solid strips.
  • the partitions described above therefore determine two kinds of spaces for the circulation of fluids which it is desired to put in heat exchange relation. Indeed, all the solid partitions, formed by the superposition of the solid strips, and parallel to each other, separate spaces which, with respect to the whole of the exchange structure (the stack of lattices), appear as slices. Due to the alternation of solid sections and perforated sections on the partitions formed by superposition of the perforated strips, the sections defined above are, alternately, of two different types. Some are subdivided into canals, of rectangular or square section, separated by solid sections; the other sections are not subdivided into separate channels, owing to the fact that the openings in the openwork sections constitute as many passages from one channel to the neighboring channel.
  • the separate channels delimited in the various spaces (or sections) are generally traversed by a first fluid participating in the heat exchange.
  • the fluid then circulates in a direction parallel to the planes of the lamellae (that is to say to the planes of the partitions) constituting the exchange zone.
  • a second fluid is circulated in the spaces (or sections) not subdivided into separate channels.
  • the fluid can pass through each of these slices right through by passing through the communication passages formed by the recesses which it encounters, the remains of the solid parts surrounding the recesses constituting fins or baffles.
  • the fluid circulates in an overall direction substantially perpendicular to the openwork partitions and parallel to the solid partitions. Under these conditions, the two fluids circulate in crossed currents.
  • the ends of the spaces (or sections) traversed by the second fluid located on the faces of the stack intended for the inlet and the outlet of the first fluid are closed for example by plates (such as 11 and 12, FIG. 1) coming to fit on the first (and the last) lattice of the stack, these plates covering one space out of two, the spaces remaining open corresponding to the inlet (or to the outlet) of said first fluid.
  • the openings of the sections traversed by the second fluid on the faces of the stack intended for the entry and exit of said second fluid are made de facto by the recesses in the perforated lamellae constituting said faces.
  • the heat exchanger structure as described above can constitute the exchanger body of an exchanger intended for the circulation of two fluids in cross currents, one of the fluids, for example fumes , traversing the separate channels from top to bottom or from bottom to top and the other fluid, for example air to be heated, then circulating from the lateral ureface towards the opposite face.
  • the means for supplying and leaving the fluids may consist of conventional means, in particular cylindrical conduits which are suitably connected to the faces of the exchange body through which must enter (or exit) each of the fluids concerned. These means have not been illustrated in FIG. 1.
  • a second embodiment of the first heat exchange structure according to the invention described above may consist of: tielle, as the first mode described, in a stack of trellis (or grids) built one above the other, and each formed by an intersection of two series of strips, assembled by mutual engagement of each strip of one series by the slats of the other.
  • the two series of strips, the interlacing of which forms each of the lattices are both made up of solid strips.
  • the description of this second embodiment will therefore be similar to that of the first, provided that the "perforated" strips are replaced by "full” strips.
  • the structure considered is constituted by alternating stacking of any number of trellises such as 13 and 14.
  • the embedding of these trellises is carried out in the same manner as for the first embodiment described: the projecting parts are made to correspond (or recessed) of a trellis, for example of the first type (such as 13) with the recessed (or projecting) parts of a trellis of the second type (such as 14) further below or above said trellis of the first type.
  • the spaces will no longer be distinguished ( or sections) divided into separate channels and the spaces (or sections) not subdivided into separate channels but comprising passageways which are the openings of the perforated lamellas.
  • the stack of lattices consisting solely of lamel solid will only include channels, all separated from each other by the solid partitions resulting from the superposition of the solid parts of the homologous lamellae.
  • This structure can constitute the body of a heat exchanger in which for example two fluids circulate in parallel currents (in co-currents or against the current).
  • the distribution of the channels intended for the circulation of the first fluid and those intended for the circulation of the second fluid can be chosen in such a way that, with the exception of the channels adjoining the external walls of the exchange zone, each channel traversed by one of the two fluids is contiguous with at least two channels traversed by the other fluid. Examples of such distributions are given in Figures 6A and 6B.
  • a particularly advantageous aspect of the invention consists in having the exchange zone open up at each of its ends on heads for supplying and leaving fluids each designed analogously to the first embodiment described above (cross-flow circulation).
  • the heat exchange device 15 comprises a central body 16 and two collectors 17 and 18.
  • the central body 16 is in the form of a parallelepiped with a rectangular or square base formed, by the stacking of the trellis which constitute it, of a determined number of rows of channels of rectangular or square section, each row comprising a number determined of channels.
  • the collectors 17 and 18 each consist of a stack of several lattices similar to those of FIG. 1, which consist of intertwining of solid strips and of perforated strips assembled by mutual insertion of said strips at the level of notches formed on the edge. of these.
  • the perforated lamellae have recesses made alternately every second time. in the parts of said strips comprised between two consecutive notches.
  • a second fluid can, for example, be brought in the direction of the arrows 19, through the recesses of the perforated lamellae flush with the face considered, in spaces (or sections) passing through the manifold 17. These spaces are closed on the upper face 23 of the manifold 17 by plates such as 11 (in FIG.
  • the spaces traversed by said second fluid are also closed off on the face of the manifold 17 opposite to the inlet face, by substitution of a solid strip for the extreme perforated strip of each of the lattices whose stack constitutes said manifold 17, the superposition of these solid strips constituting a continuous wall 25 (not seen in Figure 7).
  • the spaces traversed by said second fluid are, at the junction of the manifold 17 with the central body 16, in communication with the corresponding rows of channels, the plates such as 12 (shown in FIG. 1) being in this case, of course omitted.
  • the rows of channels of the manifold 17, through which the second fluid exits are in communication with the rows of homologous channels of the central body 16.
  • the collector 18 located for example at the bottom of the central body 16 can be described analogously.
  • the second fluid exits for example in the direction of the arrows 20, through the openings in the perforated lamellae flush with the face considered, outside the spaces (or slices) passing through the manifold 18 and separated from each other by rows of channels through which between the first fluid in the direction of the arrows 21.
  • Said spaces (or sections) are closed on the lower face 24 of the manifold 18 by plates similar to the plates 12 (in FIG. 1), which fit onto the lower lattice of the manifold 18, the spaces remaining open on this face corresponding to the rows of channels through which between said first fluid.
  • the spaces traversed by said second fluid are also closed off on the face of the manifold 18 opposite the outlet face, by substitution of a solid strip for the extreme perforated strip of each of the trellises whose stack constitutes the manifold 18, the superposition of these solid strips constituting a continuous wall 26.
  • the spaces traversed by said second fluid are, at the junction of the manifold 18 with the central body 16, in communication with the corresponding rows of channels, the plates such as 11 (shown in FIG. 1) being, in the present case, of course omitted.
  • the rows of channels of the manifold 18 through which the first fluid enters are in communication with the rows of homologous channels of the central body 16.
  • the exchangers can be combined in series so as to lengthen
  • FIGS. 9, 10A and 10B A second heat exchange structure according to the invention is described below in conjunction with FIGS. 9, 10A and 10B.
  • Said second heat exchange structure consists of a stack of series of intersecting lamellae, assembled one above the other by mutual straddling of each lamella (such as 27, FIG. 01 of a series by lamellae (such as 28, another series, placed for example above the lamellae of the previous series, the lamellae of each series, parallel to each other, have notches on their two edges notches (respectively 29, 30, 31 and 32) facing each other, intended, one (the lower notches), to ensure the assembly by mutual engagement with the notches of the upper edge of the lamellae, parallel to each other, of the series located below, the others (the upper notches) intended to ensure the assembly by mutual straddling with the notches of the lower edge of the lamellae, parallel to each other, of the series situated above.
  • the planes of the lamellae of the even series intersect the planes s lamellae of the odd series, at their respective notches, forming dihedral angles of vertical edge (if we consider a stack in which lamellae are in vertical planes), these dihedral angles equal to each other are preferably 90 ° (the intersection of the series of slats is done at right angles).
  • the indentations of the same edge of the lamellae of a series have the same depth and the width of all the indentations of the lamellae of the series of the same order (even or odd) have the same width, equal or substantially equal to the thickness of the lamellae of series of the other order (odd or even).
  • the lamellae of the imoary series (such as 271 and the lamellae of the even series (such as 28) all have the same height h.
  • the lamellae of the series for example, odd (such as 27) are so-called “full” lamellae, that is to say comprising only the notches necessary for their assembly with the lamellae of the even series located immediately above or below.
  • the strips of the series for example pairs (such as 28) can be "full; like the strips 27 above, or” perforated ", that is to say comprising recesses formed alternately in one out of two of the solid parts delimited by two consecutive notches.
  • the heat exchange structure produced by assembling the different series of lamel the consists only of vertical tubular channels, of rectangular or square section, as already described above in relation to FIG. 5. These channels can be supplied by the fluids participating in the exchange according to the distribution represented in FIG. 6A or 6B , the circulation of the two fluids can be done in co-current or against the current.
  • the structure produced comprises rows of separate channels, alternating with spaces (or slices) in which the different channels of the same row communicating with each other by the recesses made in the so-called “perforated slats ".
  • Such a structure equivalent to that shown in Figure 1, allows for heat exchanges between fluids flowing at cross currents.
  • the lamellae constituting the different heat exchange structures according to the invention can be made of various good or medium heat conducting materials, depending on the temperatures of the fluids involved in the heat exchange.
  • the material may consist of a thermoplastic material such as polypropylene, optionally charged, for temperatures below 100 ° C, polyvinylidene fluoride, for temperatures ranging for example from 100 to 140 ° C, or an ethylene-tetra copolymer - charged fluoroethylene, for temperatures ranging, for example, from 140 to 190 ° C.
  • a thermoplastic material such as polypropylene, optionally charged, for temperatures below 100 ° C, polyvinylidene fluoride, for temperatures ranging for example from 100 to 140 ° C, or an ethylene-tetra copolymer - charged fluoroethylene, for temperatures ranging, for example, from 140 to 190 ° C.
  • the lamellae can also be made of thermosetting plastics;, such as, for example polyesters or epoxy resins.
  • the material may also consist of a metal, a metal alloy of glass, cement or ceramic. It can also consist of a composite material such as, for example, a plastic material loaded with pulverulent, granular, filamentary, woven products. or non-woven, said products or fillers which may themselves consist of metals, alloys, amorphous carbon, graphite, glass, ceramic or even mineral salts.
  • lamellae Several embodiments of the lamellae can be envisaged.
  • the strips can first of all be cut from sheets of the chosen material, the recesses and notches being produced by machining (for example, drilling, milling, sawing or grinding).
  • a second embodiment can consist of a molding or injection operation of the chosen material, in particular when said material is a light alloy or a thermoplastic or thermosetting material.
  • the mutual insertion of the series of lamellae can be carried out by simple mechanical embedding; it can also be consolidated or made more waterproof by soldering, tinning, welding or gluing.
  • the trusses thus formed can be assembled by simple mechanical embedding, which can also be consolidated or made more waterproof by the techniques mentioned above.
  • Another embodiment may also consist in cutting the lamellae from a metallic material (for example in light alloy) and in coating them with a thermoplastic or thermosetting material before their assembly.
  • such a coating could be carried out on each of the lattices already assembled, before stacking them or else on the exchange device of the invention already constituted.
  • the dimensions of the devices of the invention can be very varied: the strips can have a length of a few centimeters to more several meters and a height of a few millimeters to several decimeters.
  • the exchange surface per unit volume of the devices according to the invention can be high. Average values of this surface are in the neighborhood of 150 to 200 m z per m 3 .
  • its mass surface can be around 6 to 7 dm 2 / kg for steel and around 40 to 50 dm 2 / kg for a plastic material.

Landscapes

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Abstract

On décrit de nouveaux dispositifs d'échange de chaleur à structure modulaire. Une structure de base selon l'invention consiste essentiellement en un empilement de treillis (de types (1) et (2) encastrables les uns sur les autres de façon jointive et formés chacun d'un entrecroisement de deux séries de lamelles (3) et (4), (5) et (6), assemblées par enfourchement mutuel de chaque lamelle (3) ou (5) de la première série par les lamelles (4) ou (6) de la seconde série au niveau d'échancrures ménagées sur les bords des lamelles des deux séries. Une telle structure peut servir de zone d'échange entre deux fluides circulant à courants croisés lorsque les lamelles d'une des deux séries (4) et (6) de chaque trillis comporte des évidements ménagés dans une sur deux des parties pleines desdites lamelles comprises entre deux échancrures consécutives. D'autres configurations permettent, à partir de structures voisines de réaliser des zones d'échange à courants parallèles (co-courants ou contre-courants).

Description

  • L'invention concerne un dispositif d'échange de chaleur de structure modulaire, destiné plus particulièrement à réaliser un échange thermique entre plusieurs fluides, notamment entre deux gaz.
  • On connait les échangeurs de chaleur à tubes et à calandre. Dans ceux- ci, l'un des fluides participant à l'échange passe dans les tubes, l'autre fluide passe autour des tubes dans la calandre. La surface d'échange par unité de volume, dite surface spécifique, qu'il est possible d'obtenir au moyen de tels échangeurs est généralement limitée du fait que,pour des raisons de réalisation, il est difficile de réduire le diamètre des tubes et l'écartement entre tubes au-dessous d'une valeur de l'ordre de 1 cm.
  • Les échangeurs à plaques permettent d'obtenir des surfaces spécifiques d'échange plus importantes. Dans ces échangeurs, les fluides participant à l'échange circulent de part et d'autre des différentes plaques mais la surface spécifique est également limitée par la nécessité de ne pas trop réduire l'écartement entre plaques.
  • On connait encore des échangeurs de chaleur constitués d'empilements de feuilles perforées, juxtaposées de manière à obtenir, par superposition des perforations, des canaux dont certains peuvent être parcourus par un fluide relativement chaud, d'autres par un fluide relativement froid, le transfert thermique entre les canaux étant assuré par conduction à travers le matériau formant au moins une partie desdites feuilles.
  • Les échangeurs de chaleur sont le plus souvent constitués de matériaux métalliques. Dans les cas où une condensation intervient lors de l'échange thermique, comme par exemple dans le cas de la récupération de chaleur sur fumées de chaudière de chauffage, ces matériaux présentent l'inconvénient d'être facilement corrodés.
  • L'invention propose un nouveau dispositif d'échange thermique,dont la structure modulaire (réalisée par un assemblage simple d'élementsJ permet une adaptation aisée aux impératifs géométriques rencontrés par l'utilisateur, en facilitant notamment son insertion dans des systèmes existants. La possibilité de réaliser ce dispositif à l'aide de matériaux très variés, permet aussi de l'adapter facilement à la nature des fluides impliqués dans l'échange thermique, en particulier dans les cas où une corrosion est à craindre, par exemple dans les échanges thermiques avec condensation.
  • Le dispositif de l'invention présente en outre une surface spécifique d'échange thermique élevée.
  • Les structures d'échange thermique selon l'invention peuvent servir à réaliser aussi bien des corps d'échangeur à deux fluides circulant en courants parallèles (co-courant ou contre-courant) ou en courants croisés, que les têtes pour l'amenée et le départ des fluides.
  • On peut également associer plusieurs corps d'échange, de diverses façons pour augmenter, sous un encombrement réduit, le parcours d'au moins l'un des deux fluides.
  • L'invention propose un dispositif d'échange thermique comportant au moins une zone de structure modulaire essentiellement constituée d'un empilement de treillis encastrables les uns au-dessus des autres de façon jointive et formés chacun d'un entrecroisement de deux séries de lamelles assemblées de façon jointive par enfourchement mutuel des lamelles,parallèles entre elles, de la première série et des lamelles, parallèles entre elles, de la seconde série, au niveau d'échancrures ménagées sur un des bords (par exemple supérieur) des lamelles de la première série et sur le bord opposé (par exemple inférieur) des lamelles de la seconde série, ledit empilement créant des espaces pour la circulation d'au moins deux fluides en relation d'échange thermique.
  • L'invention propose également un dispositif d'échange thermique comportant au moins une zone de structure modulaire essentiellement constituée d'un empilement de séries entrecroisées de lamelles, assemblées de façon jointive par enfourchement mutuel des lamelles, parallèles entre elles, d'une série avec les lamelles, parallèles entre elles, de la série consécutive, au niveau d'échancrures ménagées sur les deux bords de chaque lamelle, en regard les unes des autres ; ledit empilement de séries de lamelles créant des espaces pour la circulation d'au moins deux fluides en relation d'échange thermique.
  • L'invention sera décrite ci-après en relation avec les figures annexées, dans lesquelles
    • - la figure 1 montre en perspective deux treillis de types différents constituant un premier mode de réalisation d'une structure d'échange thermique selon l'invention ;
    • - les figures 2A et 2B montrent, en vue de face, deux lamelles constitutives d'un premier type de treillis ;
    • - les figures 3A et 3B montrent, en vue de face, deux lamelles constitutives d'un second type de treillis ;
    • - les figures 4A et 4D montrent, en vue de face, des lamelles ajourées par des évidements de différentes formes, à titre d'exemples ;
    • - la figure 5 montre en perspective deux treillis de types différents constituant un second mode de réalisation d'une structure analogue ;
    • - les figures 6A et 6B montrent des dispositions possibles pour les canaux parcourus par deux fluides en relation d'échange thermique.
    • - la figure 7 représente en perspective un échangeur de chaleur selon l'invention formé d'un corps central et de deux collecteurs à ses extrémités ;
    • - les figures 8A, 8B et 8C montrent schématiquement diverses dispositions relatives possibles pour le corps central et les deux collecteurs ;
    • - la figure 9 montre en perspective un assemblage de lamelles selon une autre structure de l'invention ; et
    • - les figures 10A et 10B représentent, en vue de face, deux types de lamelles constitutives de cette structure.
  • Une première structure d'échange thermique selon l'invention consiste essentiellement en un empilement de treillis (ou grilles) encastrables les uns au-dessus des autres, et formés chacun d'un entrecroisement de deux séries de lamelles, assemblées par enfourchement mutuel de chaque lamelle d'une série par les lamelles de l'autre. Les lamelles de la première série, parallèles entre elles, consistent en des lamelles dites "pleines", c'est-à-dire comportant seulement, sur un de leurs bords, les échancrures nécessaires à l'enfourchement avec les lamelles de la seconde série ; lesdites lamelles de la seconde série sont parallèles entre elles et disposées de préférence perpendiculairement aux lamelles de la premières série ; elles peuvent consister, suivant le cas, en des lamelles "pleines" comme celles de la première série, ou en des lamelles dites "ajourées", c'est-à-dire comportant outre les échancrures nécessaires à l'enfourchement avec les lamelles de la première série, sur un de leurs bords, des évidements ménagés dans certaines des parties pleines des lamelles délimitées par deux échancrures consécutives, lesdits évidements étant ménagés par exemple dans une sur deux de ces parties pleines.L'empilement des treillis crée des espaces de circulation pour au moins deux fluides en relation d'échange thermique.
  • Dans la présente description, le terme de "treillis" désigne donc une grille, formée d'un entrecroisement de lamelles pleines d'une première série, parallèles entre elles, avec des lamelles d'une seconde série pleines ou ajourées, parallèles entre elles. Si l'on considère le treillis (ou grille) en position horizontale, les deux séries de lamelles se placent dans deux séries de plans verticaux parallèles entre eux, chaque plan de l'une des deux séries coupant les plans de l'autre série selon des angles dièdres d'arête verticale, égaux entre eux. Ces angles dièdres sont de préférence de 90°.
  • Pour réaliser l'encastrement des divers treillis les uns sur les autres, on met en jeu selon l'invention, l'empilage alterné de treillis de deux types différents qui seront décrits dans la suite.
  • Un mode de réalisation de cette première structure d'échange thermique de l'invention est décrit, ci-après, en relation avec les figures 1 à 4.
  • Ce premier mode de réalisation d'une structure selon l'invention peut correspondre à une zone d'échange dans laquelle deux fluides peuvent circuler en courants croisés.
  • Comme illustré, par exemple sur la figure 1, le treillis de premier type 1 est formé d'un entrecroisement de deux séries de lamelles, une série de lamelles pleines 3 et une série de lamelles ajourées 4, qui sont également représentées sur les figures 2A et 28. Les échancrures 7 des lamelles de la première série 3 sont par exemple ménagées le long du bord supérieur desdites lamelles. Elles présentent toutes de préférence la même profondeur et leur largeur est égale ou substantiellement égale à l'épaisseur des lamelles de la seconde série. Symétriquement, les échancrures 8 des lamelles de la seconde série 4 sont, par exemple,ménagées le long du bord inférieur desdites lamelles. Elles présentent toutes de préférence la même profondeur et leur largeur est égale ou substantiellement égale à l'épaisseur des lamelles de la première série 3.
  • Les évidements pratiqués dans les lamelles ajourées 4 peuvent avoir une forme quelconque : ils peuvent être circulaires, carrés, rectangulaires, etc... ils peuvent déboucher, ou non, sur un des bords de la lamelle. Ils peuvent aussi consister en plusieurs évidements disjoints sur chaque lamelle, dont un ou plusieurs peut déboucher, ou non, sur un bord ou sur les deux bords de la lamelle. Les figures 4A à 40 montrent différentes formes et dispositions particulières de ces évidements.
  • L'assemblage des deux séries de lamelles 3 et 4 est réalisé lorsque chaque échancrure du bord inférieur des lamelles de la seconde série 4 vient s'emboiter sur une échancrure du bord supérieur des lamelles de la première série 3. On réalise ainsi un treillis rigide ou substantiellement rigide. (treillis de type 1).
  • Sur la figure 1, est représenté un treillis d'un second type 2, lui aussi formé d'un entrecroisement de deux séries de lamelles : une série de lamelles pleines 5 et une série de lamelles ajourées 6, qui sont également représentées sur les figures 3A et 3B.
  • Les échancrures 9 des lamelles de la première série 5 sont par exemple ménagées le long du bord inférieur desdites lamelles. Elles présentent toutes de préférence la même profondeur et leur largeur est égale ou substantiellement égale à l'épaisseur des lamelles de la seconde série. Symétriquement, les échancrures 10 des lamelles de la seconde série 6 sont ménagées par exemple le long du bord supérieur desdites lamelles. Elles présentent toutes de préférence la même profondeur et leur largeur est égale ou substantiellement égale à l'épaisseur des lamelles de la première série 5.
  • De la même manière que pour le treillis du premier type 1, les évidements des lamelles ajourées 6 du treillis 2 peuvent avoir des formes et des dispositions variées.
  • L'assemblage des deux séries de lamelles 5 et 6 est réalisé lorsque chaque échancrure du bord inférieur des lamelles de la première série 5 vient s'emboiter sur une échancrure du bord supérieur de la seconde série 6. On réalise ainsi un treillis rigide ou substantiellement rigide (treillis du type 2).
  • La structure d'échange thermique selon l'invention est formée d'un empilement alterné de treillis de type 1 et du type 2, la face inférieure de chaque treillis de type 1 venant s'encastrer (comme il apparait sur la figure 1) sur la face supérieure d'un treillis de type 2. De même, la face inférieure de chaque treillis de type 2 doit pouvoir venir s'encastrer sur la face supérieure d'un treillis de type 1, non représenté sur la figure 1.
  • Pour simplifier le dessin, on n'a en effet représenté à la figure 1 que deux treillis formés chacun c'un petit nombre de lamelles, mais il est bien entendu qu'un empilement de treillis constituant une zone d'échange thermique selon l'invention peut-être constitué d'un grand nombre de treillis superposés d'une dizaine à plusieurs centaines et que chaque treillis peut comporter un grand nombre de lamelles entrecroisées (d'une dizaine à plusieurs centaines).
  • Sur. la figure 1, on a également montré des plaques d'obturation 11 et 12 dont le rôle sera explicité plus loin.
  • Pour réaliser l'encastrement d'un treillis de type 1 sur un treillis de type 2,on fait correspondre l'émergence des bords (inférieurs) en saillie de la série de lamelles 3 du treillis 1 à l'enfoncement des bords (supérieurs) en creux de la série de lamelles homologues 5 du treillis 2.
  • De même, on fait correspondre l'enfoncement des bords (inférieurs) en creux de la série de lamelles 6 du treillis 2 à l'émergence des bords (supérieurs) en saillie de la série de lamelles 4 d'un treillis de type 1 situé au dessous du treillis de type 2.
  • Autrement dit, les hauteurs respectives des lamelles 3 et 4 et les profondeurs respectives des échancrures 7 pratiquées sur les lamelles 3 et des échancrures 8 pratiquées sur les lamelles 4 sont choisies de telle sorte que les fonds desdites échancrures 7 et 8 entrant en contact lors de l'enfourchement des deux séries de lamelles 3 et 4 limitent le chevauchement mutuel desdites lamelles de telle sorte que par exemple les bordsdes lamelles ajourées 4 opposés aux bords où sont pratiquées les échancrures 8 se situent dans le plan le plus extérieur (en émergence)de la face supérieure d'un treillis de type 1 ; tandis que les bords des lamelles pleines 3 opposés aux bords où sont prati- quées les échancrures 7 se situent dans le plan le plus extérieur (en émergence) de la face inférieure du même treillis 1 .
  • D'autre part, pour les treillis de type 2, les hauteurs respectives deslamelles 5 et 6 et les profondeurs respectives des échancrurcs 9 pratiquées dans les lamelles 5 et des échancrures 10 pratiquées dans les lamelles 6 sont choisies de telle sorte que les fonds desdites échancrures 9 et 10, entrant en contact lors de l'enfourchement des deux séries de lamelles 5 et 6,limitent le chevauchement mutuel desdites lamelles de telle sorte que par exemple les bords des lamelles ajourées 6 opposés aux bords où sont pratiquées les échancrures 10 se situent dans le plan le plus intérieur (en retrait) de la face inférieuredu treillis 2 ; tandis que les bords des lamelles pleines 5 opposés aux bords où sont pratiquées les échancrures 9 se situent dans le plan le plus intérieur (en retrait)de la face supérieure du même treillis 2.
  • En outre, la hauteur des lamelles 3,4,5 et 6 et la profondeur des échancrures 7,8,9 et 10 sont choisies telles que l'émergence pour le treillis 1, du plan des bords des lamelles 3 opposés aux bords où sont pratiquées les échancrues 7, par rapport au plan des bords des lamelles 4 où sont pratiquées les échancrures 8, soit égale à l'enfoncement pour le treillis 2, du plan des bords des lamelles 5 opposés aux bords où sont pratiquées les échancrures9, par rapport au plan des bords des lamelles 6 où sont pratiquées les échancrures 10 ;de même, compte-tenu de l'alternance des treillis de type 1 et de type 2 dans l'empilement, la hauteur des lamelles 3,4,5 et 6 et la profondeur des échancrures 7, 8,9 et 10 sont choisies telles que l'enfoncement pour le treillis 2, du plan des bords des lamelles 6 opposés aux bords où sont pratiquées les échancrures 10 par rapport au plan des bords des lamelles 5 où sont pratiquées les échancrures 9 soit égal à l'émergence pour le treillis de type 1 placé au-dessous du treillis 2, du plan des bords des lamelles 4 opposés aux bords où sont pratiquées les échancrures 8 par rapport au plan des bords des lamelles 3 où sont pratiquées les échancrures 7.
  • Les caractéristiques définies ci-dessus traduisent le fait que les différents treillis empilés s'encastrent les uns dans les autres et que, dans cet encastrement, les parties en saillie (ou en creux) d'une des faces d'un treillis du premier type viennent en contact avec les parties homologues en creux (ou en saillie) de la face opposée du treillis du second type.
  • Si l'on appelle h1,h1',h2 et h21 les hauteurs respectives des lamelles 3,4,5 et 6 et p1,p1',p2 et P2' les profondeurs respectives des échancrures 7,8,9 et 10, les considérations ci-dessus conduisent aux égalités suivantes entre "émergences" d'un treillis de type 1 et "enfoncements" d'un treillis de type 2 :
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    avec
    Figure imgb0003
  • Ces relations peuvent aussi s'écrire :
    Figure imgb0004
    Figure imgb0005
  • Dans l'empilement alterné de treillis de type 1 et de type 2 constituant une structure d'échange thermique selon l'invention, on choisit les hauteurs des diverses lamelles de telle sorteque la somme des hauteurs des lamelles pleines 3 et 5 ait la même valeur que la somme des hauteurs des lamelles ajourées 4 et 6. De plus, les profondeurs respectives des échancrures 7,8,9 et 10 sont choisies de telle façon que leur somme ait elle aussi cette même valeur.
  • Selon un mode particulier d'éxécution de la structure décrite ci-dessus,présentant l'avantage d'une plus grande simplicité de réalisation, on choisit d'utiliser des lamelles ayant toutes la même hauteur H.
  • Les relations (1) et (2) données plus haut entre les"émergences"et les "enfoncements" correspondant aux deux types de treillis deviennent identiques :
  • Figure imgb0006
    De même, les relations (3) et (4) deviennent identiques :
    Figure imgb0007
  • Si l'on considère la relation (5), il apparait donc que, dans le cas d'une hauteurcommune aux différentes lamelles, les émergences des lamelles par exemple pleines 3 sur la face inférieure d'un treillis du premier type (tel que 1), égales aux enfoncements des lamelles pleines 5 sur la face supérieure d'un treillis du second type (tel que 2) sont aussi égales aux émergences des lamelles ajourées 4 sur la face supérieure d'un treillis du premier type placé, en vue d'encastrement, au-dessous du treillis 2,elles-mêmes égales aux enfoncements des lamelles ajourées 6 sur la face inférieure d'un treillis tel que 2. Si l'on désigne par E la valeur commune des émergences et des enfoncements des deux types de treillis, la relation (5) conduit aux relations :
    Figure imgb0008
    Figure imgb0009
  • Dans ce cas, si l'on se fixe une valeur déterminée pour E, on doit chercher les valeurs à donner à la profondeur des échancrures respectives 7 et 8 des lamelles 3 et 4 parmi celles qui satisfont la relation (7), et lesvaleurs à donner à la profondeur des échancrures respectives 9 et 10 des lamelles 5 et 6 parmi celles qui satisfont la relation (8).
  • Ainsi par exemple, si la hauteur H des lamelles est de 25 mm et si l'on souhaite que lesémergences et enfoncements des divers treillis à encastrer les uns au dessus des autres aient pour valeur E = 5mm, les profondeurs des échancrures devront être telles que :
    • p1 + p1' = 25 - 5 = 20 mm
    • p2 + p2' = 25 + 5 = 30 mm
  • On peut.par exemple, choisir les valeurs suivantes (en millimètres) :
    Figure imgb0010
     On vérifie dans tous les cas que la somme totale des profondeurs d'échancrures est bien égale à 2H, c'est-à-dire 50mm.
  • On peut, selon un mode d'exécution particulier, se fixer en outre l'égalité de profondeur entre les échancrures des lamelles constituant un même treillis. On aurait par exemple :
    Figure imgb0011
    pour les lamelles 3 et 4 et
    Figure imgb0012
    pour les lamelles 5 et 6
  • On parvient aux relations suivantes, pour une même valeur d'émergence ou d'enfoncement E :
    Figure imgb0013
    avec
    Figure imgb0014
    Si l'on reprend l'exemple chiffré précédent, on choisira pour p1 et p1', la valeur 10 mm et pour P2 et p2', la valeur 15 mm.
  • Pour réaliser une zone d'échange thermique ayant la structure définie plus haut, on superpose donc des treillis en alternant des treillis présentant , sur leurs deux faces, des bords de lamelles en saillie avec des treillis présentant sur leur deux faces, des bords de lamelles en creux, les parties en saillie d'un treillis venant s'encastrer dans les parties en creux du treillis voisin [inférieur ou supérieur). On peut ainsi empiler un nombre quelconque de treillis des deux types. Dans un tel empilement, les lamelles pleines superposées constituent des cloisons continues d'une extrémité de l'empilement à l'autre, ces cloisons étant parallèles entre elles. L'empilement des lamelles ajourées, dont les plans, parallèles entre eux, coupent les plans constitués par l'empilement des lamelles pleines, par exemple à angle droit, crée d'une part, des pans de cloison continue, lorsque l'on considère la superposition des parties pleines desdites lamelles ajourées, et d'autre part, des pans de cloison ajourée, lorsque l'on considère la superposition des parties ajourées desdites lamelles ajourées, les pans de cloison continue alternant avec les pans de cloison ajourée, chaque pan de cloison d'un des deux types étant séparé du pan de cloison voisin, de l'autre type, par une cloison adjacente continue correspondant à la superposition de lamelles pleines.
  • Les cloisons décrites ci-dessus déterminent donc deux sortes d'espaces pour la circulation des fluides que l'on souhaite mettre en relation d'échange thermique. En effet, toutes les cloisons pleines, formées par la superposition des lamelles pleines, et parallèles entre elles, séparent des espaces qui, par rapport à l'ensemble de la structure d'échange (l'empilement de treillis), se présentent comme des tranches. En raison de l'alternance des pans pleins et des pans ajourés sur les cloisons formées par superposition des lamelles ajouréesles tranches définies ci-dessus sont, en alternance , de deux types différents. Les unes sont subdivisés en canaux, de section par exemnle rectangulaire ou carrée, séparés par des pans pleins ; les autres tranches ne sont pas subdivisées en canaux séparés, du fait oue les évidements des pans ajourés constituent autant de passages d'un canal au canal voisin.
  • Les canaux séparés délimités dans les divers espaces (ou tranches) sont en général parcourus par un premier fluide participant à l'échange thermique. Le fluide circule alors selon une direction parallèle aux plans des lamelles (c'est-à-dire aux plans des cloisons) constituant la zone d'échange.
  • On fait circuler un second fluide dans les espaces (ou tranches) non subdivisés en canaux séparés. Le fluide peut parcourir chacune de ces tranches de part en part en empruntant les passages de communication constitués par les évidements qu'il rencontre, les restes des parties pleines entourant les évidements constituantdes ailettes ou des chicanes. Dans ces tranches, le fluide circule dans une direction globale sensiblement perpendiculaire aux pans de cloison ajourés et parallèle aux cloisons pleines. Dans ces conditions, les deux fluides circulent en courants croisés.
  • Les extrémités des espaces (ou tranches) parcourus par le second fluide situées sur les faces de l'empilement destinées à l'entrée et à la sortie du premier fluide sont obturées par exemple par des plaques (telles que 11 et 12,figure 1) venant s'emboîter sur le premier (et le dernier) treillis de l'empilement, ces plaques recouvrant un espace sur deux, les espaces restant ouverts correspondant à l'entrée (ou a la sortie) dudit premier fluide. Les ouvertures des tranches parcourues par le second fluide sur les faces de l'empilement destinées à l'entrée et à la sortie dudit second fluide se trouvent réalisées de facto par les évidements des lamelles ajourées constituant lesdites faces. Par ailleurs, les parois des canaux extrêmes de chaque espace (on tranche) parcouru par le premier fluide, aboutissant sur les faces de l'empilement destinées à l'entrée et à la sortie du second fluide se trouvent obturées de facto par les parties pleines des lamelles ajourées dont la superposition constitue lesdites faces. Enfin, les deux faces extrêmes de l'empilement par lesquelles n'entre ou ne sort aucun des deux fluides, sont elles-mêmes obturées de facto par la continuité des cloisons formées par la superposition des lamelles pleines extrêmes des divers treillis de l'empilement.
  • La structure d'échangeur de chaleur telle qu'elle a été décrite dans ce qui précède peut constituer le corps d'échange d'un échangeur destiné à la circulation de deux fluides en courants croisés, l'un des fluides, par exemple des fumées, parcourant les canaux séparés du haut vers le bas ou du bas vers le haut et l'autre fluide, par exemple de l'air à réchauffer,circulant alors d'ureface latérale vers la face opposée. Dans ce cas, les moyens pour l'amenée et le départ des fluides peuvent consister en des moyens usuels, en particulier en des conduits cylindriques que l'on raccorde de façon appropriée sur les faces du corps d'échange par lesquelles doit entrer (ou sortir) chacun des fluides concernés. Ces moyens n'ont pas été illustrés sur la figure 1.
  • Un second mode de réalisation de la première structure d'échange thermique selon l'invention décrite ci-dessus, peut consister essentiellement, comme le premier mode décrit, en un empilement de treillis (ou grilles) encastrables les uns au-dessus des autres, et formés chacun d'un entre-croisement de deux séries de lamelles, assemblées par enfourchement mutuel de chaque lamelle d'une série par les lamelles de l'autre. Mais, à la différence du premier mode de réalisation décrit, les deux séries de lamelles dont l'entrecroisement forme chacun des treillis sont constituées, toutes deux, de lamelles pleines. La description de ce second mode de réalisation sera donc analogue à celle du premier, à condition de remplacer les lamelles"ajourées" par des lamelles "pleines".
  • Ce second mode de réalisation est décrit ci-après en liaison avec les figures 5, 6A et 6B.
  • La structure considérée est constituée par empilement alterné d'un nombre quelconque de treillis tels que 13 et 14. L'encastrement de ces treillis s'effectue de la même manière que pour le premier mode de réalisation décrit : on fait correspondre les parties en saillie (ou en creux) d'un treillis par exemple du premier type (tel que 13) avec les parties en creux (ou en saillie) d'un treillis du second type (tel que 14) plus au-dessous ou au-dessus dudit treillis du premier type.
  • En raison du fait que toutes les lamelles constituant les treillis (du premier ou du deuxième type) encastrés les uns au dessus des autre_, sont des lamelles pleines, dans l'empilement de treillis constituant la structure considérée, on ne distinguera plus les espaces (ou tranches) divisés en canaux séparés et les espaces (ou tranches) non subdivisées en canaux séparés mais comportant des voies de passage que sont les évidements des lamelles ajourées. Dans le présent mode de réalisation, l'empilement des treillis constitués uniquement de lamelles pleines, ne comprendra que des canaux, tous séparés les uns des autres par les cloisons pleines résultant de la superposition des parties pleines des lamelles homologues.
  • Cette structure peut constituer le corps d'un échangeur de chaleur dans lequel par exemple deux fluides circulent en courants parallèles (en co-courants ou à contre-courant).
  • La répartition des canaux destinés à la circulation du premier fluide et de ceux destinés à la circulation du second fluide peut être choisie de telle manière que, à l'exception des canaux jouxtant les parois extérieures de la zone d'échange, chaque canal parcouru par l'un des deux fluides soit contigu à au moins deux canaux parcourus par l'autre fluide. Des exemples de telles distributions sont données sur les figures 6A et 6B.
  • Lorsque la structure d'échange thermique constituée de canaux parallèles telle que décrite ci-dessus présente la répartition des circulations de fluides représentée à la figure 6A, un aspect particulièrement avantageux de l'invention consiste à faire déboucher la zone d'échange à chacune de ses extrémités sur des têtes d'amenée et de départ des fluides conçues chacune de façon analogue au premier mode de réalisation décrit précédemment (circulation à courants croisés).
  • Ce mode particulier de réalisation d'un échangeur de chaleur de l'invention est décrit plus en détail ci-après en liaison avec les figures 7, 8A, 88 et 8C.
  • Tel que représenté sur la figure 7, le dispositif d'échange de chaleur 15 comprend un corps central 16 et deux collecteurs 17 et 18.
  • Le corps central 16 se présente sous la forme d'un parallalépipède à base rectangulaire ou carrée formé, par l'empilement des treillis qui le constituent, d'un nombre déterminé de rangées de canaux de section rectangulaire ou carrée, chaque rangée comprenant un nombre déterminé de canaux.
  • Les collecteurs 17 et 18 sont constitués chacun d'un empilement de plusieurs treillis analogues à ceux de la figure 1, qui consistent en des entrecroisements de lamelles pleines et de lamelles ajourées assemblées par enfourchement mutuel desdites lamelles au niveau d'échancrures pratiquées sur le bord de celles-ci. Les lamelles ajourées comportent des évidements ménagées alternativement une fois sur deux. dans les parties desdites lamelles comprises entre deux échancrures consécutives. Un second fluide peut,par exemple,être amené suivant la direction des flèches 19, à travers les évidements des lamelles ajourées affleurant sur la face considérée, dans des espaces (ou tranches) traversant le collecteur 17. Ces espaces sont obturéssur la face supérieure 23 du collecteur 17 par des plaques telles que 11 (sur la figure 1), qui s'emboitent sur le treillis supérieur, les espaces restant ouverts correspondant aux rangées de canaux par lesquels le premier fluide sort suivant la flèche 22. Les espaces parcourus par ledit second fluide sont également obturés sur la face du collecteur 17 opposée à la face d'entrée, par substitution d'une lamelle pleine à la lamelle ajourée extrême de chacun des treillis dont l'empilement constitue ledit collecteur 17, la superposition de ces lamelles pleines constituant une paroi continue 25 (non vue sur la figure 7). Les espaces parcourus par ledit second fluide sont, à la jonction du collecteur 17 avec le corps central 16, en communicétion avec les rangées de canaux correspondantes, les plaques telles que 12 (représentées à la figure 1) étant dans le cas présent, bien entendu omises. Les rangées de canaux du collecteur 17, par lesquels le second fluide sort, sont en communication avec les rangées de canaux homologues du corps central 16.
  • Le collecteur 18 situé par exemple au bas du corps central 16 peut être décrit de façon analogue. Le second fluide sort par exemple suivant la direction des flèches 20, à travers les évidements des lamelles ajourées affleurant sur la face considérée, hors des espaces (ou tranches) traversant le collecteur 18 et séparés les uns des autres par des rangées de canaux par lesquels entre le premier fluide suivant la direction des flèches 21. Lesdits espaces (ou tranches) sont obturés sur la face inférieure 24 du collecteur 18 par des plaques analogues aux plaques 12 (sur la figure 1), qui s'emboitent sur le treillis inférieur du collecteur 18, les espaces restant ouverts sur cette face correspondant aux rangées de canaux par lesquels entre ledit premier fluide. Les espaces parcourus par ledit second fluide sont également obturés sur la face du collecteur 18 opposée à la face de sortie, par substitution d'une lamelle pleine à la lamelle ajourée extrême de chacun des treillis dont l'empilement constitue le collecteur 18, la superposition de ces lamelles pleines constituant une paroi continue 26. Les espaces parcourus par ledit second fluide sont, à la jonction du collecteur 18 avec le corps central 16,en communication avec les rangées de canaux correspondantes, les plaques telles que 11 (représentées à la figure 1) étant, dans le cas présent, bien entendu omises. Les rangées de canaux du collecteur 18 par lesquels le premier fluide entre sont en communication avec les rangées de canaux homologues du corps central 16.
  • La circulation des deux fluides dans le dispositif représenté à la figure 7 se fait donc à contre-courant dans le corps central 16. Une circulation des fluides en co-courants peut être tout aussi bien envisagée.
  • Par ailleurs, la disposition relative des faces des collecteurs 17 et 18,par lesquelles entre ou sort le premier fluide, peut être variée, comme indiqué sur les schémas des figures 8A, 88 et 8C.
  • Il est également possible dans l'invention d'associer deux ou plusieurs dispositifs analogues à l'échangeur 15 décrit ci-dessus.
  • Les échangeurs peuvent être associés en série de manière à allonger
  • le parcours suivi par l'un des fluides ou par les deux fluides.
  • Une seconde structure d'échange thermique selon l'invention est décrite ci-après en liaison avec les figures 9,10A et 10B.
  • Ladite seconde structure d'échange thermique consiste en un empilement de séries de lamelles entrecroisées, assemblées les unes au-dessus des autres par enfourchement mutuel de chaque lamelle (telle que 27, figure 01 d'une série par les lamelles (telles que 28, figure 9) d'une autre série, placée par exemple au-dessus des lamelles de la série précédente. Les lamelles de chaque série, parallèles entre elles, comportent sur leurs dôux bords des échancrures (respectivement 29,30,31 et 32) situées en regard les unes des autres, destinées, les unes (les échancrures inférieures), à assurer l'assemblage par enfourchement mutuel avec les échancrures du bord supérieur des lamelles, parallèles entre elles, de la série située au-dessous, les autres (les échancrures supérieures) destinées à assurer l'assemblage par enfourchement mutuel avec les échancrures du bord inférieur des lamelles, parallèles entre elles, de la série située au-dessus. Les plans des lamelles des séries paires coupent les plans des lamelles des séries impaires, au niveau de leurs échancrures respectives, en formant des angles dièdres d'arête verticale (si l'on considère un empilement dans lequel des lamelles sont dans des plans verticaux), ces angles dièdres égaux entre eux sont de préférence de 90° (l'entrecroisement des séries de lamelles se fait à angle droit).
  • Les échancrures d'un même bord des lamelles d'une série ont la même profondeur et la largeur de toutes les échancrures des lamelles des séries du même ordre (pair ou impair) ont la même largeur, égale ou substantiellement égale à l'épaisseur des lamelles des séries de l'autre ordre (impair ou pair).
  • Dans cette seconde structure d'échange thermique selon l'invention, les lamelles des séries imoaires (telles que 271 et les lamelles des séries paires (telles que 28) ont toutes la même hauteur h.
  • Par ailleurs, si l'on désigne par p3,p3',p4 et p4', les profondeurs respectives des échancrures 29, 30, 31 et 32 des lamelles 27 et 28, l'assemblage jointif des séries de lamelles les unes sur les autres suppose que soit satisfaite la relation :
    Figure imgb0015
  • Ainsi, par exemple, si l'on choisit pour les lamelles des deux séries une hauteur commune de 40 mm, on pourra donner aux diverses profon- duers d'échancrures les valeurs indiquées dans le tableau suivant :
    Figure imgb0016
  • On peut assembler les unes au-dessus des autres un nombre quelconque de séries de lamelles, pouvant aller,par exemple, de quelques dizaines à plusieurs centaines.
  • Les lamelles des séries,par exemple, impaires (telles que 27) sont des lamelles dites "pleines", c'est-à-dire ne comportant que les échancrures nécessaires à leur assemblage avec les lamelles des séries paires situées immédiatement au-dessus ou en-dessous. Les lamelles des séries par exemple paires (telles que 28) peuvent être "pleines; comme les lamelles 27 ci-dessus, ou "ajourées", c'est-à-dire comportant des évidements ménagés alternativement dans une sur deux des parties pleines délimités par deux échancrures consécutives.
  • Dans le premier cas (lamelles 28 pleines), la structure d'échange thermique réalisée par l'assemblage des différentes séries de lamelles est constituée uniquement de canaux tubulaires verticaux, de section rectangulaire ou carrée, comme déjà décrit plus haut en relation avec la figure 5. Ces canaux peuvent être alimentés par les fluides participant à l'échange selon la répartition représentée à la figure 6A ou 6B, la circulation des deux fluides pouvant se faire en co-courant ou à contre-courant.
  • Dans le second cas (lamelles 28 ajourées), la structure réalisée comprend des rangées de canaux séparés, alternant avec des espaces (ou tranches) dans lesquels les différents canaux de la même rangée communiquant entre eux par les évidements pratiqués dans les lamelles dites "ajourées". Une telle structure équivalente à celle représentée à la figure 1, permet de réaliser des échanges thermiques entre fluides circulant à courants croisés.
  • Les lamelles constituant les différentes structures d'échange thermique selon l'invention peuvent être réalisées en divers matériaux bons ou moyens conducteurs de la chaleur, selon les températures des fluides mis en jeu dans l'échange thermique.
  • Le matériau peut consister en un matériau thermoplastique tel que du polypropylène, éventuellement chargé, pour des températures inférieures à 100°C, du polyfluorure de vinylidène, pour des températures allant par exemple de 100 à 140°C,ou encore un copolymère éthylène-tétra- fluoroéthylène chargé,pour des températures allant, par exemple, de 140 à 190°C.
  • Les lamelles peuvent être également constituées de plastiques thermodurcissable;, tels que, par exemple des polyesters ou des résines époxydes.
  • Le matériau peut également consister en un métal, un alliage de métaux du verre, du ciment ou de la céramique. Il peut encore consister en un matériau composite tel que, par exemple, une matière plastique chargée de produits pulvérents, granulaires, filamentaires, tissés ou non tissés, lesdits produits ou charges pouvant consister eux-mêmes en métaux, alliages, carbone amorphe, graphite, verre, céramique ou encore sels minéraux.
  • Plusieurs modes de réalisation des lamelles peuvent être envisagés.
  • Les lamelles peuvent tout d'abord être découpées dans des feuilles du matériau choisi, les évidements et échancrures étant réalisées par usinage (par exemple, perçage, fraisage, sciage ou meulage).
  • Un second mode de réalisation peut consister en une opération de moula--ge ou d'injection du matériau choisi, en particulier lorsque ledit matériau est un alliage léger ou un matériau thermoplastique ou thermodurcissable.
  • En ce qui concerne l'assemblage des dispositifs d'échange thermique ayant les structures décrites dans l'invention, l'enfourchement mutuel des séries de lamelles peut s'effectuer par simple encastrement mécanique ; il peut aussi être consolidé ou rendu plus étanche par brasage, étamage, soudure ou collage. De la même façon, les treillis ainsi constitués peuvent être assemblés par simple encastrement mécanique, qui peut être également consolidé ou rendu plus étanche par les techniques mentionnées ci-dessus.
  • Un autre mode de réalisation peut encore consister à découper les lamelles dans un matériau métallique (par exemple en alliage léger) et à les enrober d'un matériau thermoplastique ou thermodurcissable avant leur assemblage.
  • Alternativement, un tel enrobage pourrait s'effectuer sur chacun des treillis déjà assemblés, avant leur empilage ou encore sur le dispositif d'échange de l'invention déjà constitué.
  • Les dimensions des dispositifs de l'invention peuvent être très variées: les lamelles peuvent avoir une longueur de quelques centimètres à plusieurs mètres et une hauteur de quelques millimètres à plusieurs décimètres. On peut utiliser pour chaque série un nombre de lamelles variable, par exemple d'une dizaine à plusieurs centaines, et empiler un nombre de séries de lamelles variable lui aussi, d'une dizaine à plusieurs centaines.
  • La surface d'échange par unité de volume des dispositifs selon l'invention peut être élevée. Des valeurs moyennes de cette surface sont au voisinage de 150 à 200 mz par m3.
  • Enfin, suivant le matériau constitutif de l'échangeur de l'invention, sa surface massique peut se situer aux alentours de 6 à 7dm2/kg pour de l'acier et aux alentours de 40 à 50dm2/kg pour une matière plastique.

Claims (14)

1- Dispositif d'échange thermique comportant au moins une zone de structure modulaire, caractérisé en ce que ladite zone est essentiellement constituée d'un empilement de treillis encastrables les uns au-dessus des autres de façon jointive et formés chacun d'un entrecroisement de deux séries de lamelles, assemblées de façon jointive par enfourchement mutuel des lamelles, parallèles entre elles, de la première série et des lamelles, parallèles entre elles, de la seconde série, au niveau d'échancrures ménagées sur un des bords des lamelles de la première série et sur le bord opposé des lamelles de la seconde série, ledit empilement créant des espaces pour la circulation d'au moins deux fluides en relation d'échange thermique.
2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone est constituée de l'empilement alterné de treillis de deux types différents, les treillis du premier type (1) étant tels que les bords inférieurs des lamelles (3) de la première série sont en saillie sur la face inférieure desdits treillis (1) et les bords supérieurs des . lamelles (4) de la seconde série sont en saillie sur la face supérieure desdits treillis (1), les treillis du second type (2) étant tels que les bords supérieurs des lamelles (5) de la première série sont en retrait sur la face supérieure desdits treillis (2) et les bords inférieurs des lamelles (6) de la seconde série sont en retrait sur la face inférieure desdits treillis (2), l'émergence des bords inférieurs en saillie des lamelles (3) de la première série des treillis du premier type (1) étant égale à l'enfoncement des bords supérieurs en retrait des lamelles (5) de la première série des treillis du second type (2), et l'émergence des bords supérieurs en saillie des lamelles (4) de la seconde série des treillis du premier type (1) étant égale à l'anfoncement des bords inférieurs en retrait des lamelles (6) de la seconde série des treillis du second type (2).
3- Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les hauteurs respectives h1 et h1' des lamelles de première série (3) et de seconde série (4) des treillis de premier type (1), les hauteurs respectives h2 et h2' des lamelles de première série (5) et et de seconde série (6) des treillis du second type (2) et les profondeurs respectives p1, p1', p2 et p2 0 des échancrures correspondant auxdites lamelles satisfont les égalités :
Figure imgb0017
4- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que toutes les lamelles ont la même hauteur H et les profondeurs d'échancrures
Figure imgb0018
satisfont l'égalité:
Figure imgb0019
5- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, utilisable comme zone d'échange thermique entre deux fluides circulant à courants croisés, caractérisé en ce que les lamelles (3) et (5) de première série des treillis du premier type (1) et des treillis du second type (2) sont pleines et les lamelles (4) et (6) de seconde série des treillis du premier type (1) et des treillis du second type (2) sont ajourées par des évidements ménagés alternativement une fois sur deux dans les parties pleines desdites lamelles comprises entre deux échancrures consécutives, la superposition des lamelles pleines (3) et (5) d'une part et des parties pleines des lamelles ajourées (4) et (6) d'autre part, forment des rangées de canaux de section rectangulaire ou carrée, séparés entre eux par les parties pleines des lamelles ajourées (4) et (6), lesdites rangées de canaux pouvant être parcourues par un premier fluide et la superposition des lamelles pleines (3) et (5) d'une part et des parties ajourées des lamelles ajourées (4) et (6) d'autre part formant des espaces dans lesquels les canaux de section rectangulaire ou carrée communiquent entre eux par les évidements ménagés dans les lamelles ajourées (4) et (6),lesdits espaces pouvant être parcourus par un second fluide.
6- Dispositif d'échange thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les faces extrêmes de l'empilement par lesquelles entre et sort le premier fluide sont ouvertes vis-à-vis dudit premier fluide et sont obturés vis-à-vis du second fluide par des plaques (11) et (12) emboitées sur les faces extrêmes en regard des espaces parcourus par ledit second fluide, les deux faces opposées de l'empilement par lesquelles entre et sort le second fluide sont ouvertes de facto vis-à-vis dudit second fluide par les évidements ménagés dans les lamelles ajourées dont la superposition constitue lesdites faces et sont obturées de facto vis-à-vis du premier fluide par les parties pleines des lamelles ajourées dont la superposition constitue les-. dites faces, et les faces opposées de l'empilement par lesquelles aucun fluide n'entre on sort sont obturées de facto par les lamelles pleines dont la superposition constitue lesdites faces.
7- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, utilisable comme zone d'échange thermique entre deux fluides circulanten courants parallèles, caractérisé en ce que les lamelles (3) et (5) de première série et de seconde série (4) et (6) des treillis du premier type (1) et des treillis du second type (2) sont pleines,l'empilement des treillis formant alors des canaux de section rectangulaire ou carrée, tous séparés les uns des autres, certains desdits canaux pouvant être parcourus par un premier fluide, les autres canaux pouvant être parcourus par un second fluide.
8- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les deux fluides sont distribués sur des rangées de canaux alternées.
9- Dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un corps central (16) tel que défini dans la revendication 8, dans lequel les deux fluides circulent en courants parallèles, ledit corps central étant relié, par encastrement à son extrémité supérieure, avec une zone d'échange à courants croisés (collecteur 17), telle que décritadans la revendication 5, et à son extrémité inférieure, avec une zone d'échange à courants croisés (collecteur 18) telle que décrite dans la revendication 5.
10- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la face d'entréeou de sortie du premier fluide sur le collecteur (17) ou (18) est ouverte vis-à-vis dudit premier fluide et obturé vis-à-vis du second fluide au moyen de plaques (11) sur la face supérieure du collecteur (17) ou de plaques (12) sur la face inférieure du collecteur (18), la face d'entrée ou de sortie du second fluide sur le collecteur (17) ou (18) est ouverte vis-à-vis dudit second fluide par les évidements ménagés sur les parties pleines des lamelles ajourées dont l'empilement constitue ladite face d'entrée ou de sortie dudit collecteur (17) ou (18) et obturée vis-à-vis du premier fluide par les parties pleines des lamelles ajourées dont l'empilement constitue ladite face d'entrée ou de sortie dudit second fluide, la face opposée à la face d'entrée et la face opposée à la face de sortie dudit second fluide sur les collecteurs (17) et (18) étant fermées à la fois vis-à-vis du premier et du second fluide, par substitution de lamelles pleines aux lamelles ajourées dont la superposition constitue lesdites faces sur lesdits collecteurs (17) et (18).
11- Dispositif d'échange thermique selon la revendication 1, comportant au moins une zone de structure modulaire, caractérisé en ce que ladite zone est essentiellement constitué d'un empilement de séries entrecroisées de lamelles, assemblées de façon jointive les unes au dessus des autres par enfourchement mutuel des lamelles (27), parallèles entre elles, d'une série et des lamelles (28), parallèles entre elles, d'une série consécutive, au niveau d'échancrures (29) et (30) et d'échancrures (31) et (32),ménagées respectivement sur les deux bords des lamelles (27) et (28), en regard les unes des autres, les lamelles (27) et les lamelles (28) ayant même hauteur h et les profondeurs respectives p3, p3', P4 et p4 1 des échancrures (29), (30) (31) et (32) des lamelles (27) et (28) étant telles qu'elles vérifient l'égalité : p3 + p3' + p4 + p4' = h .
12- Dispositif selon la revendication 11, utilisable comme zone d'échange thermique entre deux fluides circulant à courants croisés caractérisé en ce que les lamelles (27) sont des lamelles pleines et les lamelles (28) sont des lamelles ajourées comportant des évidements (33) ménagés alternativement une fois sur deux dans les parties pleines desdites lamelles comprises entre deux échancrures consécutives d'un même bord, la superposition des lamelles pleines (27) d'une part et des parties pleines des lamelles ajourées (28) d'autre part formant des rangées de canaux de section rectangulaire ou carrée, séparés entre eux par les parties pleines des lamelles ajourés (28) lesdites rangées de canaux pouvant être parcourues par un premier fluide, et la superposition des lamelles pleines (27) d'une part et des parties ajourées des lamelles ajourées (28) d'autre part formant des espaces dans lesquels les canaux, de section rectangulaire ou carrée, communiquent entre eux par les évidements (33) ménagés dans les lamelles ajourées (28), lesdits.espaces pouvant être parcourus par un second fluide.
13- Dispositif selon la revendication 11, utilisable comme zone d'échange thermique entre deux fluides circulant en courants parallèles, caractérisé en ce que les lamelles (27) et les lamelles (28) sont des lamelles pleines, l'entrecroisement de séries desdites lamelles formant alors des canaux de section rectangulaire ou carrée, tous séparés les uns des autres, certains desdits canaux pouvant être parcourus par un premier fluide, les autres canaux pouvant être parcourus par un secord fluide.
14- Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les deux fluides sont distribués sur des rangées de canaux alternées.
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