EP0206935A1 - Dispositif d'échange thermique du type échangeur à plaques perforées présentant une étanchéité améliorée - Google Patents

Dispositif d'échange thermique du type échangeur à plaques perforées présentant une étanchéité améliorée Download PDF

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EP0206935A1
EP0206935A1 EP86401336A EP86401336A EP0206935A1 EP 0206935 A1 EP0206935 A1 EP 0206935A1 EP 86401336 A EP86401336 A EP 86401336A EP 86401336 A EP86401336 A EP 86401336A EP 0206935 A1 EP0206935 A1 EP 0206935A1
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EP
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perforations
plates
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row
stack
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Alain Grehier
Alexandre Rojey
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/02—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of carbon, e.g. graphite
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2230/00—Sealing means
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/355—Heat exchange having separate flow passage for two distinct fluids
    • Y10S165/356—Plural plates forming a stack providing flow passages therein
    • Y10S165/36—Stacked plates having plurality of perforations

Definitions

  • the invention relates to a heat exchange device of the exchanger type with perforated plates, having improved sealing.
  • the spaces intended for the circulation of fluids may consist of channels whose direction is perpendicular to the plane of the plates or in "networks of circulation "created by interconnecting perforations between the adjacent plates of the stack.
  • the main object of the invention is therefore to provide a plate heat exchanger which, in addition to the advantages of low cost, compactness, relative lightness and ease of carrying out the distribution of fluids, does not exhibit any leaks or presents negligible leaks between the fluids between which the heat exchange takes place.
  • the heat exchangers according to the invention can be defined, in general, in that they comprise a stack of perforated plates comprising, between any two consecutive plates, at least one seal arranged so that each perforation of the corresponding plates a circulation space traversed by a fluid is separated from the perforations corresponding to the circulation spaces traversed by a different fluid, maintaining the cohesion of the stack of plates is ensured by a plurality of tie rods crossing said stack perpendicular to the planes of the plates distributed over the entire volume thereof and exerting a clamping pressure of approximately 2 to 50 bars, said seal consisting of expanded graphite manufactured under conditions such that it has an apparent density of approximately 200 to 500 kg. m - 3.
  • the expanded graphite used as constituent material of the seals of the exchangers of the invention is advantageously in the form of flexible sheets of variable thickness obtained by compression molding of expanded graphite particles, under conditions of temperature and pressure such as they have the bulk density mentioned above, as well as suitable compressibility characteristics so that their crushing, under the clamping pressures involved, allows them to fulfill their role, that is to say to compensate for the flatness defects of the plates of the stack, these defects generally being a few tenths of a millimeter, in particular when the plates are metallic (for example steel sheets or of various alloys).
  • the thickness of the expanded graphite joints generally represents 2.5 to 10 times the average amplitude of the flatness defects that said joints must compensate for.
  • the thickness of the joints can be around 0.1 to 5 mm . It is most often between approximately 0.5 and 2.5 mm.
  • the thickness of the plates is generally from 2 to 20 mm.
  • the clamping pressure applied which can be around 2 to 50 bars, causes the expanded graphite joints to be crushed by 10 to 90% relative to their initial thickness. In some cases, a clamping pressure of around 2 to 25 bar may be sufficient. It is most often between about 10 and 25 bars. The crushing can then be about 40 to 70% of the initial thickness.
  • the plates stacked to form the heat exchange zone have elongated perforations arranged in parallel rows.
  • Other forms of perforations and other arrangements can be envisaged.
  • the joint may consist of a sheet of suitably perforated expanded graphite or of a set of strips of expanded graphite, themselves suitably perforated, or alternatively of a set of strips of non-expanded graphite perforated suitably arranged.
  • the actual exchange zone consists essentially of a stack, forming a straight prism, of polygonal plates, preferably having at least one pair of sides parallel to each other (for example rectangular plates ) and of joints of the same shape but of thickness not necessarily equal to the thickness of the plates, said plates and said joints being alternated in the stack so that, preferably, a single joint is inserted between two successive perforated plates of the stack, said plates and said seals being provided with elongated perforations arranged in rows parallel to each other, said perforations being arranged and said plates and said seals being stacked in such a way that the rows of perforations of a plate are superimposed on the rows of perforations of the contiguous joints.
  • each perforation is in communication with two perforations of the corresponding row of the plate which precedes it and with two perforations in the corresponding row of the plate which follows it.
  • the intermediate seals may have, for the rows considered, perforations coinciding with those of the corresponding row of the plate which precedes each of said seals.
  • the intermediate joints may have, for the rows considered, perforations coinciding with those of the corresponding row of the plate which follows each of said joints.
  • the intermediate joints may have, for the rows considered, perforations coinciding alternately with those of the corresponding row of the previous plate for a joint and with those of the corresponding row of the following plate for the next joint, this alternation of arrangement of perforations repeating throughout the stack.
  • each perforation of any intermediate plate can be in communication with a single perforation in the corresponding row of the preceding plate and with a single perforation in the corresponding row from the next plate.
  • each intermediate joint has perforations which, for the rows considered, substantially coincide with the perforations of the corresponding rows of the plates, this arrangement of the perforations of the plates and of the joints being able to be preserved over the entire stack.
  • the exchange zone is formed by successive stacking of a plate 1, of a seal 3, of a plate 2, of a seal 3 and so on. .
  • the exchange zone is formed by successive stacking of a plate 1, a seal 4, a plate 2, a seal 4 and so on.
  • the exchange zone is formed by successive stacking of a plate 1, of a seal 4, of a plate 2, of a seal 3, and so on.
  • Figure 5 is an elevational view of a stack 14, produced according to the first alternative embodiment described above.
  • FIGS. 5A and 5B respectively represent sections of the stack 14 along the planes A.A and B.B of FIG. 5.
  • FIGS. 5C and 5D are respectively sections of the stack 14 along the planes C.C and D.D in FIG. 5.
  • the constitution of the stack of plates forming the exchange zone is similar to that described in the first embodiment above, but the joints inserted between the perforated plates are in the form of perforated strips, the thickness of which is the thickness of the joint, a perforated strip corresponding to one row of perforations in two.
  • FIG. 1A This embodiment is illustrated by Figures 1, 1A, 2, 2A, 6, 6A and 7 to 7C.
  • the plates are analogous to plates 1 and 2 of Figures 1 and 1 A, 2 and 2A respectively.
  • Figure 6 is an elevational view of a seal 5 in the form of a strip having perforations 15 corresponding to the perforations 6 of the plates 1 or to the perforations 9 of the plates 2.
  • Figure 6A shows a section of a seal 5 along the plane AA of Figure 6.
  • the width 1 of the strips 5 is for example from b + al2 to b + 2a, if we denote by a the distance, measured on the plates, between the edges closest to the perforations of two rows neighboring, and by b the width of the perforations.
  • This width of the bands I is advantageously from b + a to b + 2a. It is preferably b + 2a. It is this preferred width which has been designated by 1 in FIGS. 1 and 2.
  • the exchange zone is formed by the successive stacking of a plate 1, of the suitable number of strips 5, of a plate 2, again of strips 5, and so on.
  • Figure 7 is an elevational view of such a stack 16.
  • Figure 7A shows a section of the stack 16 along the plane AA of Figure 7.
  • Figures 7B and 7C are sections of the stack 16 respectively the BB and CC planes of Figure 7.
  • the constitution of the stack of plates forming the exchange zone is analogous to that described in the above embodiment, but the joints inserted between the perforated plates are in the form of strips the thickness of which is that of the joint, a strip corresponding to the separation interval arranged between two adjacent rows of perforations.
  • the plates are similar to the plates 1 and 2 of Figures 1 and 1A, 2 and 2A.
  • Figure 8 is an elevational view of a seal 7 in the form of a non-perforated strip.
  • the width d of a strip 7 is preferably equal to the distance, measured on the plates, between the edges closest to the perforations of two adjacent rows, that is to say to the width of the separation intervals 8.
  • the preferred width d has been noted in Figures 1 and 2.
  • the width d may be less than the value indicated above so that, if a is the distance between the nearest edges of perforations of two rows of nets , d can be generally understood between a / 10 and a, and advantageously between a / 2 and a.
  • the exchange zone is formed by the successive stacking of a plate 1, of a suitable number of bands 7, of a plate 2, again of a set of bands 7 And so on.
  • FIG. 9 is a perspective view of such a stack 17.
  • the tightening of the stack is carried out by means of metal tie rods which pass through said stack perpendicular to the planes of the plates, said tie rods being advantageously introduced into a part conduits formed by superimposing part of the perforations of said plates and said seals.
  • the actual tightening can be ensured by conventional means, such as threaded rods terminating the tie rods and nuts bearing when tightened on the end plates of the stack or on flanges arranged on either side of the stack so as to transmit the clamping force by distributing it over the entire surface of the plates.
  • the tightening can also be applied to the stack by inserting between the nuts or other tightening means and the end plates or flanges of the stack of spring washers or other elastic device, so as to allow the height variations of the stack linked to variations in the temperature thereof, maintaining sufficient and not excessive tightening on the stack to ensure the internal sealing of the exchanger during its operation.
  • the perforated plates can be metallic. They can also be made of other materials, such as for example thermoplastic or thermosetting synthetic materials, ceramic materials or even high density graphite.
  • heat exchangers are more particularly used for the exchanges between two fluids, in particular for the recovery of heat on fumes from furnaces or boilers (first fluid), the recovered heat being able to be used for heating air for example (second fluid ).

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Abstract

On décrit un dispositif d'échange thermique - (17) dont la zone d'échange est constituée d'un empilement de plaques perforées (1,2) présentant des perforations disposées de telle façon que la superposition des perforations crée des espaces de circulation pour au moins deux fluides à des températures différentes, lesdites plaques perforées étant séparées deux à deux par au moins un joint - (7) disposé de manière que chaque perforation des plaques correspondant à un espace de circulation parcouru par un fluide soit séparé des perforations correspondant aux espaces de circulation parcourus par un fluide différent, ledit empilement étant maintenu sous une pression de serrage de 2 à 50 bars à l'aide d'une pluralité de tirants le traversant et ledit joint étant constitué par un graphite expanse fabriqué dans des conditions telles qu'il présente une masse volumique apparente d'environ 200 à 500 kg.<sub>m</sub>-<sub>3</sub>.

Description

  • L'invention concerne un dispositif d'échange thermique du type échangeur à plaques perforées, présentant une étanchéité améliorée.
  • Depuis quelque temps, on a proposé des échangeurs dits "compacts" constitués d'empilements de plaques perforées, sur lesquelles les perforations sont disposées de telle manière que leur empilement crée des espaces séparés dans lesquels peuvent circuler les fluides (liquides, gaz ou fumées) participant à I'échange thermique. L'organisme demandeur a lui-même décrit des dispositifs de ce type, en particulier dans le brevet français 2455721 "Echangeur de chaleur compact" et la demande de brevet français 2500610 "Echangeur de chaleur à plaques perforées".
  • Suivant la disposition des perforations sur les plaques et la disposition des plaques dans l'empilement constituant l'échangeur, les espaces destinés à la circulation des fluides peuvent consister en des canaux dont la direction est perpendiculaire au plan des plaques ou en des "réseaux de circulation" créés par interconnexion de perforations enter les plaques adjacentes de l'empilement.
  • Dans tous les cas, les espaces de circulation parcourus par un des fluides participant à l'échange thermique (ensembles de canaux ou réseaux de perforations interconnectées) doivent être séparés des espaces de circulation voisins parcourus par un autre fluide de manière à réduire le plus possible les fuites entre les divers espaces de circulation parcourus par des fluides différents. Pour obtenir ce résultat, il serait nécessaire d'utiliser des plaques perforées de très bonne planéité présentant un bon état de surface, très fortement serrées les unes sur les autres.
  • L'obtention d'une planéité et d'un état de surface améliorés des plaques perforées constitue une contrainte qui peut conduire à un accroissement important de la complexité et du coût de leur fabrication. L'étanchéité souhaitée requérant en outre un serrage important de l'empilement, il serait nécessaire de mettre en oeuvre des moyens tels que des flasques d'épaisseur suffisante de part et d'autre de l'empilement (ce qui alourdirait considérablement l'ensemble), ainsi que des tirants en nombre et qualité suffisants pour réduire les fuites internes à une valeur compatible avec la fonctionnement souhaité du dispositif. II s'ensuivrait également un accroissement de la complexité et du coût de montage des échangeurs de ce type. Dans ces conditions, il était particulièrement important de remédier de façon efficace au problème posé et l'on a pensé à s'orienter vers l'utilisation de joints à disposer en alternance avec toutes les plaques de l'empilement. Or, les caractéristiques constitutives des échangeurs compacts, et notamment la pression à exercer pour le maintien de la cohésion de l'empilement, sont telles qu'il est particulièrement difficile de sélectionner un matériau adapté à l'utilisation envisagée.
  • Or, on a maintenant découvert que, parmi un très grand nombre de matériaux que l'on a pu envisager d'utiliser, certains graphites expansés tels que définis plus loin présentent un ensemble de propriétés qui les rendent particulièrement adaptés à cette utilisation.
  • L'invention a donc pour objet principal de proposer un échangeur de chaleur à plaques qui, outre les avantages de faible coût, de compacité, de relative légèreté et de facilité de réalisation de la distribution des fluides, ne présente pas de fuites ou présente des fuites négligeables entre les fluides entre lesquels s'effectue l'échange thermique.
  • Les échangeurs de chaleur selon l'invention peuvent être définis, d'une manière générale, en ce qu'ils comprennent un empilement de plaques perforées comprenant, entre deux plaques consécutives quelconques, au moins un joint disposé de manière que chaque perforation des plaques correspondant à un espace de circulation parcouru par un fluide soit séparée des perforations correspondant aux espaces de circulation parcourus par un fluide différent, le maintien de la cohésion de l'empilement de plaques est assuré par une pluralité de tirants traversant ledit empilement perpendiculairement aux plans des plaques répartis sur tout le volume de celui-ci et exerçant une pression de serrage d'environ 2 à 50 bars, ledit joint étant constitué d'un graphite expansé fabriqué dans des conditions telles qu'il présente une masse volumique apparente d'environ 200 à 500 kg.m-3.
  • Le graphite expansé utilisé comme matériau constitutif des joints des échangeurs de l'invention se présente avantageusement sous la forme de feuilles flexibles d'épaisseur variable obtenues par moulage par compression de particules de graphite expansées, dans des conditions de température et de pression telles qu'elles présentent la masse volumique apparente mentionnée ci-dessus, ainsi que des caractéristiques de compressibilité convenables pour que leur écrasement, sous les pressions de serrage mises en jeu, leur permette d'assurer leur rôle, c'est-à-dire de compenser les défauts de planéité des plaques de l'empilement, ces défauts étant en général de quelques dizièmes de millimètres, en particulier lorsque les plaques sont métalliques (par exemple tôles d'acier ou de divers alliages).
  • Diverses autres caractéristiques physiques et mécaniques du graphite expansé considéré sont indiquées ci-après :
    • -Module d'Young : 0,7.10' à 150.10'N.m-'
    • -Conductibilité thermique :
    • . selon direction parallèle au plan de la feuille de graphite : 15 à 400 W.m-1°C-1
    • . selon direction perpendiculaire au plan de la feuille de graphite : < 15 W.m-'.°C-\
  • Dans les empilements constituant les zones d'échange des dispositifs de l'invention, l'épaisseur des joints de graphite expansé représente en général de 2,5 à 10 fois l'amplitude moyenne des défauts de planéité que lesdits joints doivent compenser. En particulier lorsque les plaques sont métalliques et présentent des défauts de planéité de quelques dizièmes de millimètres, par exemple d'environ 0,05 mm à 0,5 mm, l'épaisseur des joints peut être d'environ 0,1 à 5 mm. Elle est le plus souvent comprise entre environ 0,5 et 2,5 mm. L'épaisseur des plaques est en général de 2 à 20 mm.
  • Compte tenu des caractéristiques de compressibilité du graphite utilisé, la pression de serrage appliquée qui peut être d'environ 2 à 50 bars, provoque un écrasement des joints de graphite expansé de 10 à 90 % par rapport à leur épaisseur initiale. Dans certains cas, une pression de serrage d'environ 2 à 25 bars peut suffire. Elle est le plus souvent comprise entre environ 10 et 25 bars. L'écrasement peut être alors d'environ 40 à 70 % de l'épaisseur initiale.
  • La constitution des échangeurs de chaleur à plaques perforées de l'invention, comprenant des joints de graphite expansé sera mieux comprise grâce à la description donnée ci-après de divers modes préférés de réalisation, dans lesquels la structure globale des échangeurs correspond à des structures déjà décrites dans la demande de brevet français 2500610, dont la divulgation est incluse dans la présente description, par voie de référence.
  • Selon ces modes particuliers de réalisation, les plaques empilées pour constituer la zone d'échange thermique comportent des perforations allongées disposées en rangées parallèles. D'autres formes de perforations et d'autres dispositions peuvent être envisagées.
  • . Selon les modes de réalisation particuliers décrits ci-après, le joint peut consister en une feuille de graphite expansé convenablement perforée ou en un ensemble de bandes de graphite expansé, elles-mêmes convenablement perforées, ou encore en un ensemble de bandes de graphite expansé non perforées convenablement disposées. Dans un premier mode de réalisation particulier, la zone d'échange proprement dite est constituée essentiellement d'un empilement, formant un prisme droit, de plaques polygonales, présentant de préférence au moins une paire de côtés parallèles entre eux (par exemple des plaques rectangulaires) et de joints de même forme mais d'épaisseur non nécessairement égale à l'épaisseur des plaques, lesdites plaques et lesdits joints étant alternés dans l'empilement de telle sorte que, de préférence, un seul joint soit inséré entre deux plaques perforées successives de l'empilement, lesdites plaques et lesdits joints étant munis de perforations de forme allongée disposées suivant des rangées parallèles entre elles, lesdites perforations étant disposées et lesdites plaques et lesdits joints étant empilés de telle manière que les rangées de perforations d'une plaque soient superposées aux rangées de perforations des joints qui lui sont contigus.
  • En outre, si l'on considère l'ensemble des plaques de l'empilement, pour au moins une partie des rangées de perforations d'une plaque intermédiaire quelconque, chaque perforation est en communication avec deux perforations de la rangée correspondante de la plaque qui la précède et avec deux perforations de la rangée correspondante de la plaque qui la suit.
  • Les joints intermédiaires peuvent présenter, pour les rangées considérées, des perforations coïncidant avec celles de la rangée correspondante de la plaque qui précède chacun desdits joints. Ou bien les joints intermédiaires peuvent présenter, pour les rangées considérées, des perforations coïncidant avec celles de la rangée correspondante de la plaque qui suit chacun desdits joints. Ou bien encore les joints intermédiaires peuvent présenter, pour les rangées considérées, des perforations coïncidant alternativement avec celles de la rangée correspondante de la plaque précédente pour un joint et avec celles de la rangée correspondante de la plaque suivante pour le joint suivant, cette alternance de disposition des perforations se répétant sur tout l'empilement.
  • Dans la pratique, on peut former l'empilement alterné des plaques et des joints en superposant alternativement des plaques perforées et des feuilles de graphite expansé non perforées, en découpant les perforations de chaque feuille de graphite expansé à travers les perforations de la plaque qui suit ladite feuille de graphite expansé à perforer, au cours de l'empilage.
  • Dans certains cas, pour une partie des rangées de perforations, chaque perforation d'une plaque intermédiaire quelconque peut être en communication avec une seule perforation de la rangée correspondante de la plaque précédente et avec une seule perforation de la rangée correspondante de la plaque suivante. Dans ce cas, chaque joint intermédiaire présente des perforations qui, pour les rangées considérées, concident substantiellement avec les perforations des rangées correspondantes des plaques, cette disposition des perforations des plaques et des joints pouvant être conservée sur tout l'empilement.
  • Un mode de réalisation de ce type est illustré par les Figures 1, 1A, 2, 2A, 3 et 3A.
    • La Figure 1 est une vue en élévation d'une plaque 1 comportant des rangées parallèles 21 de perforations allongées 6, lesdites perforations étant de même dimension, régulièrement espacées le long desdites rangées, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 6 voisines sur une même rangée est inférieur à la longueur des perforations 6, les extrémités des perforations étant en outre, d'une rangée à l'autre, alignées entre elles dans une direction perpendiculaire à la direction desdites rangées.
    • La Figure 1A représente une coupe d'une plaque 1 suivant le plan AA de la Figure 1.
    • La Figure 2 est une vue en élévation d'une plaque 2 comportant des rangées parallèles 22 et 23 de. perforations 9 et 10 respectivement, ces rangées étant entre elles à même distance que les rangées 21 sur les plaques 1 ; les perforations 9 et 10 ayant les mêmes dimensions que des perforations 6 des plaques 1, et étant, sur une même rangée 22 ou 23, régulièrement espacées, selon la même disposition que les perforations 6 sur une même rangée 21 d'une plaque 1, mais, d'une rangée 22 à une rangée 23, les perforations 9 et 10 sont décalées en quinconce.
    • La Figure 2A représente une coupe d'une plaque 2 suivant le plan A.A de la Figure 2.
    • La Figure 3 est une vue en élévation d'un joint 3 en graphite expansé ayant la même forme qu'une plaque 1 (il présente des perforations 11).
    • La Figure 3A représente une coupe d'un joint 3 suivant le plan A.A de la Figure 3. Elle montre, pour le joint 3, une épaisseur différente de l'épaisseur des plaques 1 et 2.
    • La Figure 4 est une vue en élévation d'un joint 4 en graphite expansé ayant la même forme qu'une plaque 2 (il présente des perforations 12 et 13). La Figure 4A représente une coupe d'un joint 4 suivant le plan AA de la Figure 4. Elle montre, pour le joint 4, une épaisseur différente de l'épaisseur des plaques 1 et 2.
  • Dans une première variante d'exécution de ce mode de réalisation, la zone d'échange est formée par empilement successif d'une plaque 1, d'un joint 3, d'une plaque 2, d'un joint 3 et ainsi de suite.
  • Selon une seconde variante d'exécution, la zone d'échange est formée par empilement successif d'une plaque 1, d'un joint 4, d'une plaque 2, d'un joint 4 et ainsi de suite. Enfin, selon une troisième variante d'éxécution, la zone d'échange est formée par empilement successif d'une plaque 1, d'un joint 4, d'une plaque 2, d'un joint 3, et ainsi de suite.
  • La Figure 5 est une vue en élévation d'un empilement 14, réalisé selon la première variante d'exécution décrite ci-dessus. Les Figures 5A et 5B représentent respectivement des coupes de l'empilement 14 suivant les plans A.A et B.B de la Figure 5.
  • Les Figures 5C et 5D sont respectivement des coupes de l'empilement 14 suivant les plans C.C et D.D de la Figure 5.
  • Les empilements correspondant aux seconde et troisième variantes d'exécution décrites ci-dessus ne sont pas représentés par des figures.
  • Dans un second mode particulier de réalisation, la constitution de l'empilement de plaques formant la zone d'échange est analogue à celle décrite dans le premier mode de réalisation ci-dessus, mais les joints intercalés entre les plaques perforées se présentent sous la forme de bandes perforées dont l'épaisseur est l'épaisseur du joint, une bande perforée correspondant à une rangée de perforations sur deux.
  • Ce mode de réalisation est illustré par les Figures 1, 1A, 2, 2A, 6, 6A et 7 à 7C. Les plaques sont analogues aux plaques 1 et 2 des Figures 1 et 1 A, 2 et 2A respectivement.
  • La Figure 6 est une vue en élévation d'un joint 5 sous forme de bande présentant des perforations 15 correspondant aux perforations 6 des plaques 1 ou aux perforations 9 des plaques 2. La Figure 6A représente une coupe d'un joint 5 suivant le plan A.A de la Figure 6. La largeur 1 des bandes 5 est par exemple de b + al2 à b + 2a, si l'on désigne par a la distance, mesurée sur les plaques, entre les bords les plus proches des perforations de deux rangées voisines, et par b la largeur des perforations.
  • Cette largeur des bandes I est avantageusement de b + a à b + 2a. Elle est de préférence de b + 2a. C'est cette largeur préférée qui a été désignée par 1 sur les Figures1 et 2.
  • Dans le mode particulier de réalisation décrit, la zone d'échange est formée par l'empilement successif d'une plaque 1, du nombre convenable de bandes 5, d'une plaque 2, à nouveau de bandes 5, et ainsi de suite.
  • La Figure 7 est une vue en élévation d'un tel empilement 16. La Figure 7A représente une coupe de l'empilement 16 suivant le plan A.A de la Figure 7. Les Figures 7B et 7C sont respectivement des coupes de l'empilement 16 suivant les plans B.B et C.C de la Figure 7.
  • Dans un troisième mode de réalisation, la constitution de l'empilement des plaques formant la zone d'échange est analogue à celle décrite dans le mode de réalisation ci-dessus, mais les joints intercalés entre les plaques perforées se présentent sous la forme de bandes dont l'épaisseur est celle du joint, une bande correspondant à l'intervalle de séparation disposé entre deux rangées voisines de perforations.
  • Ce mode de réalisation est illustrée par les Figures 1, 1 A, 2, 2A, 8, 8A et 9. Les plaques sont analogues aux plaques 1 et 2 des Figures 1 et 1A, 2 et 2A.
  • La Figure 8 est une vue en élévation d'un joint 7 sous forme d'une bande non perforée. La largeur d d'une bande 7 est de préférence égale à la distance, mesurée sur les plaques, entre les bords les plus proches des perforations de deux rangées voisines c'est-à-dire à la largeur des intervalles de séparation 8. La largeur d préférée a été notée sur les Figures 1 et 2. Cependant, la largeur d pourra être inférieure à la valeur indiquée ci-dessus de telle sorte que, si a est la distance entre les bords les plus proches de perforations de deux rangées vosines, d peut être compris d'une manière générale entre a/10 et a, et avantageusement entre a/2 et a.
  • Dans le mode particulier de réalisation décrit, la zone d'échange est formée par l'empilement successif d'une plaque 1, d'un nombre convenable de bandes 7, d'une plaque 2, à nouveau d'un ensemble de bandes 7 et ainsi de suite.
  • La Figure 9 est une vue en perspective d'un tel empilement 17.
  • Dans les échangeurs de chaleur de l'invention, le serrage de l'empilement, constitué des plaques perforées et des joints, est réalisé au moyen de tirants métalliques qui traversent ledit empilement perpendiculairement aux plans des plaques, lesdits tirants étant avantageusement introduits dans une partie des conduits formés par superposition d'une partie des perforations desdites plaques et desdits joints. Le serrage proprement dit, dont le détail n'est pas fourni dans la présente description, peut être assuré par des moyens classiques, tels que des tiges filetées terminant les tirants et des écrous prenant appui lors de leur serrage sur les plaques extrêmes de l'empilement ou sur des flasques disposés de part et d'autre de l'empilement de manière à transmettre la force de serrage en la répartissant sur toute la surface des plaques. Le serrage peut également être appliqué à l'empilement en insérant entre les écrous ou autre moyen de serrage et les plaques ou flasques extrêmes de l'empilement des rondelles-ressort ou autre dispositif élastique, de manière à permettre les variations de hauteur de l'empilement liées aux variations de la température de celui-ci, en maintenant un serrage suffisant et non excessif sur l'empilement pour assurer l'étanchéité interne de l'échangeur lors de son fonctionnement. La fraction des conduits dits "droits", formés par superposition d'une partie des perforations des plaques et des joints, occupée par les tirants est limitée afin de laisser le libre passage du fluide dans un nombre- suffisant desdits conduits droits, mais cette fraction de conduits droits occupée par les tirants doit être également suffisante pour que la force de serrage rendue possible par le nombre et la résistance à la traction des tirants dans les conditions extrêmes de fonctionnement permettent d'atteindre la pression de serrage nécessaire à l'étanchéité interne de l'échangeur. Les joints considérés dans l'invention, en graphite expansé, permettent de réaliser cette étanchéité interne à une pression aussi faible que possible compatible avec un maintien mécanique suffisant de l'empilement. Un avantage complémentaire est obtenu du fait que le joint utilisé est bon conducteur de la chaleur de telle sorte qu'il participe au transfert de la chaleur du fluide relativement chaud vers le fluide relativement froid.
  • Dans les échangeurs de chaleur de l'invention, les plaques perforées peuvent être métalliques. Elles peuvent aussi être constituées d'autres matériaux, comme par exemple des matériaux synthétiques thermoplastiques ou thermodurcissables, des matériaux céramiques ou encore du graphite de haute densité.
  • Ces échangeurs de chaleur sont plus particulièrement utilisés pour les échanges entre deux fluides, notamment pour la récupération de chaleur sur des fumées de fours ou de chaudières (premier fluide), la chaleur récupérée pouvant servir à réchauffer par exemple de l'air (second fluide).

Claims (10)

1 -Dispositif d'échange thermique comprenant une zone d'échange formée d'un empilement de plaques perforées présentant des perforations disposées de telle façon que, dans l'empilement desdites plaques, la superposition des perforations crée des espaces de circulation pour au moins deux fluides, dans lequel entre deux plaques consécutives dudit empilement est intercalé au moins un joint destiné à compenser les défauts de planéité desdites plaques et disposé de manière que chaque perforation des plaques correspondant à un espace de circulation parcouru par un fluide soit séparé des perforations correspondant aux espaces de circulation parcouru par un fluide différent, ledit dispositif d'échange thermique étant caractérisé en ce que le maintien de la cohésion dudit empilement est assuré par une pression de serrage d'environ 2 à 50 bars exercée par une pluralité de tirants traversant ledit empilement perpendiculairement aux plans des plaques.et répartis sur tout le volume de celui-ci et en ce que les joints sont constitués d'un graphite expansé fabriqué dans des conditions telles qu'il présente une mass volumique apparente d'environ 200 à 500 kg.m-3.
2 -Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur des joints représente de 2,5 à 10 fois l'amplitude moyenne des défauts de planéité des plaques.
3 -Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur des joints est d'environ 0,1 à 5 mm.
4 -Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur des plaques est de 2 à 20 mm.
5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pression de serrage de l'empilement est d'environ 10 à 25 bars.
6 -Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, sur lesdites plaques, les perforations sont de forme allongée et disposées en rangées parallèles, les rangées de perforations d'une plaque intermédiare sont superposées aux rangées de perforations de la plaque qui la précède et aux rangées de perforations de la plaque qui la suit, et en ce que, pour au moins une partie des rangées de perforations d'une plaque intermédiaire, chaque perforation est en communication avec deux perforations de la rangée correspondante de la plaque qui la précède et avec deux perforations de la rangée correspondante de la plaque qui la suit, et pour la partie complémentaire éventuelle des rangées de perforations d'une plaque intermédiaire, chaque perforation est en communication avec une seule perforation de la rangée correspondante de la plaque qui la précède et avec une seule perforation de la rangée correspondante de la plaque qui la suit.
7 -Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque joint intercalé entre deux plaques consécutives quelconques consiste en une feuille présentant des rangées parallèles de perforations allongées, lesdites perforations concidant substantiellement avec les perforations des rangées correspondantes de la plaque précédente ou de la plaque suivante, ou lesdites perforations dudit joint côincidant alternativement avec celles de la rangée correspondante de la plaque qui le précède et avec celles de la rangée correspondante de la plaque qui le suit.
8 -Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite zone d'échange est formée de l'empilement alterné de plaques 1 comportant des rangées parallèles 21 de perforations allongées 6, lesdites perforations 6 étant de même dimension et régulièrement espacées le long desdites rangées 21, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 6 voisines sur une même rangée 21 étant inférieur à la longueur desdites perforations 6, les extrémités desdites perforations 6 étant en outre, d'une rangée à l'autre, alignées entre elles dans une direction perpendiculaire à la direction desdites rangées, et de plaques 2 comportant des rangées parallèles de types 22 et 23 de perforations allongées 9 et 10 respectivement, lesdites rangées étant entre elles à même distance que les rangées 21 sur les plaques 1, lesdites perforations 9 et 10 étant de même dimension que les perforations 6 des plaques 1 et régulièrement espacées le long desdites rangées de types 22 et 23 respectivement, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 9, ou de deux perforations 10, voisines sur une même rangée 22 ou 23 étant inférieur à la longueur desdites perforations 9 et 10, les extrémités desdites perforations 9 et 10 étant en outre d'une rangée 22 à une rangée 23 décalées en quinconce, les joints intercalés entre deux plaques consécutives quelconques 1 et 2 étant constitués de feuilles perforées de graphite expansé 3 dont les perforations 11 ont substantiellement la même forme et la même disposition que les perforations 6 des plaques 1, ou lesdits joints étant constitués de feuilles de graphite expansé 4 dont les perforations 12 et 13 ont substantiellement la même forme et la même disposition que les perforations 9 et 10 des plaques 2.
9 -Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite zone d'échange est formée de l'empilement altemé de plaques 1 comportant des rangées parallèles de perforations allongées 6, lesdites perforations 6 étant de même dimension et régulièrement espacées le long desdites rangées, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 6 voisines sur une même rangée 21 étant inférieur à la longueur desdites perforations 6, les extrémités desdites perforations 6 étant en outre, d'une rangée à l'autre, alignées entre elles dans une direction perpendiculaire à la direction desdites rangées, et de plaques 2 comportant des rangées parallèles de types 22 et 23 de perforations allongées 9 et 10 respectivement, lesdites rangées étant entre elles à même distance que les rangées 21 sur les plaques 1, lesdites perforations 9 et 10 étant de même dimension que les perforations 6 des plaques 1 et régulièrement espacées le long desdites rangées de types 22 et 23 respectivement, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 9, ou de deux perforations 10, voisines sur une même rangée 22 ou 23 étant inférieur à la longueur desdites perforations 9 et 10, les extrémités desdites perforations 9 et 10 étant en outre d'une rangée 22 à une rangée 23 décalées en quinconce, les joints intercalés entre deux plaques consécutives quelconques 1 et 2 étant constitués chacun d'un ensemble de bandes perforées en graphite expansé 5 dont les perforations 15 correspondent aux perforations 6 des plaques 1 ou aux perforations 9 des plaques 2 et dont la largeur est au plus égale à la distance entre les bords les plus proches des perforations situées de part et d'autre des perforations 15 et au moins égale à la largeur des perforations 15 augmentée de- la moitié de la distance séparant deux bords les plus proches de deux rangées voisines.
10 -Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite zone d'échange est formée de l'empilement alterné de plaques 1 comportant des rangées parallèles de perforations allongées 6, lesdites perforations 6 étant de même dimension et régulièrement espacées le long desdites rangées, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 6 voisines sur une même rangée 21 étant inférieur à la longueur desdites perforations 6, les extrémités desdites perforations 6 étant en outre, d'une rangée à l'autre, alignées entre elles dans une direction perpendiculaire à la direction desdites rangées, et de plaques 2 comportant des rangées parallèles de types 22 et 23 de perforations allongées 9 et 10 respectivement, lesdites rangées étant entre elles à même distance que les rangées 21 sur les plaques 1, lesdites perforations 9 et 10 étant de même dimension que les perforations 6 des plaques 1 et régulièrement espacées le long desdites rangées de types 22 et 23 respectivement, l'écart entre les extrémités les plus proches de deux perforations 9, ou de deux perforations 10, voisines sur une même rangée 22 ou 23 étant inférieur à la longueur desdites perforations 9 et 10, les extrémités desdites perforations 9 et 10 étant en outre d'une rangée 22 à une rangée 23 décalées en quinconce, les joints intercalés entre deux plaques consécutives quelconques 1 et 2 étant constitués chacun d'un ensemble de bandes 7 en graphite expansé, lesdites bandes 7 correspondant aux intervalles de séparation 8, entre les rangées voisines 21 des plaques 1 et entre les rangées voisines 22 et 23 des plaques 2 et dont la largeur est au plus égale à la distance séparant les bords les plus proches des perforations de deux rangées voisines et au moins égale au dixième de celle-ci.
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