EP0403353B1

EP0403353B1 - Echangeur de chaleur formé de plaques ondulées et superposées

Info

Publication number: EP0403353B1
Application number: EP19900401594
Authority: EP
Inventors: Jean-Michel Grillot; Patrick Hugonnot; Rolland Vidil
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1989-06-12
Filing date: 1990-06-11
Publication date: 1993-12-15
Anticipated expiration: 2010-06-11
Also published as: DK0403353T3; FR2648220B1; FR2648220A1; DE69005204T2; DE69005204D1; EP0403353A1

Description

L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur formé de plaques ondulées et superposées. Selon le préambule de la revendication 1. Un tel échangeur est connu par le GB-A-2 025 026.
Le brevet GB-A-5 51 167, ainsi que le brevet FR-A-1 325 843, décrit un échangeur de chaleur formé de plaques superposées à facettes de deux longueurs différentes, mais les lignes d'ondulation de plaques adjacentes sont à des angles de 0°. La disposition qui en résulte comporte des canaux où des passages étroits alternent brusquement avec des chambres à section sensiblement carrée où le fluide tourbillonne. Cet effet est contraire à celui de l'invention, où on cherche à obtenir un écoulement aussi régulier que possible avec des pertes de charge réduites. La combinaison des plaques dissymétriques et des angles de 600 à 180° a donc un résultat nouveau et imprévisible.
Quant au brevet GB-A-2 025 026, il concerne un échangeur où des angles des lignes d'ondulation sont souvent proches de 900 afin d'améliorer les transferts de chaleur en accroissant la turbulence de l'écoulement.
Ces plaques servent à délimiter des canaux contigus dans lesquels circulent de part et d'autre de chaque plaque le fluide à réchauffer et le fluide à refroidir. Les ondulations ont pour buts essentiels l'accroissement de la rigidité des plaques, le brassage des fluides par l'accroissement de la turbulence et l'augmentation de la surface d'échange thermique. Dans le cas le plus général, les plaques sont empilées les unes sur les autres et les lignes d'ondulation sont croisées. Les canaux sont donc de forme complexe avec des sections de forme variable le long de la direction de l'écoulement. Dans un cas particulier, les ondulations de toutes les plaques sont parallèles et les canaux ont alors une section de forme invariable perpendiculairement à la direction moyenne de l'écoulement et une forme d'ensemble à peu près sinusoïdale.
Normalement, dans les deux cas, les plaques sont identiques entre elles et obtenues par l'emboutissage de plaques planes pour former des facettes de longueurs égales à pentes de sens alternés de part et d'autre des lignes d'ondulation.
On observe cependant des échanges thermiques moins importants que ce qu'on pourrait espérer et par contre des résistances à l'écoulement assez importantes qui nécessitent d'augmenter la surpression à l'amont.
L'invention a pour objectif essentiel de réduire simultanément ces deux inconvénients au moyen d'un écoulement plus favorable du fluide dans les canaux.
On prévoit que, pour chaque plaque les facettes sont alternativement courtes et longues, et en ce que les lignes d'ondulation des plaques adjacentes forment des angles compris entre 60° et 180° les angles de 0° correspondant à un état où les facettes courtes de toutes les plaques sont orientées dans une même direction et en ce que les facettes longues ont des projections respectives sur un plan moyen des plaques entre 1,5 et 2,5 fois plus longues que les projections des facettes courtes.
Deux réalisations importantes sont definies par les revendications 2 et 3.
On va maintenant décrire l'invention plus en détail à l'aide des figures suivantes annexées à titre illustratif et non limitatif :

la figure 1 représente schématiquement un échangeur de chaleur selon l'art antérieur, dans lequel les lignes d'ondulation de toutes les plaques sont parallèles ;
la figure 2 représente un schéma d'écoulement obtenu dans un tel échangeur de chaleur ;
la figure 3 représente, en vue analogue à celle de la figure 1, les plaques d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; et
la figure 4 représente la disposition des plaques dans un autre échangeur de chaleur conforme à l'invention.

La figure 1 représente donc un échangeur de chaleur formé d'une superposition de plaques identiques 1 dont la forme ressemble à une sinusoïde et qui ont été obtenues par des emboutissages suivant des lignes d'ondulation parallèles 2 à la jonction de facettes désignées alternativement par 3 et 4.
Les plaques 1 servent à séparer des canaux 5 dont certains débouchent sur un premier distributeur 6 à l'amont et sur un premier collecteur 7 à l'aval et les autres débouchent à l'amont sur un second distributeur 8 et à l'aval sur un second collecteur 9. Les premiers canaux 5 sont parcourus par un fluide à réchauffer et les seconds par un fluide à refroidir ; les premiers et les seconds canaux 5 alternent le long de la hauteur de l'échangeur de sorte que chaque plaque 1, à l'exception de celles aux extrémités, correspond à une surface d'échange thermique entre les deux fluides. Dans le cas présent, on a représenté des écoulements à courants croisés dans lesquels le premier fluide circule vers la droite et le second fluide vers la gauche.
Les canaux 5 peuvent être rendus étanches sur leurs faces latérales par des joints d'étanchéité et maintenus à un écartement déterminé par des espaceurs. On ne s'étendra toutefois pas sur ces détails technologiques bien connus.
Les facettes 3 et 4 sont symétriques par rapport aux lignes d'ondulation 2, ont une longueur l₃ ou l₄ identique en projection sur l'axe E correspondant à la direction moyenne de l'écoulement des deux fluides et ne diffèrent que par le sens de leur pente le long de l'axe E.
Considérons un canal 5 délimité par une plaque supérieure 1a et une plaque inférieure 1b comme représenté figure 2. Quoique la section du canal 5 soit uniforme sur toute sa longueur, le fluide ne peut suivre les ondulations des plaques 1a et 1b et des inégalités d'écoulement apparaissent : les facettes orientées à l'intérieur du canal vers l'arrière de l'écoulement, c'est-à-dire les facettes 3 de la plaque inférieure 1b et les facettes 4 de la plaque supérieure 1a, correspondent à des facettes constituant un obstacle pour le fluide alors que les autres facettes, orientées vers l'avant, ne peuvent exercer cette fonction et sont donc baignées par un fluide dont la vitesse d'écoulement est très faible ou même localement opposée au sens d'écoulement moyen dans le canal 5. Il en résulte des pertes d'énergie importantes par frottement et des échanges thermiques amoindris à cause de ces zones à faible vitesse 10 qui, comme le montre la figure 2, s'étendent le long de la totalité des facettes orientées vers l'avant et même d'une partie arrière des facettes orientées vers l'arrière, et ceci quel que soit le nombre de Reynolds de l'écoulement.
On se reporte maintenant à la figure 3 qui représente une réalisation de l'invention. Les plaques y sont désignées par 11 et sont, comme dans l'art antérieur, produites par emboutissage d'une plaque plane de manière à créer des ondulations. Leurs facettes, désignées ici par 13 et 14, sont dissymétriques : la longueur projetée l₁₃ des facettes 13 sur un des plans parallèles P₁ ou P₂ qui contiennent les lignes d'ondulation 12 et entre lesquelles les plaques 11 s'étendent donc, ou sur un plan moyen des plaques P₃ parallèle aux précédents, est deux fois plus importante que la longueur l₁₄ des autres facettes 14. On va donc appeler désormais les facettes 13 facettes longues et les facettes 14 facettes courtes.
Les facettes 13 et 14 alternent sur les plaques 11 de sorte que pour chaque plaque 11 les facettes longues 13 sont parallèles entre elles, de même que les facettes courtes 14, et, pour constituer l'échangeur de chaleur, les plaques 11 superposées sont orientées de sorte que les lignes d'ondulation 12 de plaques 11 adjacentes forment des angles compris entre 60° et 180° (l'angle de 0° correspondant à des facettes de même espèce orientées dans le même sens sur des plaques voisines).
La figure 4 représente un cas général et montre deux plaques 11a et 11b superposées et dont les lignes d'ondulation 12 à la jonction des facettes 13 et 14 sont respectivement orientées suivant les directions Da et Db formant un angle d'orientation α. Les autres plaques de l'échangeur de chaleur, qui ne sont pas représentées, ont des lignes d'ondulation alternativement orientées suivant Da et Db.
Les plaques sont empilées les unes sur les autres en des points de contact 19 à l'intersection de lignes d'ondulation 12 croisées.
La configuration représentée sur la figure 3 correspond à un angle d'orientation de 180°, pour lequel les lignes d'ondulation 12 de toutes les plaques 11 sont parallèles, mais où les facettes longues 13 de chaque plaque 11 sont orientées dans la même direction que les facettes courtes 14 des plaques 11 voisines, aux différences d'inclinaison près. Pour le canal 15a délimité par les plaques 11c et 11d, les facettes longues 13 ont une normale intérieure vers l'avant (dans la direction de l'écoulement, à droite sur la figure) et les facettes courtes 14 une normale intérieure vers l'arrière. De plus, les facettes courtes 14 se projettent perpendiculairement à un des plans P₁, P₂ ou P₃ au centre d'une facette longue 13 de la plaque 11 adjacente. On peut donc distinguer pour toute facette longue 13 une zone centrale de longueur l₁₄ qui fait face à une facette courte 14 de la plaque 11 adjacente et deux portions d'extrémité ayant chacune une longueur l₁₅, faisant face à l'extrémité d'une facette longue 13 de la plaque adjacente. Dans le cas présent, où l₁₃ = 2.l₁₄, l₁₅ = $\frac{l₁₄}{2}$
. Les angles d'inclinaison des facettes longues 13 et courtes 14 par rapport aux plans P₁, P₂ ou P₃ sont respectivement de 18° et 36°. De bons résultats ont été plus généralement obtenus pour 1,5 ≦ $\frac{l₁₃}{l₁₄}$
≦ 2,5, 0,11 ≦ $\frac{x_{D}}{l₁₃+l₁₄}$
≦ 0,26, et 0,14 ≦ $\frac{a}{l₁₃+l₁₄}$
≦ 0,26, où x_D désigne la distance projetée sur le plan P₃ entre une ondulation 12 d'une plaque 11 ayant une facette courte 14 immédiatement en amont et l'ondulation 12 immédiatement en aval, et ayant une facette longue 13 immédiatement en amont, d'une plaque 11 voisine ; a désigne la distance, perpendiculairement au plan P₃, entre deux ondulations 12 consécutives d'une même plaque 11.
Avec de telles configurations, les performances hydrauliques et thermiques de l'échangeur de chaleur sont meilleures pour des nombres de Reynolds compris entre 50 et 15 000 car l'inclinaison des facettes orientées vers l'avant de l'écoulement à l'intérieur des canaux 15 est moins grande. Il en résulte que les zones à faible vitesse de fluide sont d'extension réduite car le fluide est mieux guidé. Si l'on compare avec la figure 1, on constate que les zones 10 sont désormais morcelées chacune en deux zones désignées par 17 et 18, dont le volume total est beaucoup plus réduit et qui s'étendent respectivement à l'arrière des facettes longues 13 et à l'avant de ces mêmes facettes, en empiétant pour ces dernières sur l'arrière des facettes orientées vers l'arrière comme précédemment. Les facettes longues 13 sont désormais baignées sur une longueur médiane importante l₁₆ par du fluide à vitesse non négligeable, ce qui contribue à accroître les échanges thermiques entre canaux 15 adjacents et à réduire les pertes par frottement.
Ces avantages sont également obtenus avec les canaux de forme plus compliquée obtenus avec l'agencement de la figure 4.
La conception de l'invention est particulièrement avantageuse dans le cas où les écoulements des fluides sont à courants croisés, car alors pour chaque canal 15 les facettes donnant vers l'avant sont les facettes longues et on retrouve les avantages signalés.
Dans le cas de la figure 3, on a obtenu un coefficient de frottement plusieurs fois inférieur au coefficient de frottement qui aurait été obtenu avec une configuration conforme à la figure 1, les pas de périodicité des plaques étant identiques, et ceci quelle que soit la vitesse de l'écoulement.

Claims

Echangeur de chaleur formé de plaques (11) ondulées et superposées de manière à séparer des canaux (15) de circulation de fluide entre des plaques adjacentes, les plaques étant identiques, parallèles et constituées de facettes à pentes de sens alternés accolées suivant des droites d'ondulation (12), caractérisé en ce que, les facettes (13, 14) sont alternativement courtes et longues, en ce que les lignes d'ondulation des plaques adjacentes forment des angles (α) compris entre 60° et 180°, les angles de 0° correspondant à un état où les facettes courtes de toutes les plaques sont orientées dans une même direction et en ce que les facettes longues ont des projections respectives (l₁₃) sur un plan moyen (P3) des plaques, entre 1,5 et 2,5 fois plus longues que les projections (l₁₄) des facettes plus courtes.
Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les lignes d'ondulation des plaques adjacentes forment des angles égaux à 180°, et en ce que le rapport des projections, sur un plan moyen d'une plaque, de la distance (x_D) entre des ondulations (12) appartenant à des plaques voisines, l'ondulation la plus en amont étant limitée vers l'amont par une facette courte (14) et l'ondulation la plus en aval étant limitée vers l'amont par une facette longue (13), et de la somme des longueurs (l₁₃+l₁₄) d'une facette longue et d'une facette courte, est compris entre 0,11 et 0,26.
Echangeur de chaleur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les lignes d'ondulation des plaques adjacentes forment des angles égaux à 180°, et en ce que le rapport de la projection perpendiculairement à un plan moyen d'une plaque, de la distance (a) entre deux ondulations successives de la même plaque, et de la projection, sur un plan moyen d'une plaque, de la somme des longueurs (l₁₃+l₁₄) d'une facette longue et d'une facette courte, est compris entre 0,14 et 0,26.
Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les fluides s'écoulent, de part et d'autre des plaques, suivant des courants croisés.