ECHANGEUR DE CHALEUR A PLAQUES SOUDEES ET PROCEDE WELDED PLATE HEAT EXCHANGER AND METHOD
DE FABRICATION DE MODULES DE PLAQUES PERMETTANTFOR MANUFACTURING PLATE MODULES ALLOWING
L'OBTENTION DE TELS ECHANGEURSOBTAINING SUCH EXCHANGERS
La présente invention se rattache au secteur technique des échangeurs à plaques et de leurs différents constituants.The present invention relates to the technical sector of plate heat exchangers and their various constituents.
Les échangeurs de chaleur développés à ce jour peuvent être répertoriés dans deux grandes catégories, à savoir : les échangeurs tubulaires et les échangeurs à plaques avec joints ou soudés.The heat exchangers developed to date can be classified into two main categories, namely: tubular exchangers and plate exchangers with joints or welded.
Ces différents échangeurs sont exploités par plusieurs , constructeurs. Ces exploitations sont satisfaisantes, bien que présentant, dans tous les cas, un certain nombre d'inconvénients non négligeables qui en limitent leurs performances et leur fiabilité.These different exchangers are operated by several manufacturers. These operations are satisfactory, although in all cases presenting a certain number of non-negligible drawbacks which limit their performance and their reliability.
- Les échangeurs tubulaires ont l'inconvénient d'être peu performants et exigent des ...grandes surfaces d'échange .:par le fait de leur coefficient d'échange. Ils sont lourds, volumineux et coûteux.- Tubular exchangers have the disadvantage of being inefficient and require ... large exchange surfaces: due to their exchange coefficient. They are heavy, bulky and expensive.
Les échangeurs à plaques avec joints sont constitués par un empilement d'un nombre approprié de plaques profilées et nervurées qui sont serrées entre deux bâtis au moyen de tirants. Ces plaques possèdent dans leurs angles des ouvertures qui délimitent, dans l'empilement, des passages d'entrée et de sortie pour les fluides. L'alternance de ces derniers dans les espaces successifs définis entre les plaques est obtenue par l'utilisation de joints de profil et formes appropriés. Ces échangeurs présentent de bonnes performances thermiques avec un faible encombrement, mais leur fiabilité est limitée par la tenue des joints : à la
nature, à la température et à la pression du produit à véhiculer ; de plus d'autres facteurs, tel le vieillissement ou autres sont susceptibles d'agir sur ces joints. Les échangeurs à plaques soudées reprennent les avantages des échangeurs à plaques avec joints, pour un coût plus élevé tout en supprimant les inconvénients de ceux-ci. Ils ont néanmoins plusieurs inconvénients qui leur sont propres- et proviennent de leur mode d'élaboration et conception, ces inconvénients sont admis et reconnus par les constructeurs.Plate exchangers with seals consist of a stack of an appropriate number of profiled and ribbed plates which are clamped between two frames by means of tie rods. These plates have in their corners openings which delimit, in the stack, inlet and outlet passages for fluids. The alternation of the latter in the successive spaces defined between the plates is obtained by the use of profile joints and suitable shapes. These exchangers have good thermal performance with a small footprint, but their reliability is limited by the strength of the seals: nature, temperature and pressure of the product to be conveyed; moreover other factors, such as aging or others are likely to act on these joints. Welded plate heat exchangers take up the advantages of plate heat exchangers with seals, at a higher cost while eliminating the disadvantages of these. They nevertheless have several disadvantages of their own - and stem from their method of development and design, these disadvantages are recognized and recognized by the manufacturers.
Un premier inconvénient réside dans le fait que les plaques sont réalisées par emboutissage, ce qui donne des contraintes ou tensions résiduelles suite au mode d'obtention pour obtenir le profil des plaques.A first drawback lies in the fact that the plates are produced by stamping, which gives residual stresses or tensions following the method of obtaining to obtain the profile of the plates.
Un deuxième inconvénient réside dans 1'apparition d'anfractuosités qui sont constatées, d'une part, au niveau du raccordement des plaques entre elles constituant le faisceau et, d'autre part, des boîtes collectrices des fluides avec ce faisceau.A second drawback lies in the appearance of crevices which are observed, on the one hand, at the level of the connection of the plates between them constituting the bundle and, on the other hand, of the manifolds for fluids with this bundle.
On a ainsi représenté, de manière schématique, aux figures 1 et 2 des dessins ; le profil des plaques soudées (1 - 2) selon la technique antérieure avec la zone de soudure (3) source d'anfractuosités. On a également représenté à la figure 3 la déformation obtenue par la pression. On constate que celle-ci dans l'échangeur accentue les anfractuosités (4) inhérentes au mode de fabrication utilisé, d'abord on forme, puis on soude, et facilite ainsi la stagnation de produits tels que les chlorures de l'eau. Par conséquent, il y a stagnation et concentration de ces derniers dans ces anfractuosités, puis corrosion pouvant engendrer à terme la destruction des appareils en acier inoxydable.
Un troisième inconvénient des échangeurs à plaques réside dans les contraintes de dilatation.There is thus shown schematically in Figures 1 and 2 of the drawings; the profile of the welded plates (1 - 2) according to the prior art with the weld zone (3) source of crevices. FIG. 3 also shows the deformation obtained by pressure. It is noted that this in the exchanger accentuates the crevices (4) inherent in the manufacturing method used, first it is formed, then it is welded, and thus facilitates the stagnation of products such as chlorides in water. Consequently, there is stagnation and concentration of the latter in these crevices, then corrosion which may ultimately lead to the destruction of stainless steel appliances. A third drawback of plate heat exchangers lies in the expansion constraints.
En effet, dans les appareils parallélépipédiques ou cubiques où le faisceau constitué de plaques liées deux à deux par soudure et ensuite empilées verticalement, la résistance à la pression de l'appareil est constitué par un bâti ou boîte muni de porte, le faisceau se trouve à ses extrémités haute et basse à des températures très différentes ; ainsi, le bâti est lui aussi soumis à des températures homothétiques au faisceau mais différentes du fait de son épaisseur. Du fait des différences de température, les plaques se dilatent toutes différemment, et le bâti ou boîte se trouve déformé progressivement en donnant un, aspect troncopyra idal. Donc, le faisceau est sous tension par suite de ces différences de températures, ce qui entraîne des contraintes supplémentaires à celles inhérentes au mode de fabrication (emboutissage) . Dans le cas où l'appareil parallélépipédique est un faisceau autorésistant et que seulement deux plaques externes épaisses forment bâti en reprenant les efforts de pression, la conception du faisceau qui présente deux parois externes, qui font partie intégrante des deux chambres autorésistantes d'extrémité, et qui elles ne participent pas complètement à la surface d'échange, sont donc à des températures différentes de toutes les autres plaques constituant le faisceau, "car en aucun cas les points de contact sont suffisants pour assurer une homogénéité des températures entre les parois constituant ces chambres d'extrémité, le coefficient de transfert de chaleur par convection étant généralement supérieur à celui par conduction", donc contraintes importantes dans ces deux chambres d'extrémités. Au niveau du raccordement par soudage de celles-ci
avec les autres chambres et les boîtes collectrices, ces contraintes peuvent engendrer des bris ou fuitesIndeed, in rectangular or cubic devices where the bundle consisting of plates linked two by two by welding and then stacked vertically, the pressure resistance of the device is constituted by a frame or box provided with a door, the bundle is at its upper and lower ends at very different temperatures; thus, the frame is also subjected to beam-like temperatures but different due to its thickness. Due to temperature differences, the plates all expand differently, and the frame or box is gradually deformed giving an ideal troncopyra appearance. Therefore, the beam is energized as a result of these temperature differences, which causes additional constraints to those inherent in the manufacturing method (stamping). In the case where the parallelepipedic device is a self-resisting beam and only two thick external plates form a structure taking up the pressure forces, the design of the beam which has two external walls, which are an integral part of the two self-resisting end chambers, and which they do not fully participate in the exchange surface, are therefore at temperatures different from all the other plates constituting the bundle, "because in no case are the contact points sufficient to ensure temperature uniformity between the walls constituting these end chambers, the coefficient of heat transfer by convection being generally higher than that by conduction ", therefore significant constraints in these two end chambers. At the connection by welding them with the other chambers and manifolds, these constraints can cause breakage or leakage
Un quatrième inconvénient des échangeurs à plaques soudées réside dans le fait qu'ils ne sont pas radiographables à 100 %. Il existe des parties d'accès impossibles à contrôler, notamment au niveau de l'assemblage du faisceau de plaques sur le bâti, ces zones étant inaccessibles aux moyens actuels de contrôle.A fourth drawback of heat exchangers with welded plates lies in the fact that they are not 100% radiographable. There are access parts which are impossible to control, in particular as regards the assembly of the plate bundle on the frame, these areas being inaccessible to current means of control.
Le but recherché selon la présente invention était donc de remédier aux inconvénients constatés des échangeurs tubulaires et des échangeurs à plaques soudées.The aim sought after according to the present invention was therefore to remedy the drawbacks noted of tubular exchangers and exchangers with welded plates.
En l'occurence, le but est de concevoir un échangeur ayant les performances des échangeurs à. plaques soudées, avec la même compacité, et offrant la fiabilité de l'échangeur tubulaire.In this case, the goal is to design a heat exchanger having the performance of heat exchangers. welded plates, with the same compactness, and offering the reliability of the tubular exchanger.
Un autre but est de coïicevoir un échangeur qui n'engendre pas des contraintes par suite de sa méthode de fabrication.Another object is to coïicevoir an exchanger which does not generate constraints as a result of its manufacturing method.
Un autre but est de concevoir un échangeur qui peut être radiographé en totalité avec une accessibilité totale pour contrôle.Another aim is to design an exchanger which can be entirely radiographed with total accessibility for inspection.
Un autre but est de concevoir un échangeur supprimant toutes zones d ' anfractuosités entre ses plaques ou entre les plaques et le bâti.Another object is to design an exchanger eliminating all zones of crevices between its plates or between the plates and the frame.
Un autre but est de concevoir un échangeur offrant une grande facilité de nettoyage sur l'un de ses circuits, et supportant par ailleurs, sans difficulté particulière, des pressions importantes.
Ces buts et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description.Another object is to design an exchanger offering great ease of cleaning on one of its circuits, and also supporting, without particular difficulty, significant pressures. These and other objects will become apparent from the following description.
Selon une première caractéristique, l' échangeur de chaleur à plaques soudées, est remarquable en ce qu'il comprend et reçoit notamment un faisceau de plusieurs modules constitué de deux plaques, lesdites plaques étant reliées entre elles par des zones de liaison obtenues par soudage au laser et étant mises en forme par hydroformage, lesdites plaques présentant leurs extrémités transversales rabattues et débouchantes en définissant entre elles une cavité intérieure longitudinale constitutive d'un premier conduit de circulation d'un fluide A, lesdits modules étant associés entre eux par liaison des extrémités rabattues des plaques en regard en définissant ainsi dans un plan transversal un second circuit d'un fluide B.According to a first characteristic, the heat exchanger with welded plates, is remarkable in that it comprises and in particular receives a bundle of several modules consisting of two plates, said plates being connected together by connection zones obtained by welding with laser and being shaped by hydroforming, said plates having their transverse ends folded down and emerging by defining between them a longitudinal interior cavity constituting a first conduit for circulation of a fluid A, said modules being associated with one another by connection of the ends folded back facing plates thus defining in a transverse plane a second circuit of a fluid B.
Selon une autre caractéristique, on réalise différents modules de deux plaques pour constituer un faisceau de modules destiné à être inséré dans le corps d'un échangeur, le procédé consistant à réaliser chaque module à partir de deux plaques qui sont préalablement liées entre elles par des zones de liaison définies le long de leur périphérie et en certains points intérieurs, dans une phase suivante à mettre en forme les deux plaques par hydroformage en définissant après mise en forme une cavité intérieure, dans une phase suivante à découper les extrémités transversales des plaques constitutives du module afin de définir un sens de circulation d'un premier fluide, puis de mettre en forme lesdites extrémités transversales des plaques de chaque module pour permettre après mise côte à côte des modules adjacents la liaison des extrémités des plaques entre elles pour constituer un second circuit de passage d'un
fluide .According to another characteristic, different modules of two plates are produced to constitute a bundle of modules intended to be inserted into the body of an exchanger, the method consisting in producing each module from two plates which are previously linked together by connecting zones defined along their periphery and at certain interior points, in a next phase to shape the two plates by hydroforming, after shaping an interior cavity, in a next phase to cut the transverse ends of the constituent plates of the module in order to define a direction of circulation of a first fluid, then to shape said transverse ends of the plates of each module to allow after placing side by side of the adjacent modules the connection of the ends of the plates together to constitute a second passage circuit of a fluid.
Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description.These characteristics and others will become apparent from the following description.
Pour fixer l'objet de l'invention illustré non li itativement aux figures des dessins où :To fix the object of the invention illustrated not li itatively to the figures of the drawings where:
Les figures 1, 2 et 3 sont des vues à caractère schématique illustrant les zones de liaison par soudure des échangeurs à plaques soudées, et mettant en valeur leurs anfractuosités.Figures 1, 2 and 3 are schematic views illustrating the bonding zones by welding of the welded plate heat exchangers, and highlighting their crevices.
La figure 4 est une vue à caractère schématique illustrant le principe du procédé de fabrication des plaques d'échangeur et de 1'échangeur constitué de telles plaques selon l'invention.Figure 4 is a schematic view illustrating the principle of the method of manufacturing the heat exchanger plates and the heat exchanger consisting of such plates according to the invention.
La figure 5 est une vue à caractère schématique montrant la formation de zones de liaison de deux plaques de 1'échangeur constituant un module.Figure 5 is a schematic view showing the formation of connecting zones of two plates of the exchanger constituting a module.
La figure 6 montre la mise en forme des deux plaques entre elles constituant un module, afin de définir un conduit de circulation de fluides.FIG. 6 shows the shaping of the two plates between them constituting a module, in order to define a fluid circulation conduit.
La figure 7 est une vue à caractère schématique montrant la mise en forme avec découpe transversale de l'une des extrémités du module. La figure 8 est une vue de face d'un module de plaques avant mise en forme de ses extrémités.Figure 7 is a schematic view showing the shaping with transverse cutting of one of the ends of the module. Figure 8 is a front view of a plate module before shaping its ends.
La figure 9 est une vue à caractère schématique du module selon la figure 7 avec retournement des extrémités des plaques en regard. La figure 10 est une vue illustrant l'assemblage de plusieurs modules de plaques entre eux.Figure 9 is a schematic view of the module according to Figure 7 with inversion of the ends of the facing plates. Figure 10 is a view illustrating the assembly of several plate modules together.
La figure 11 est une vue de dessus illustrant la liaison de deux modules entre eux.Figure 11 is a top view illustrating the connection of two modules together.
La figure 12 est une vue en coupe d'un échangeur agencé avec des modules de plaques selon l'invention.
La figure 13 est une vue en coupe transversale selon la ligne A-A de la figure 12.Figure 12 is a sectional view of an exchanger arranged with plate modules according to the invention. FIG. 13 is a cross-sectional view along the line AA in FIG. 12.
La figure 14 est une vue extérieure d'un échangeur à plaques selon l'invention.Figure 14 is an exterior view of a plate heat exchanger according to the invention.
Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative aux figures des dessins.In order to make the object of the invention more concrete, it is now described in a nonlimiting manner in the figures of the drawings.
Ainsi qu'il est apparu dans la description relative à l'art antérieur pour les échangeurs à plaques, la technique connue consistait dans son principe à mettre en forme les plaques de 1 'échangeur puis à effectuer leur soudage dans des zones appropriées. L'originalité de l'invention réside dans le fait que les plaques (5 - 6) qui sont susceptibles d'être intégrées dans l'échangeur sont liées entre elles préalablement pour définir un module (M) , puis ensuite on procède à leur mise en forme afin de définir des canaux de circulation des fluides.As it appeared in the description relating to the prior art for the plate exchangers, the known technique consisted in principle in shaping the plates of the exchanger and then carrying out their welding in appropriate zones. The originality of the invention lies in the fact that the plates (5 - 6) which are capable of being integrated into the exchanger are linked together beforehand to define a module (M), then then they are put in place shaped to define fluid circulation channels.
En se rapportant aux figures 4 à 11 des dessins, le procédé d-e fabrication des plaques d'échange et de l' échangeur constitué de celles-ci consiste dans les phases suivantes : On réalise des plaques (5 - 6) de section rectangulaire de dimensions appropriées et en matériau métallique.Referring to FIGS. 4 to 11 of the drawings, the process for manufacturing the exchange plates and the exchanger made up of these consists of the following phases: Plates (5 - 6) of rectangular section of dimensions are produced suitable and made of metallic material.
On procède à la superposition de deux plaques entre elles . La phase suivante consiste à assurer des zones de liaison (7) entre les deux plaques dans une configuration judicieusement étudiée pour répondre à un profil de plaque tenant compte des problèmes thermiques, hydrauliques et de résistance à la pression, lesdites zones définissant des lignes de liaison (7.1) , ou points
(7.2) de liaison des plaques entre elles. Ces liaisons sont obtenues par l'exécution d'un soudage de formes appropriées à l'aide d'un faisceau laser qui permet ainsi un assemblage des plaques entre elles en supprimant toute matière rapportée pour assurer leur fixation.We proceed to the superposition of two plates between them. The next phase consists in ensuring connection zones (7) between the two plates in a configuration judiciously studied to respond to a plate profile taking into account thermal, hydraulic and pressure resistance problems, said zones defining connection lines. (7.1), or points (7.2) connecting the plates together. These connections are obtained by performing a welding of appropriate shapes using a laser beam which thus allows the plates to be assembled together while removing any added material to ensure their fixing.
Lorsque les différentes zones de liaison suivant la configuration appropriée, sont effectuées, on procède à une liaison sur la totalité de la périphérie des deux plaques et du talon (8) débordant constituant un module, qui devient étanche en ayant préalablement introduit un opuscule (9) qui permettra l'entrée du fluide de formage (figure 5) .When the various connection zones according to the appropriate configuration, are carried out, a connection is made over the entire periphery of the two plates and of the protruding heel (8) constituting a module, which becomes watertight by having previously introduced a leaflet (9 ) which will allow the entry of the forming fluid (Figure 5).
La phase suivante consiste à introduire, par l'opuscule, un fluide sous pression (air, huile, eau, etc..) susceptible de provoquer par hydroformage, la déformation des plaques entre elles qui restent maintenues et liées par les soudures laser sur leur périphérie et aux différents endroits appropriés.The next phase consists in introducing, by the brochure, a pressurized fluid (air, oil, water, etc.) capable of causing, by hydroforming, the deformation of the plates between them which remain maintained and linked by laser welds on their periphery and in different appropriate places.
On obtient ainsi une configuration des plaques illustrée par les figures 4 et 6.This gives a configuration of the plates illustrated in FIGS. 4 and 6.
La phase suivante (figure 7) consiste alors à enlever et-r- détacher le talon (8) contenant l'opuscule (9), en récupérant celui-ci, d'une part, et, d'autre part, (figure 8) à couper chacune des extrémités transversales des plaques suivant une découpe adaptée qui permet ensuite l'obtention d'un profil circulaire en forme d'un secteur C que l'on voit figure 10 puis séparer les deux plaques aux quatre coins.The next phase (figure 7) then consists in removing and-r- detaching the heel (8) containing the booklet (9), by recovering it, on the one hand, and, on the other hand, (figure 8 ) to cut each of the transverse ends of the plates according to a suitable cut which then makes it possible to obtain a circular profile in the form of a sector C which can be seen in FIG. 10, then separate the two plates at the four corners.
La phase suivante illustrée figure 9 consiste à plier les deux extrémités (5.2 - 6.2) des plaques (5 - 6) constitutives du module jusqu'à une position horizontale sensiblement en équerre par rapport au plan longitudinal des plaques. On fait ainsi apparaître des bandes transversales qui, après arasage des bords (5.3 6 6.3), permettront l'assemblage des modules (M) entre eux, au
moyen de soudures bout à bout, ainsi qu'il apparaît figure 10. On détermine ainsi le second circuit de passage du fluide de l'échangeur référencé par la lettreThe next phase illustrated in FIG. 9 consists in folding the two ends (5.2 - 6.2) of the plates (5 - 6) constituting the module to a horizontal position substantially square with respect to the longitudinal plane of the plates. This shows transverse bands which, after leveling the edges (5.3 6 6.3), will allow the modules (M) to be assembled together, at butt welds, as shown in Figure 10. This determines the second circuit for the passage of the exchanger fluid referenced by the letter
(B) , alors que le premier circuit défini par les modules est référencé par (A) .(B), while the first circuit defined by the modules is referenced by (A).
D'une manière particulièrement avantageuse, ainsi qu'il apparaît aux figures 10, 11 et suivantes, le faisceau constitué par les différents modules (M) de plaques (5 - 6) est introduit dans l' échangeur (E) de forme cylindrique. A cet effet, la mise en forme illustrée figure 8 des découpes (5.1 - 6.1) aux extrémités transversales des modules est telle que lors de l'assemblage des différents modules entre eux, on obtient par la juxtaposition de l'ensemble des secteursIn a particularly advantageous manner, as it appears in FIGS. 10, 11 and following, the bundle constituted by the various modules (M) of plates (5 - 6) is introduced into the exchanger (E) of cylindrical shape. To this end, the formatting illustrated in FIG. 8 of the cutouts (5.1 - 6.1) at the transverse ends of the modules is such that when the various modules are assembled together, the juxtaposition of all the sectors is obtained
(C) , une couronne circulaire (Cl) correspondant au profil intérieur de l' échangeur.(C), a circular crown (Cl) corresponding to the internal profile of the exchanger.
On a représenté aux figures 12, 13 et 14, l'introduction de différents modules (M) de plaques objet de l'invention à l'intérieur d'un échangeur. Ce dernier comprend un corps (11) longitudinal de... grande longueur, en tous matériaux soudables, en une ou plusieurs parties, susceptible d'être maintenu en position par rapport à des plans d'appui, par couronne de bridage (15) ou autre. A chacune de ses extrémités, le corps reçoit des chapeauxThere is shown in Figures 12, 13 and 14, the introduction of different modules (M) of plates object of the invention inside a heat exchanger. The latter comprises a longitudinal body (11) of ... great length, made of all weldable materials, in one or more parts, capable of being held in position relative to support planes, by clamping ring (15) Or other. At each of its ends, the body receives hats
(12 - 13) préformés définissant deux chambres intérieures(12 - 13) preformed defining two interior chambers
(12.1 - 12.2 - 13.1 - 13.2) séparées pour le passage des deux fluides (A et B) séparément. Le fluide (A) traverse longitudinalement 1 ' échangeur à travers les conduits formés sur les chapeaux et traversant longitudinalement les différents modules. Le fluide (B) est collecté par des embouts (14) le dirigeant ensuite dans la chambre intérieure périphérique des deux .chapeaux en traversant, dans un plan transversal puis longitudinalement-, les différents modules dans le plan indiqué selon la figure
10, les deux circuits étant parfaitement à contre- courant.(12.1 - 12.2 - 13.1 - 13.2) separated for the passage of the two fluids (A and B) separately. The fluid (A) crosses the heat exchanger longitudinally through the conduits formed on the caps and passing longitudinally through the various modules. The fluid (B) is collected by nozzles (14) then directing it into the peripheral inner chamber of the two caps by crossing, in a transverse plane then longitudinally, the different modules in the plane indicated according to the figure 10, the two circuits being perfectly against the current.
Les avantages ressortent bien de l'invention et en particulier on souligne la nouvelle conception deThe advantages emerge clearly from the invention and in particular the new concept of
1*échangeur qui combine l'ensemble des avantages des échangeurs tubulaires et échangeurs à plaques soudées connus de l'art antérieur. Il répond également aux différents buts recherchés, tels que rappelés à l'origine de l'invention.1 * exchanger which combines all the advantages of tubular exchangers and welded plate exchangers known from the prior art. It also meets the various aims sought, as recalled at the origin of the invention.
Cet échangeur trouve de très nombreuses applications telles que non limitativement en pétrochimie.
This exchanger finds many applications such as, but not limited to, petrochemicals.