EP3728979A1 - Element intercalaire a texturation de surface, echangeur de chaleur comprenant un tel element - Google Patents

Element intercalaire a texturation de surface, echangeur de chaleur comprenant un tel element

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EP3728979A1
EP3728979A1 EP18839835.8A EP18839835A EP3728979A1 EP 3728979 A1 EP3728979 A1 EP 3728979A1 EP 18839835 A EP18839835 A EP 18839835A EP 3728979 A1 EP3728979 A1 EP 3728979A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plate
pair
wave
surface texturing
oriented
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18839835.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Richet
Frédéric Crayssac
Hakim Maazaoui
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP3728979A1 publication Critical patent/EP3728979A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0062—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • F28F13/187—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings especially adapted for evaporator surfaces or condenser surfaces, e.g. with nucleation sites
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2215/00—Fins
    • F28F2215/10—Secondary fins, e.g. projections or recesses on main fins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/04—Fastening; Joining by brazing

Definitions

  • the present invention relates to a surface-textured spacer element for a heat exchanger, and to a plate-and-fin type heat exchanger comprising such an element.
  • the present invention finds particular application in the field of gas separation by cryogenics, in particular the separation of air by cryogenics (known by the acronym "ASU" for air separation unit) exploited for the production of oxygen gas under pressure.
  • ASU air separation unit
  • the present invention can be applied to a heat exchanger which vaporizes a liquid flow, for example liquid oxygen, nitrogen and / or argon by heat exchange with a caloric gas, by example air or nitrogen.
  • the heat exchanger is in the tank of a distillation column, it can constitute a vaporizer operating as a thermosiphon for which the exchanger is immersed in a bath of liquid descending the column or a vaporizer operating in vaporization with a film fed directly by the liquid falling from the column and / or by a recirculation pump.
  • the present invention can also be applied to a heat exchanger which vaporises at least one liquid-gas mixture flow rate, in particular a multi-component mixing flow rate, for example a mixture of hydrocarbons, by heat exchange with at least one another fluid, for example natural gas.
  • a heat exchanger which vaporises at least one liquid-gas mixture flow rate, in particular a multi-component mixing flow rate, for example a mixture of hydrocarbons, by heat exchange with at least one another fluid, for example natural gas.
  • the technology commonly used for a heat exchanger is that of plate and finned aluminum exchangers or brazed waves, which allow to obtain very compact devices with a large exchange surface.
  • exchangers comprise separating plates between which are inserted heat exchange structures, generally corrugated structures or waves, formed of a succession of fins or wave legs, thus constituting a stack of passages for the different fluids to be put in heat exchange relationship.
  • the performance of an exchanger is related to the heat exchange coefficient of the heat exchange structures in contact with the fluids.
  • the heat exchange coefficient of a structure depends in particular on the nature of the material constituting it, the porosity of this material, its roughness and the flow regime of the fluids.
  • documents DE 10 2012 204 178 B3 or US 2012/002451 1 A1 disclose corrugated exchange structures with deformations in the form of bosses.
  • EP 0 764 488 A1 discloses a sintered metal heat exchange structure.
  • porous or textured surface coatings can be made, forming reliefs on the surface of the structures, or creating such surface conditions by mechanical treatments or by etching.
  • WO-A-2005/075920 discloses various techniques for deposition of porous coatings or texturing on the surface of a wave for a heat exchanger.
  • brazed aluminum heat exchanger the constituent elements of the exchanger are bonded together by brazing with the use of a filler metal, called solder or brazing agent, the assembly being obtained by melting and diffusion of the brazing agent into the parts to be brazed, without melting them.
  • Another possibility is to effect the texturing of the heat exchange structures after brazing these structures in the exchanger.
  • WO-A-2004/10921 1 discloses a method of depositing a porous coating on the surface of a separator plate of a heat exchanger. In this case, there is no heat exchange structure brazed between the plates.
  • the exchange structures also have a role of spacers. They contribute to the rigidity of the exchanger passages and to their compressive strength during vacuum brazing of the exchanger. It may then be necessary to arrange additional reinforcing bars in the passages and to double the thickness of the plates.
  • the present invention aims to solve all or part of the problems mentioned above, including facilitating the manufacture of a heat exchanger plate type and brazed fins having exchange structures with improved thermal properties.
  • the solution according to the invention is then an intermediate element for a plate and fin type heat exchanger brazed, intended to be mounted between a first plate and a second plate of the exchanger, said intermediate element comprising:
  • At least a first assembly portion configured to be assembled with the first plate and comprising a first pair of opposed surfaces, one of the surfaces of the first pair being oriented on the side of the first plate and the other of the surfaces of the first pair. the first pair being oriented on the side of the second plate when the intermediate element is in the mounted state,
  • At least one surface texturing in the form of a porous structure or of reliefs formed on a surface of the intermediate element, at least one fin or wave leg having said surface texturing,
  • the first assembly portion has said surface texturing on the surface of the first oriented pair, in the mounted state, on the side of the first plate.
  • the element of the invention may comprise one or more of the following technical characteristics:
  • the intermediate element comprises a solid or solid substrate, the surface texturing being formed or deposited on a surface of the substrate.
  • said fin or wave leg comprises a third pair of opposed surfaces, both of the surfaces of the third pair having said surface texturing.
  • the first assembly portion has the surface texturing on the surface of the first oriented pair, in the assembled state, on the side of the second plate.
  • the first assembly portion has the surface texturing on all or almost all of the surface of the first oriented pair, in the mounted state, on the side of the first plate.
  • the first assembly portion has the surface texturing on all or almost all of the surface of the first oriented pair, in the mounted state, on the side of the second plate.
  • the intermediate element comprises at least a second assembly portion configured to be assembled with the second plate and comprising a second pair of opposed surfaces, one of the surfaces of the second pair being oriented towards the first plate and other surfaces of the second pair being oriented on the side of the second plate when the intermediate member is in the mounted state, said second joining portion having the surface texturing on the surface of the second pair oriented, mounted state, on the side of the second plate.
  • the second assembly portion has the surface texturing on the surface of the second oriented pair, in the mounted state, on the side of the first plate.
  • the second assembly portion has the surface texturing on all or almost all of the surface of the second pair oriented, in the assembled state, on the side of the second plate.
  • the second assembly portion has the surface texturing on all or almost all of the surface of the second pair oriented, in the mounted state, on the side of the first plate.
  • the surface texturing is formed on all or almost all of the intermediate element.
  • the first assembly portion and / or the second assembly portion are arranged, in the mounted state, parallel to the first and second plates, the fins or wave legs succeeding one another in a lateral direction and delimiting, mounted state, a plurality of channels configured to channel the first fluid in a longitudinal direction parallel to the first and second plates and orthogonal to the lateral direction.
  • the surface texturing is in the form of a porous structure having an open porosity of between 15 and 60%, preferably open porosity between 20 and 45%,% by volume, or in the form of reliefs defining, in cross-section, cavities open on the surface of the intermediate element.
  • the intermediate element is in the form of a corrugated product comprising a succession of wave legs alternately connected by wave tops and wave bases, at least one wave vertex comprising said first portion of assembly and / or at least one wave base comprising said second assembly portion.
  • the wave legs 123 follow each other in a lateral direction, the corrugated product having a density, defined as the number of wave legs per unit length measured along the lateral direction, less than 18 legs per 2.54 centimeters, preferably less than 10 wavelength legs per 2.54 centimeters, more preferably less than or equal to 5 wavelength legs per 2.54 centimeters.
  • the corrugated product is formed from a flat product comprising two opposite faces, said opposite faces having all or almost all surface texturing.
  • the invention relates to a heat exchanger of the brazed plate and fin type comprising a plurality of plates arranged parallel to one another so as to define a series of passages for the flow of a first fluid to be connected to each other. heat exchange with at least one second fluid, and at least one intermediate element mounted between a first and a second plate forming a passage so as to delimit, within said passage, several channels for the flow of said first fluid, characterized in that the intermediate element is according to the invention.
  • Figure 1 illustrates an example of passage of a heat exchanger comprising a spacer element according to the invention
  • Figure 2 illustrates an example of assembly of a spacer element according to the invention assembled to an exchanger plate
  • Figures 3 and 4 illustrate a three-dimensional view and a cross-sectional view of a spacer element according to one embodiment of the invention
  • Figure 5 illustrates an embodiment of a spacer element assembled between two heat exchanger plates
  • Figure 6 illustrates a flat product adapted to form a spacer element according to one embodiment of the invention.
  • a heat exchanger comprises a stack of plates arranged parallel to one above the other with spacing and thus forming several series of parallelepipedal and flat shaped passages for the flow of a first fluid. and at least one second fluid to be in indirect heat exchange relationship via the plates.
  • the first fluid comprises a refrigerant to be vaporized at least partially.
  • Figure 1 schematically illustrates an example of passage 33 of a exchanger 1 of the evaporator-condenser type fed with liquid oxygen.
  • This vaporizer-condenser vaporizes the liquid oxygen OL under low pressure (typically slightly higher than the atmospheric pressure) collected at the bottom of a column, by medium pressure nitrogen condensation (typically from 5 to 6 bars absolute) circulating in passages adjacent passages 33 (not shown) dedicated to the circulation of oxygen.
  • the medium pressure nitrogen is most often taken in the gaseous state at the head of a medium pressure air distillation column to which the low pressure column mentioned above is connected. After passing and at least partial condensation in the vaporizer-condenser, this nitrogen is returned to the medium pressure column.
  • the exchanger 1 can vaporize at least one liquid-gas mixture flow rate, in particular a multi-component mixing flow rate, for example a hydrocarbon mixture, by heat exchange with at least one other fluid, for example natural gas.
  • the invention may relate to a method of heat exchange between a first fluid and at least a second fluid in a heat exchanger according to the invention, said first fluid flowing in the passage 33 at a lower pressure or equal to 5 bar, preferably a pressure of between 1 and 2 bar.
  • All or part of the passages 33 of the exchanger 1 are provided with spacers 22 defining, within the passages 33, channels 26 for the circulation of liquid oxygen and can take different forms.
  • the intermediate elements 22 may have corrugated shapes, as shown in FIGS. 3 and 4, and comprise wave legs 123 alternately connected by wave peaks 121 and wave bases 122. In this case, "Fins" the wave legs that connect the vertices and successive bases of the wave.
  • the spacer elements 22 may take on other particular shapes defined according to the desired fluid flow characteristics. More generally, the term “fins” covers blades or other heat exchange surfaces, which extend between the primary surfaces of heat exchange, that is to say the plates of the heat exchanger, in the passages of the exchanger.
  • the spacer elements 22 are soldered to the separator plates of the exchanger.
  • the bonding can be carried out by vacuum brazing using a filler metal 30, referred to as solder or brazing agent, the assembly being obtained by melting and diffusion of brazing agent 30 within the brazing parts. , that is to say in the base metal, without melting them.
  • Figure 2 is a partial view of an intermediate element 22 assembled to a first plate 6 adapted to define, in association with another second parallel plate 7 directly adjacent (not shown), a passage 33 of the exchanger 1.
  • the intermediate element 22 and the plate 6 respectively comprise assembly portions 121, 60 intended to be assembled with each other.
  • the assembly portions 121, 60 are positioned against each other, preferably with a small clearance between them in order to interpose therein the soldering agent. 30.
  • the assembly portions 121, 60 may be those where the clearance between the parts 22, 6 is the smallest, typically the portions at which the parts 22, 6 are in contact with each other or in quasi-contact, that is to say with a very weak game existing between all or part of said portions, one with the other.
  • the intermediate element 22 comprises a plurality of fins or wave legs 123 configured to define, when the element 22 is mounted between the first plate 6 and the second plate 7, a plurality channels 26 of flow of the first fluid.
  • the element 22 comprises at least a first assembly portion 121 configured to be assembled with the first plate 6 and comprising a first pair of opposed surfaces 121a, 121b, one 121a having surfaces of the first pair being oriented on the side of the first plate 6 and the other 121 b of the surfaces of the first pair being oriented on the side of the second plate 7 when the intermediate element 22 is in the mounted state.
  • the intermediate element 22 further comprises at least one surface texturing 23 in the form of a porous structure or reliefs formed on a surface of the intermediate element 22.
  • At least one surface texturing 23 is present on a surface of at least one fin or wavelength 123 of the intermediate element 22.
  • the intermediate element may have one or more predetermined forms of surface texturization distributed over different areas of its surface, it being understood that a surface texturing may be carried out as well in the surface of the material constituting the intermediate element as it is deposited therein; that is to say, result from an addition of additional material on the surface of the intermediate element.
  • said first assembly portion 121 has the surface texturing 23 on that 121 has surfaces of the first pair oriented on the side of the first plate 6.
  • the inventors of the present invention have demonstrated that for some applications, the brazing of surface texturizing insert elements could be achieved without particular preparation of the brazed portions and lead to satisfactory performance in terms of mechanical strength. This is the case especially when in operation, the channels 26 defined between the first and second parts 22, 6 channel a first fluid whose pressure is relatively low, typically less than or equal to 5 bar, preferably a pressure of between 1 and 2 bar, as is the case in the oxygen passages of the vaporizer-condenser previously described.
  • the manufacturing process is simplified since the surface texturing 23 can be formed or deposited on the surface of the intermediate element without requiring an additional step of masking or post-processing to eliminate the texturing of the surface. surface portions to assemble.
  • the texturing is formed on the parts before assembly, which preserves the integrity of the matrix of the exchanger.
  • the first assembly portion 121 has the surface texturing 23 on the surface 121b of the first pair oriented on the side of the second plate 7.
  • both of the surfaces 121a, 121b of the first pair have the surface texturing 23 on all or almost all of them.
  • the fins or legs 123 comprise a third pair of opposed surfaces 123a, 123b.
  • the first assembly portion 121 of the intermediate element 22 is arranged between two successive fins or legs 123, the surface 121b oriented on the side of the second plate 7 having two ends each connected to a secondary surface.
  • 123a of each of the two wings or legs 123 is arranged between two successive fins or legs 123, the surface 121b oriented on the side of the second plate 7 having two ends each connected to a secondary surface.
  • both surfaces 123a, 123b of the third pair have surface texturing 23, preferably all or substantially all of them.
  • two successive fins or legs 123 define between them a channel 26 whose wall formed by the first assembly portion, and the side walls, formed by the two fins 123, has internal surfaces with an exchange coefficient. improved thermal.
  • the intermediate element 22 has at least a second assembly portion 122 configured to be assembled with the second plate 7, said second assembly portion 122 comprising a second pair of opposed surfaces 122a, 122b, one 122a of the surfaces of the second pair being oriented on the side of the first plate 6 and the other 122b of the surfaces of the second pair being oriented on the side of the second plate 7.
  • the second assembly portion 122 has the surface texturing 23 on its two surfaces 122a, 122b, preferably all or substantially all.
  • the second assembly portion 122 of the intermediate element 22 is arranged between two fins or legs 123, the surface 122a of the second pair oriented on the side of the first plate 6 having two ends each connected to a surface 123b of each of the two fins or legs 123, said surface 123b of the second pair and said surfaces 123b of the fins having the surface texturing 23.
  • the manufacturing process of the intermediate element is simplified since the surface texturing can be formed or deposited on all or almost all the surfaces of the intermediate element without the need for an additional step of masking or post-processing. treatment aimed at eliminating the surface texturing of the portions to be assembled.
  • the surface texturing 23 is formed on all or almost all of the intermediate element 22.
  • almost all of a surface or element means a portion representing at least 90%, preferably at least 95%, more preferably at least 98%. % of the area of that area or the total area of that element.
  • said first assembly portions 121, fins or wave legs 123, and said second assembly portions 122, if present, are monoblock, i. e. formed of a single piece.
  • the intermediate element 22 is a corrugated product comprising a succession of wave legs 123 alternately connected by wave-peaks 121 and wave-bases 122. At least one wave-peak 121 comprises a first assembly portion 121 according to the invention.
  • spacer element 22 may take any other suitable form and does not necessarily include all the features detailed below.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of a corrugated heat exchange structure 22.
  • a plurality of wave legs 123 of elongate shape extend parallel to each other and generally in a so-called longitudinal direction z.
  • the wave legs succeed one another in a lateral direction x, which is perpendicular to the longitudinal direction z, and are alternately connected by wave vertices 121 and wave bases 122.
  • the wave peaks 121 and wave bases 122 are of planar shape and extend parallel to each other and perpendicular to the wave legs 123.
  • the channels 26 for the first fluid which are formed between two successive wave legs and a vertex or a base arranged between said successive wave legs, and have a cross section of generally rectangular shape.
  • Figure 4 illustrates a straight wave having flat surface wave legs 123.
  • Other configurations of intermediate element 22 are of course conceivable, including perforated straight wave, partial offset wave, wave wave or herringbone ("herringbone" in English) configurations.
  • An element 22 according to Figure 4 is visible in Figure 5 in the assembled state, that is to say mounted between a first and a second plate 6, 7 directly adjacent forming a passage 33.
  • the passage 33 is shaped generally parallelepipedic and configured to channel the first fluid parallel to the longitudinal direction z.
  • the first fluid flows over the width of the passage 33, measured along the lateral direction x, between an inlet and an outlet of the passage 33 situated at two opposite ends along the length of the passage 33, measured along the longitudinal direction z .
  • the wave legs 123 define in the passage 33 a plurality of channels 26 which extend parallel to the longitudinal direction z.
  • the element 22 preferably extends over almost all, or even all, of the height of the passages, measured in a vertical direction y perpendicular to the plates 6, 7, so as to in contact or near-contact with the plates 6, 7.
  • the wave peaks 121 and the wave bases 122 are arranged parallel to the plates 6, 7.
  • the intermediate element 22 is arranged in the so-called "easyway" configuration in the passage 33, that is to say that the wave legs 123 extend generally in the direction of flow of the first fluid in the passage 33.
  • the direction of flow of the first fluid is preferably vertical, the direction of flow may be upward or downward.
  • an intermediate element 22 according to the invention in a zone 3 of a passage 33 of the exchanger in which the ascending oxygen penetrates, the intermediate element thus having on the surface porosities or reliefs multiplying the priming for the formation of the oxygen gas bubble OG.
  • each wave vertex 121 comprises a first assembly portion 121 according to the invention.
  • the surface 121a of the wave vertex positioned against the first plate 6 thus has at least one surface texturing 23.
  • positioned against means an assembly portion juxtaposed to a plate, with or without clearance existing between all or part of the portion and the plate.
  • each wave base 122 comprises a second assembly portion 122 configured to be assembled, in the assembled state, with the second plate 7.
  • said second assembly portion comprises a second pair of opposed surfaces 122a, 122b, that 122b of the surfaces of the second pair oriented on the side of the second plate 7 having at least one surface texturing 23.
  • each wave leg 123 comprises a third pair of opposed surfaces 123a, 123b, both of the surfaces 123a, 123b of the third pair having said surface texturing 23, preferably all or part thereof. almost all.
  • Figure 5 illustrates an example where all the wave legs 123 have at least one surface texturing on their two surfaces 123a, 123b. Each channel 26 thus has two side walls whose internal surfaces are intensified.
  • the first assembly portion 121 also has the surface texturing 23 on the surface 121 b of the first pair positioned, in the mounted state, against the second plate 7.
  • the second assembly portion 122 may also present the surface texturing 23 on the surface 122a of the second pair oriented, in the mounted state, on the side of the first plate 6. This makes it possible to maximize the area of surface texturing 23 present on the intermediate element 22 and therefore to maximize the heat transfer efficiency within the channels 26 delimited by the intermediate element.
  • each channel 26 has an inner surface formed, in the mounted state, alternately by the surface 122a of a wave base 122 facing the first plate 6, the surface of the first plate 6 oriented towards the wave base 122 and the respective surfaces 123a, 123b of the two wave legs 123 connected to the ends of said wave base 122, and by the surface 121b of a vertex of wave 121 facing the second plate 7, the surface of the second plate 7 facing the top 121 and the respective surfaces 123a, 123b of the two wave legs 123 connected to the ends of said wave peak 121.
  • the heat exchange is intensified within the channels 26.
  • the corrugated product 22 can be formed from a flat product, such as a sheet or strip, having two opposite surfaces 22a, 22b, as shown in FIG. 6. Either of these surfaces 22a, 22b has surface texturing 23. This product is then shaped mechanically, for example by a press tool, and then arranged in a passage of the exchanger.
  • the corrugated product 22 has surface texturing 23 on all or substantially all of its surfaces.
  • At least one surface texturing 23 is formed on one and the other of said opposite faces 22a, 22b.
  • the opposite faces 22a, 22b on which the surface texturing 23 is formed have said texturing, in whole or almost all.
  • the face 22a gives rise, after shaping, to the surfaces 121a, 123b, 122a of the corrugated product of FIG. 4.
  • the face 22b gives rise, after shaping, to the surfaces 123a, 121b, 122b of the corrugated product of FIG. Figure 4.
  • a face means a portion representing at least 90%, preferably at least 95%, preferably at least 98% of the surface of this face.
  • all the surfaces of the product 22 located, in the assembled state, on the side of the second plate 7 and all the surfaces of the product 22 located, in the mounted state, on the side of the first plate 6, therefore have surface texturing 23.
  • the manufacturing process is simplified since the surface texturing may be formed or deposited on the entire faces of the corrugated product without the need for an additional masking or post-processing step to eliminate the surface texturing of the portions to be joined.
  • the flat product has a thickness of at least 0.15 mm, preferably between 0.2 and 0.4 mm. This thickness is indicated by the letter “t" on the element of FIG. 3.
  • the implementation of surface texturing 23 requires large thermal fluxes, in particular when the function of the surface texturing 23 is to intensify the boiling of the first fluid. It is therefore advantageous to use a relatively thick spacer element, thus having thicker wavelengths or fins, in order to maintain the largest possible fin coefficient, that is to say a better fin ability. to transmit the heat.
  • the fin coefficient is typically between 0 and 1, the latter being equal to 1 at the point of contact with an adjacent plate and decreasing on the fin when moving away from the plate.
  • the point in the middle of the fin is the point where the fin coefficient is the lowest.
  • the corrugated product 22 has a density, defined as the number of wave legs per unit length measured along the lateral direction x, less than or equal to 18 legs per 2.54 centimeters, preferably less than 10. wave legs by 2.54 centimeters, more preferably less than or equal to 5 wave legs per 2.54 centimeters.
  • the density of the corrugated product 22 can be between 1 and 5 legs per 2.54 centimeters. Note that these density values are applicable to a spacer element which is not necessarily a corrugated product, the density then being defined as the number of fins per unit length, measured along the x direction.
  • the use of a relatively low density facilitates the deposition phase of the surface texturing 23 on the wavelengths of the intermediate element 22, the surface of the wave legs being then more accessible.
  • the use of a corrugated product of lower density facilitates the removal of bubbles created in the surface texturing.
  • the spacer element 22 comprises a solid substrate, or otherwise a solid substrate, in particular a non-porous substrate, on which the texturing 23 is formed.
  • the substrate is visible in black in FIGS. 5 or 6, for example.
  • the substrate may comprise one or more first and / or second assembly portions, the fins or wave legs.
  • the surface texturing 23 covers all or almost all of the substrate.
  • the intermediate element is preferably monobloc, that is to say formed of a single piece.
  • the surface texturing 23 present on the intermediate element 22 can result from a surface coating deposited on the substrates of the intermediate elements, in particular a coating deposited by a liquid route, in particular by dipping, spraying or electrolytically, by the dry route, in particular by chemical vapor deposition (Chemical Vapor Deposition or CVD) or physical vapor deposition (PVV), or by thermal spraying, in particular by flame or by plasma.
  • a surface coating deposited on the substrates of the intermediate elements in particular a coating deposited by a liquid route, in particular by dipping, spraying or electrolytically, by the dry route, in particular by chemical vapor deposition (Chemical Vapor Deposition or CVD) or physical vapor deposition (PVV), or by thermal spraying, in particular by flame or by plasma.
  • CVD chemical Vapor Deposition
  • PVV physical vapor deposition
  • the surface texturing 23 may also result from a modification of the surface state of said parts that can be obtained by a chemical treatment or mechanical treatment, for example by sandblasting, grooving ....
  • the texturing 23 is intended to modify the surface state of the intermediate element and not to deform all or part of the intermediate element.
  • the surface texturing 23 is in the form of a porous structure, preferably a porous layer.
  • the porous structure may for example be formed of a deposition of slightly sintered aluminum particles, entangled aluminum filaments, semi-fused aluminum particles bonded to each other, such as aluminum particles which are obtained after projection obtained by thermal flame projection.
  • the surface texturing is formed of an aluminum alloy comprising for 100% of its mass, at least 80% by weight of aluminum, preferably at least 90%, more preferably at least 99% by weight. aluminum.
  • the surface texturing 23 has, before assembly of the intermediate element, an open porosity of between 15 and 60%, preferably between 20 and 45%, more preferably an initial open porosity of between 25 and 35% ( % in volume).
  • the open porosity is defined as the ratio between the volume of the open pores, that is to say the pores communicating fluidly with the external environment in which the intermediate element in question is located, and the total volume of the porous structure.
  • the pores of the porous structure 23 preferably have a diameter between 1 and 200 miti, preferably between 5 and 100 pm. Noting that the pores are not necessarily circular in section but may have irregular shapes.
  • the term "diameter” therefore also covers an equivalent hydraulic diameter which can be calculated from the measurement of the pressure drop experienced by a gas flow through the porous structure and by assuming that the pores have a regular shape, in particular a spherical shape, cylindrical, ...
  • the pores of the porous structure 23 have a volume of between 1000 and 1000 000 pm 3 .
  • the pore volume may for example be determined by tomography or image analysis of polished sections of samples taken in a multitude of directions in space.
  • the surface texturing 23 may be in the form of reliefs, or patterns, printed or made in or on the surface of the substrate material material of a spacer element.
  • these reliefs define, in cross section, cavities open on the surface of the element.
  • micro-reliefs of different size or morphology such as gorges, discrete or uninterrupted, streaks, protuberances, ... may be formed or deposited on the surface of the element.
  • micro-reliefs we mean reliefs which have at least one small characteristic dimension with respect to a dimension of the element, in particular reliefs which extend a height, measured in a direction perpendicular to the surface of the element insert having the texturing, and / or a width, measured in a direction perpendicular to the surface of the interlayer having the texturing, of the order of a few micrometers and several hundred micrometers.
  • the reliefs forming the surface texturing 23 may be made by laser or mechanical and / or chemical machining.
  • the intermediate element 22 is intended to be assembled at least to the first plate 6, preferably to the first and second plates 6, 7 by brazing.
  • brazing between the first and second assembly portions 121, 122 of the intermediate element and the plates 6, 7 is made in the context of the overall brazing of the matrix of the exchanger.
  • the stack of plates, the intermediate elements and the other constituent elements of the heat exchanger are pressed against each other by means of a compression device.
  • the matrix thus formed is placed in a vacuum oven and heated to temperatures between 550 and 650 ° C, preferably of the order of 580 to 600 ° C.
  • the compression force applied to the matrix is generally in the range of 20,000 to 40,000 N / m 2 .
  • the plates 6, 7 of the exchanger are rolled plates comprising a central sheet 40, each face of which is coated with a layer of brazing agent 30.
  • a layer of brazing agent 30 An example of such a plate 6 is illustrated in FIG.
  • the brazing agent 30 may take the form of a strip or a surface coating layer 30.
  • the coating layer 30 may be deposited by spraying or by brushing brazing agent 30 in the form of a powder suspension containing the powder, a dispersant, a binder, additives for controlling the viscosity.
  • the first and second plates 6, 7 are free of surface texturing.
  • the brazing agent 30 is preferably formed of a metallic material having a lower melting temperature than the materials constituting the parts 6, 22.
  • the parts 6, 22 and 30 are preferably formed of aluminum alloy.
  • the plates 6 and the elements 22 of the exchanger are advantageously formed of a first aluminum alloy of the 3XXX family, preferably of the 3003 type (ASME SB-2019 SECTION 2-B).
  • the brazing agent 30 is formed of a second aluminum alloy, preferably an alloy of the 4XXX type (ASME SB-2019 SECTION 2-B), in particular of the 4004 type.
  • the brazing agent 30 has a thickness of less than 300 miti, preferably between 50 and 200 ⁇ m.
  • the solder could change the microstructure of the coating or surface texturing and therefore its performance filling the porosities or cavities or promoting closure of the open porosity of the intensified surface element.
  • the height of the element 22 is adaptable to the height of the passage 33 so that there is a set of a predetermined value, as indicated by the letter "d" in FIG. 5, between the wave peaks 121 and the first plate 6 and between the wave bases 122 and the second plate 7.
  • a predetermined value as indicated by the letter "d" in FIG. 5
  • the solder can modify the microstructure of the surface texturing by filling the pores or cavities present on the surface.
  • the clearance d is between 0 and 0.1 mm, more preferably between 0 and 0.05 mm.
  • the surface texturing 23 is modified at the said first and second portions assembly 121.
  • at least part of the surface texturing 23 is infiltrated by the brazing agent 30 at the assembly portions 220, 60. This effect is related to the compressive force applied to the brazed pieces and to the voiding brazing agent 30 in the texturing.
  • the open porosity or the cavities of the surface texturing 23 may be completely or partially filled by the brazing agent 30 at the level of the first assembly portion 121 and / or the second assembly portion .
  • the surface texturing 23 has at the level of the first assembly portion 121 and / or the second assembly portion, a residual open porosity of between 0% and 90%, preferably between 10% and 50%, of the initial open porosity, that is to say before formation of the bond (0% indicating that the initial open porosity is completely filled following the soldering or the direct bond).
  • the surface texturing 23 may have, before bonding, at the level of the assembly portions 220, 60, an initial volume of open pores or cavities. After bonding, the surface texturing 23, at the first assembly portion 121 and the respective portion 60 of the plate 6, a residual volume of pores or open cavities representing from 0% to 90%, preferably from 10% to 50%, of the initial volume of pores or open cavities.
  • the surface texturing 23 is retained in front of the first assembly portion 121 and the respective portion 60 of the plate 6.
  • the surface texturing 23 has, apart from the portions of FIG. assembly 121, 60, an open porosity which is identical or substantially identical to the initial open porosity and / or a volume of open pores or cavities identical or nearly identical to the initial volume of pores or cavities.

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Abstract

L'invention concerne un élément intercalaire (22) pour échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, destiné à être monté entre une première plaque (6) et une deuxième plaque (7) de l'échangeur, ledit élément intercalaire (22) comprenant au moins une première portion d'assemblage (121 ) configurée pour être assemblée avec la première plaque (6) et comprenant une première paire de surfaces (121 a, 121 b) opposées, l'une (121 a) des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la première plaque (6) et l'autre (121 b) des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la deuxième plaque (7) lorsque l'élément intercalaire (22) est à l'état monté, plusieurs ailettes ou jambes d'onde (123) s'étendant depuis ladite première portion d'assemblage (121 ) de façon à délimiter, lorsque l'élément intercalaire (22) est à l'état monté, une pluralité de canaux (26) pour l'écoulement d'un premier fluide, et au moins une texturation de surface (23) sous la forme d'une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface de l'élément intercalaire (22), au moins une ailette ou jambe d'onde (123) présentant ladite texturation de surface (23). Selon l'invention, la première portion d'assemblage (121 ) présente ladite texturation de surface (23) sur la surface (121 a) de la première paire orientée, à l'état monté, du côté de la première plaque (6).

Description

ELEMENT INTERCALAIRE A TEXTURATION DE SURFACE, ECHANGEUR DE CHALEUR COMPRENANT UN TEL ELEMENT
La présente invention concerne un élément intercalaire à texturation de surface pour un échangeur de chaleur, ainsi qu’un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes comprenant un tel élément.
La présente invention trouve notamment application dans le domaine de la séparation de gaz par cryogénie, en particulier de la séparation d’air par cryogénie (connue sous l’acronyme anglais « ASU » pour unité de séparation d’air) exploitée pour la production d’oxygène gazeux sous pression. En particulier, la présente invention peut s’appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise un débit liquide, par exemple de l’oxygène liquide, de l’azote et/ou de l’argon par échange de chaleur avec un gaz calorigène, par exemple l’air ou l’azote.
Si l’échangeur de chaleur se trouve dans la cuve d’une colonne de distillation, il peut constituer un vaporiseur fonctionnant en thermosiphon pour lequel l’échangeur est immergé dans un bain de liquide descendant la colonne ou un vaporiseur fonctionnant en vaporisation à film alimenté directement par le liquide tombant de la colonne et/ou par une pompe de recirculation.
La présente invention peut également s’appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise au moins un débit de mélange liquide-gaz, en particulier un débit de mélange à plusieurs constituants, par exemple un mélange d’hydrocarbures, par échange de chaleur avec au moins un autre fluide, par exemple du gaz naturel.
La technologie couramment utilisée pour un échangeur est celle des échangeurs en aluminium à plaques et à ailettes ou ondes brasés, qui permettent d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange.
Ces échangeurs comprennent des plaques séparatrices entre lesquelles sont insérées des structures d’échange thermique, généralement des structures ondulées ou ondes, formées d’une succession d’ailettes ou jambes d’onde, constituant ainsi un empilement de passages pour les différents fluides à mettre en relation d’échange thermique. Les performances d’un échangeur sont liées au coefficient d’échange thermique des structures d’échange thermique se trouvant en contact avec les fluides. Le coefficient d’échange thermique d’une structure dépend notamment de la nature du matériau la constituant, de la porosité de ce matériau, de sa rugosité et du régime d’écoulement des fluides.
On connaît par exemple des documents DE 10 2012 204 178 B3 ou US 2012/002451 1 A1 des structures d’échange ondulées présentant des déformations sous forme de bossages.
Par ailleurs, le document EP 0 764 488 A1 divulgue une structure d’échange thermique en métal fritté.
Il est possible de modifier le coefficient d’échange thermique d’une structure d’échange en modifiant la géométrie ou les propriétés physico- chimiques de sa surface. Ceci permet d’augmenter la surface effective d’échange et/ou de modifier les interactions entre le fluide et la surface, en changeant des propriétés de la surface considérée comme sa mouillabilité ou sa capacité à intensifier l’ébullition d’un fluide. On parle alors de surfaces intensifiées.
Par exemple, on peut réaliser des dépôts de surface de revêtements poreux ou texturés, formant des reliefs à la surface des structures, ou bien créer de tels états de surfaces par des traitements mécaniques ou par attaque chimique.
On connaît du document WO-A-2005/075920 différentes techniques de dépôt de revêtements poreux ou de texturation à la surface d’une onde pour échangeur de chaleur.
Une problématique concerne l’assemblage d’éléments comportant des surfaces intensifiées.
Lors de la fabrication d’un échangeur en aluminium brasé, les éléments constitutifs de l’échangeur sont liés entre eux par brasage avec utilisation d’un métal d’apport, appelé brasure ou agent de brasage, l’assemblage étant obtenu par fusion et diffusion de l’agent de brasage au sein des pièces à braser, sans fusion de celles-ci.
En général, afin de garantir de façon optimale les propriétés mécaniques et/ou thermiques des joints brasés, et ainsi de maximiser la résistance de l’échangeur aux fortes pressions de fluide, on évite de réaliser une texturation de surface sur les portions des structures d’échange au niveau desquelles un joint de brasage doit être formé.
Toutefois, cela implique de modifier localement l’état de surface de ces pièces, ce qui complexifie le procédé de fabrication. On peut par exemple masquer les zones où le brasage doit avoir lieu ou retirer le revêtement de ces zones avant d’opérer le brasage. Mais ces étapes supplémentaires entraînent un surcoût et des difficultés de mise en œuvre.
Une autre possibilité est de réaliser la texturation des structures d’échange thermique après le brasage de ces structures dans l’échangeur.
Toutefois, il est alors difficile d’accéder aux canaux formés par les structures d’échange dans les passages de l’échangeur et il est impossible d’utiliser des techniques de texturation mécanique ou de revêtement par projection thermique. D’autres techniques de traitement de surface sont difficiles à mettre en œuvre. Par exemple, pour les techniques impliquant des étapes préalables de traitement thermique ou de dépôt d’une couche d’imprégnation pour assurer l’adhésion du revêtement, c’est l’échangeur entier qu’il faut traiter. Il y a alors des risques de boucher les canaux, de débraser des pièces de l’échangeur ou de créer des phases métallurgiques fragiles et d’endommager la matrice brasée.
Par ailleurs, il a été proposé de réaliser des texturations de surface sur les plaques séparatrices avant brasage. Le document WO-A-2004/10921 1 décrit un procédé de dépôt d’un revêtement poreux à la surface d’une plaque séparatrice d’un échangeur de chaleur. Dans ce cas, il n’y a pas de structure d’échange thermique brasée entre les plaques. Or, les structures d’échange ont aussi un rôle d’entretoises. Elles contribuent à la rigidité des passages de l’échangeur et à leur résistance à la compression lors du brasage sous vide de l’échangeur. Il peut alors s’avérer nécessaire d’agencer des barres de renfort supplémentaires dans les passages et de doubler l’épaisseur des plaques.
La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment de faciliter la fabrication d’un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés présentant des structures d’échanges à propriétés thermiques améliorées. La solution selon l’invention est alors un élément intercalaire pour échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, destiné à être monté entre une première plaque et une deuxième plaque de l’échangeur, ledit élément intercalaire comprenant :
- au moins une première portion d’assemblage configurée pour être assemblée avec la première plaque et comprenant une première paire de surfaces opposées, l’une des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la première plaque et l’autre des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la deuxième plaque lorsque l’élément intercalaire est à l’état monté,
- plusieurs ailettes ou jambes d’onde s’étendant depuis ladite première portion d’assemblage de façon à délimiter, lorsque l’élément intercalaire est à l’état monté, une pluralité de canaux pour l’écoulement d’un premier fluide, et
- au moins une texturation de surface sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface de l’élément intercalaire, au moins une ailette ou jambe d’onde présentant ladite texturation de surface,
caractérisé en ce que la première portion d’assemblage présente ladite texturation de surface sur la surface de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque.
Selon le cas, l’élément de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :
- l’élément intercalaire comprend un substrat massif ou plein, la texturation de surface étant formée ou déposée sur une surface du substrat.
- ladite ailette ou jambe d’onde comprend une troisième paire de surfaces opposées, l’une et l’autre des surfaces de la troisième paire présentant ladite texturation de surface.
- la totalité ou la quasi-totalité de l’une et l’autre des surfaces de la troisième paire présente ladite texturation de surface.
- la première portion d’assemblage présente la texturation de surface sur la surface de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque. - la première portion d’assemblage présente la texturation de surface sur la totalité ou la quasi-totalité de la surface de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque.
- la première portion d’assemblage présente la texturation de surface sur la totalité ou la quasi-totalité de la surface de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque.
- l’élément intercalaire comprend au moins une deuxième portion d’assemblage configurée pour être assemblée avec la deuxième plaque et comprenant une deuxième paire de surfaces opposées, l’une des surfaces de la deuxième paire étant orientée du côté de la première plaque et l’autre des surfaces de la deuxième paire étant orientée du côté de la deuxième plaque lorsque l’élément intercalaire est à l’état monté, ladite deuxième portion d’assemblage présentant la texturation de surface sur la surface de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque.
- la deuxième portion d’assemblage présente la texturation de surface sur la surface de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque.
- la deuxième portion d’assemblage présente la texturation de surface sur la totalité ou la quasi-totalité de la surface de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque.
- la deuxième portion d’assemblage présente la texturation de surface sur la totalité ou la quasi-totalité de la surface de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque.
- la texturation de surface est formée sur la totalité ou la quasi -totalité de l’élément intercalaire.
- la première portion d’assemblage et/ou la deuxième portion d’assemblage sont agencées, à l’état monté, parallèlement aux première et deuxième plaques, les ailettes ou jambes d’onde se succédant suivant une direction latérale et délimitant, à l’état monté, une pluralité de canaux configurés pour canaliser le premier fluide suivant une direction longitudinale parallèle aux première et deuxième plaques et orthogonale à la direction latérale.
- la texturation de surface est sous la forme d’une structure poreuse ayant une porosité ouverte comprise entre 15 et 60 %, de préférence une porosité ouverte comprise entre 20 et 45 %, % en volume, ou sous la forme de reliefs définissant, en coupe transversale, des cavités ouvertes à la surface de l’élément intercalaire.
- l’élément intercalaire est sous la forme d’un produit ondulé comprenant une succession de jambes d’onde reliées alternativement par des sommets d’onde et des bases d’onde, au moins un sommet d’onde comprenant ladite première portion d’assemblage et/ou au moins une base d’onde comprenant ladite deuxième portion d’assemblage.
- les jambes d’onde 123 se succèdent selon une direction latérale, le produit ondulé ayant une densité, définie comme le nombre de jambes d’onde par unité de longueur mesuré le long de la direction latérale, inférieure à 18 jambes par 2,54 centimètres, de préférence inférieure à 10 jambes d’onde par 2,54 centimètres, de préférence encore inférieure ou égale à 5 jambes d’onde par 2,54 centimètres.
- le produit ondulé est formé à partir d’un produit plat comprenant deux faces opposées, lesdites faces opposées présentant sur leur totalité ou leur quasi-totalité la texturation de surface.
En outre, l’invention concerne un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés comprenant une pluralité de plaques agencées parallèlement entre elles de façon à définir une série de passages pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide, et au moins un élément intercalaire monté entre une première et une deuxième plaque formant un passage de façon à délimiter, au sein dudit passage, plusieurs canaux pour l’écoulement dudit premier fluide, caractérisé en ce que l’élément intercalaire est selon l’invention.
La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux schémas ci-annexés, parmi lesquels :
la Figure 1 illustre un exemple de passage d’un échangeur de chaleur comportant un élément intercalaire selon l’invention ;
la Figure 2 illustre un exemple d’assemblage d’un élément intercalaire selon l’invention assemblé à une plaque d’échangeur ; les Figures 3 et 4 illustrent une vue tridimensionnelle et une vue en coupe transversale d’un élément intercalaire selon un mode de réalisation de l’invention ;
la Figure 5 illustre un mode de réalisation d’un élément intercalaire assemblé entre deux plaques d’échangeur ;
la Figure 6 illustre un produit plat adapté pour former un élément intercalaire selon un mode de réalisation de l’invention.
De façon connue en soi, un échangeur de chaleur comprend un empilement de plaques disposées parallèlement l’une au-dessus de l’autre avec espacement et formant ainsi plusieurs séries de passages de forme parallélépipédique et plate pour l’écoulement d’un premier fluide et d’au moins un deuxième fluide à mettre en relation d’échange de chaleur indirect via les plaques. De préférence, le premier fluide comprend un liquide frigorigène à vaporiser au moins partiellement.
La Figure 1 illustre de façon schématique un exemple de passage 33 d’un échangeur 1 du type vaporiseur-condenseur alimenté en oxygène liquide. Ce vaporiseur-condenseur vaporise l'oxygène liquide OL sous basse pression (typiquement légèrement supérieure à la pression atmosphérique) recueilli en bas d'une colonne, par condensation d'azote moyenne pression (typiquement de 5 à 6 bars absolus) circulant dans des passages adjacents des passages 33 (non illustrés) dédiés à la circulation d'oxygène. L'azote moyenne pression est le plus souvent prélevé à l'état gazeux en tête d'une colonne de distillation d'air à moyenne pression à laquelle la colonne basse pression citée ci-dessus est connectée. Après son passage et sa condensation au moins partielle dans le vaporiseur-condenseur, cet azote est renvoyé dans la colonne moyenne pression.
C'est plus spécifiquement dans le cadre de cette application que l'invention sera décrite par la suite, étant entendu que son application peut être envisagée dans d'autres contextes, notamment avec des fluides d’une autre nature. Ainsi, l’échangeur 1 peut vaporiser au moins un débit de mélange liquide-gaz, en particulier un débit de mélange à plusieurs constituants, par exemple un mélange d’hydrocarbures, par échange de chaleur avec au moins un autre fluide, par exemple du gaz naturel. En particulier, l’invention peut concerner un procédé d’échange de chaleur entre un premier fluide et au moins un deuxième fluide dans un échangeur de chaleur selon l’invention, ledit premier fluide s’écoulant dans le passage 33 à une pression inférieure ou égale à 5 bar, de préférence une pression comprise entre 1 et 2 bar.
Tout ou partie des passages 33 de l’échangeur 1 sont pourvus d’éléments intercalaires 22 définissant, au sein des passages 33, des canaux 26 pour la circulation de l’oxygène liquide et pouvant revêtir différentes formes.
Les éléments intercalaires 22 peuvent avoir des formes ondulées, comme le montrent les Figures 3 et 4, et comprendre des jambes d’onde 123 reliées alternativement par des sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122. Dans ce cas, on appelle « ailettes » les jambes d’onde qui relient les sommets et les bases successifs de l’onde.
Les éléments intercalaires 22 peuvent revêtir d’autres formes particulières définies selon les caractéristiques d’écoulement de fluide souhaitées. De manière plus générale, le terme « ailettes » couvre des lames ou autres surfaces d’échange thermique, qui s’étendent entre les surfaces primaires d’échange thermique, c’est-à-dire les plaques de l’échangeur, dans les passages de l’échangeur.
En général, les éléments intercalaires 22 sont liés par brasage aux plaques séparatrices de l’échangeur. Avantageusement, la liaison peut être réalisée par brasage sous vide avec utilisation d’un métal d’apport 30, appelé brasure ou agent de brasage, l’assemblage étant obtenu par fusion et diffusion d’agent de brasage 30 au sein des pièces à braser, c’est-à-dire dans le métal de base, sans fusion de celles-ci.
La Figure 2 est une vue partielle d’un élément intercalaire 22 assemblé à une première plaque 6 adaptée pour définir, en association avec une autre deuxième plaque 7 parallèle directement voisine (non illustrée), un passage 33 de l’échangeur 1 .
L’élément intercalaire 22 et la plaque 6 comportent respectivement des portions d’assemblage 121 , 60 destinées à être assemblées l’une avec l’autre. Les portions d’assemblage 121 , 60 sont positionnées l’une contre l’autre, de préférence avec un faible jeu entre elles afin d’y interposer l’agent de brasage 30. Typiquement les portions d’assemblage 121 , 60 peuvent être celles où le jeu entre les pièces 22, 6 est le plus faible, typiquement les portions au niveau desquelles les pièces 22, 6 sont en contact l’une avec l’autre ou en quasi- contact, c’est-à-dire avec un jeu très faible existant entre tout ou partie desdites portions, l’une avec l’autre.
Comme on le voit en coupe transversale sur la Figure 4, l’élément intercalaire 22 comprend plusieurs ailettes ou jambes d’onde 123 configurées pour délimiter, lorsque l’élément 22 est monté entre la première plaque 6 et la deuxième plaque 7, une pluralité de canaux 26 d’écoulement du premier fluide.
L’élément 22 comprend au moins une première portion d’assemblage 121 configurée pour être assemblée avec la première plaque 6 et comprenant une première paire de surfaces 121 a, 121 b opposées, l’une 121 a des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la première plaque 6 et l’autre 121 b des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la deuxième plaque 7 lorsque l’élément intercalaire 22 est à l’état monté.
L’élément intercalaire 22 comprend en outre au moins une texturation de surface 23 sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface de l’élément intercalaire 22.
Dans le cadre de l’invention, au moins une texturation de surface 23 est présente sur une surface d’au moins une ailette ou jambe d’onde 123 de l’élément intercalaire 22. Il est à noter que l’élément intercalaire peut présenter une ou plusieurs formes prédéterminées de texturation de surface réparties sur différentes zones de sa surface, étant entendu qu’une texturation de surface peut aussi bien être réalisée dans la surface du matériau constitutif de l’élément intercalaire qu’y être déposée, c’est-à-dire résulter d’un apport de matière supplémentaire sur la surface de l’élément intercalaire.
Selon l’invention, ladite première portion d’assemblage 121 présente la texturation de surface 23 sur celle 121 a des surfaces de la première paire orientée du côté de la première plaque 6.
Les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que pour certaines applications, le brasage d’éléments intercalaires à texturation de surface pouvait être réalisé sans préparation particulière des portions brasées et conduire à des performances satisfaisantes en termes de tenue mécanique. C’est le cas notamment lorsqu’en fonctionnement, les canaux 26 définis entre les première et deuxièmes pièces 22, 6 canalisent un premier fluide dont la pression est relativement faible, typiquement inférieure ou égale à 5 bar, de préférence une pression comprise entre 1 et 2 bar, comme c’est le cas dans les passages pour l’oxygène du vaporiseur-condenseur précédemment décrit.
En outre, il a été constaté que la texturation de surface pouvait participer de façon bénéfique à la formation d’un joint brasé. En effet, la brasure étant piégée dans la porosité ou les cavités du revêtement par les forces capillaires, elle a moins tendance à diffuser à travers l’élément intercalaire, ce qui limite les risques de dissolution du matériau constitutif de cet élément et permet d’en réduire l’épaisseur. Le comblement des pores ou cavités conduit en outre à de meilleures performances de transfert thermique entre les pièces brasées, ainsi qu’à une meilleure tenue mécanique de l’assemblage.
Grâce à l’invention, on simplifie le procédé de fabrication puisque la texturation de surface 23 peut être formée ou déposée sur la surface de l’élément intercalaire sans nécessiter d’étape supplémentaire de masquage ou de post- traitement visant à éliminer la texturation de surface des portions à assembler. La texturation est formée sur les pièces avant assemblage, ce qui préserve l’intégrité de la matrice de l’échangeur.
De préférence, la première portion d’assemblage 121 présente la texturation de surface 23 sur la surface 121 b de la première paire orientée du côté de la deuxième plaque 7. Avantageusement, l’une et l’autre des surfaces 121 a, 121 b de la première paire présentent la texturation de surface 23 sur leur totalité ou leur quasi-totalité.
En outre, les ailettes ou jambes d’ondes 123 comprennent une troisième paire de surfaces 123a, 123b opposées. De préférence, la première portion d’assemblage 121 de l’élément intercalaire 22 est agencée entre deux ailettes ou jambes d’ondes 123 successives, la surface 121 b orientée du côté de la deuxième plaque 7 ayant deux extrémités reliées chacune à une surface secondaire 123a de chacune des deux ailettes ou jambes d’ondes 123.
De préférence, l’une et l’autre des surfaces 123a, 123b de la troisième paire présentent la texturation de surface 23, de préférence sur leur totalité ou leur quasi-totalité. Ainsi, deux ailettes ou jambes d’onde 123 successives délimitent entre elles un canal 26 dont la paroi formée par la première portion d’assemblage, et les parois latérales, formées par les deux ailettes 123, présente des surfaces internes à coefficient d’échange thermique amélioré.
Selon un mode de réalisation particulier, l’élément intercalaire 22 présente au moins une deuxième portion d’assemblage 122 configurée pour être assemblée avec la deuxième plaque 7, ladite deuxième portion d’assemblage 122 comprenant une deuxième paire de surfaces 122a, 122b opposées, l’une 122a des surfaces de la deuxième paire étant orientée du côté de la première plaque 6 et l’autre 122b des surfaces de la deuxième paire étant orientée du côté de la deuxième plaque 7.
On peut ainsi assembler une autre portion de l’élément intercalaire 22 à une portion d’assemblage réciproque sur la première plaque 7 lors de la fabrication de l’échangeur, ce qui améliore encore la solidité et la rigidité du passage 33.
De préférence, la deuxième portion d’assemblage 122 présente la texturation de surface 23 sur ses deux surfaces 122a, 122b, de préférence sur leur totalité ou leur quasi-totalité.
Dans l’exemple de la Figure 4, la deuxième portion d’assemblage 122 de l’élément intercalaire 22 est agencée entre deux ailettes ou jambes d’ondes 123, la surface 122a de la deuxième paire orientée du côté de la première plaque 6 ayant deux extrémités reliées chacune à une surface 123b de chacune des deux ailettes ou jambes d’ondes 123, ladite surface 123b de la deuxième paire et lesdites surfaces 123b des ailettes présentant la texturation de surface 23.
Ainsi, on simplifie le procédé de fabrication de l’élément intercalaire puisque la texturation de surface peut être formée ou déposée sur la totalité ou la quasi -totalité des surfaces de l’élément intercalaire sans nécessiter d’étape supplémentaire de masquage ou de post-traitement visant à éliminer la texturation de surface des portions à assembler.
Selon un mode de réalisation particulier, la texturation de surface 23 est formée sur la totalité ou la quasi-totalité de l’élément intercalaire 22. A noter que dans la cadre de la présente invention, la quasi-totalité d’une surface ou d’un élément s’entend d’une portion représentant au moins 90%, de préférence au moins 95%, de préférence encore au moins 98% de la superficie de cette surface ou de la superficie totale de cet élément.
De préférence, lesdites premières portions d’assemblage 121 , les ailettes ou jambes d’onde 123, et lesdites deuxièmes portions d’assemblage 122, si présentes, sont monobloc, i. e. formées d’une seule pièce.
Selon un mode de réalisation particulier, l’élément intercalaire 22 est un produit ondulé comprenant une succession de jambes d’onde 123 reliées alternativement par des sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122. Au moins un sommet d’onde 121 comprend une première portion d’assemblage 121 selon l’invention.
Les explications qui suivent sont faites en référence aux Figures 4 à 6, étant entendu que l’élément intercalaire 22 peut revêtir toute autre forme adéquate et n’inclut pas nécessairement toutes les caractéristiques détaillées ci- après.
La Figure 4 montre une vue en coupe transversale d’une structure d’échange thermique ondulée 22. Plusieurs jambes d’onde 123 de forme longiligne s’étendent parallèlement entre elles et globalement suivant une direction dite longitudinale z. Les jambes d’onde se succèdent suivant une direction latérale x, qui est perpendiculaire à la direction longitudinale z, et sont reliées alternativement par des sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122.
Selon l’exemple illustré sur la Figure 4, les sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122 sont de forme plane et s’étendent parallèlement entre eux et perpendiculairement aux jambes d’onde 123. Les canaux 26 pour le premier fluide, qui sont formés entre deux jambes d’onde successives et un sommet ou une base agencé entre lesdites jambes d’onde successives, présentent ainsi une section transversale de forme générale rectangulaire.
La Figure 4 illustre une onde droite présentant des jambes d’onde 123 à surface plane. D’autre configurations d’élément intercalaire 22 sont bien sûr envisageables, notamment des configurations du type onde droite perforée, onde à décalage partiel, onde à vagues ou à arête de hareng (« herringbone » en anglais). Un élément 22 selon la Figure 4 est visible sur la Figure 5 à l’état monté, c’est-à-dire monté entre une première et une deuxième plaque 6, 7 directement voisines formant un passage 33. Le passage 33 est de forme globalement parallélépipédique et configuré pour canaliser le premier fluide parallèlement à la direction longitudinale z.
En fonctionnement, le premier fluide s’écoule sur la largeur du passage 33, mesurée suivant la direction latérale x, entre une entrée et une sortie du passage 33 situées à deux extrémités opposées suivant la longueur du passage 33, mesurée suivant la direction longitudinale z. Les jambes d’onde 123 délimitent au sein du passage 33 une pluralité de canaux 26 qui s’étendent parallèlement à la direction longitudinale z.
Comme on le voit sur la Figure 5, l’élément 22 s’étend de préférence sur la quasi-totalité, voire la totalité, de la hauteur des passages, mesurée suivant une direction verticale y perpendiculaire aux plaques 6, 7, de manière à être en contact ou quasi-contact avec les plaques 6, 7. Les sommets d’onde 121 et les bases d’onde 122 sont agencés parallèlement aux plaques 6, 7.
De préférence, l’élément intercalaire 22 est disposé en configuration dite « easyway » dans le passage 33, c’est-à-dire que les jambes d’onde 123 s’étendent globalement suivant la direction d’écoulement du premier fluide dans le passage 33. A noter qu’en service, la direction d’écoulement du premier fluide est de préférence verticale, le sens d’écoulement pouvant être ascendant ou descendant.
Avantageusement, on pourra agencer un élément intercalaire 22 selon l’invention dans une zone 3 d’un passage 33 de l’échangeur dans laquelle pénètre l’oxygène montant, l’élément intercalaire présentant ainsi en surface des porosités ou reliefs multipliant les sites d’amorçage pour la formation du bulles d’oxygène gazeux OG.
De préférence, chaque sommet d’onde 121 comprend une première portion d’assemblage 121 selon l’invention. La surface 121 a du sommet d’onde positionnée contre la première plaque 6 présente ainsi au moins une texturation de surface 23. Notons que les termes « positionnée contre », s’entendent d’une portion d’assemblage juxtaposée à une plaque, avec ou sans jeu existant entre tout ou partie de la portion et la plaque.
Avantageusement, chaque base d’onde 122 comprend une deuxième portion d’assemblage 122 configurée pour être assemblée, à l’état monté, avec la deuxième plaque 7.
Comme illustré sur la Figure 4, ladite deuxième portion d’assemblage comprend une deuxième paire de surfaces 122a, 122b opposées, celle 122b des surfaces de la deuxième paire orientée du côté de la deuxième plaque 7 présentant au moins une texturation de surface 23.
De préférence, chaque jambe d’onde 123 comprend une troisième paire de surfaces 123a, 123b opposées, l’une et l’autre des surfaces 123a, 123b de la troisième paire présentant ladite texturation de surface 23, de préférence sur sa totalité ou sa quasi-totalité.
La Figure 5 illustre un exemple où toutes les jambes d’onde 123 présentent au moins une texturation de surface sur leur deux surfaces 123a, 123b. Chaque canal 26 présente ainsi deux parois latérales dont les surfaces internes sont intensifiées.
De préférence, la première portion d’assemblage 121 présente également la texturation de surface 23 sur la surface 121 b de la première paire positionnée, à l’état monté, contre la deuxième plaque 7. La deuxième portion d’assemblage 122 peut aussi présenter la texturation de surface 23 sur la surface 122a de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque 6. Cela permet de maximiser la superficie de texturation de surface 23 présente sur l’élément intercalaire 22 et donc de maximiser l’efficacité de transfert thermique au sein des canaux 26 délimités par l’élément intercalaire.
Une telle configuration est illustrée sur la Figure 5. En fait, chaque canal 26 a une surface interne formée, à l’état monté, alternativement par la surface 122a d’une base d’onde 122 orientée vers la première plaque 6, la surface de la première plaque 6 orientée vers la base d’onde 122 et les surfaces respectives 123a, 123b des deux jambes d’onde 123 reliées aux extrémités de ladite base d’onde 122, et par la surface 121 b d’un sommet d’onde 121 orientée vers la deuxième plaque 7, la surface de la deuxième plaque 7 orientée vers le sommet d’onde 121 et les surfaces respectives 123a, 123b des deux jambes d’onde 123 reliées aux extrémités dudit sommet d’onde 121 . En agençant au moins une texturation de surface 23 sur les surfaces de l’élément intercalaire 22, on intensifie l’échange thermique au sein des canaux 26.
Avantageusement, le produit ondulé 22 peut être formé à partir d’un produit plat, tel une tôle ou feuillard, présentant deux surfaces opposées 22a, 22b, comme montré sur la Figure 6. L’une et l’autre de ces surfaces 22a, 22b présente la texturation de surface 23. Ce produit est ensuite mis en forme mécaniquement, par exemple par un outil de presse, puis agencé dans un passage de l’échangeur.
De préférence, le produit ondulé 22 présente la texturation de surface 23 sur la totalité ou la quasi-totalité de toutes ses surfaces.
Avantageusement, on forme au moins une texturation de surface 23 sur l’une et l’autre desdites faces opposées 22a, 22b. De préférence, les faces opposées 22a, 22b sur lesquelles la texturation de surface 23 est formée présentent ladite texturation, sur leur totalité ou leur quasi-totalité. La face 22a donne lieu, après mise en forme, aux surfaces 121 a, 123b, 122a du produit ondulé de la Figure 4. La face 22b donne lieu, après mise en forme, aux surfaces 123a, 121 b, 122b du produit ondulé de la Figure 4.
A noter que la quasi-totalité d’une face s’entend d’une portion représentant au moins 90%, de préférence au moins 95%, de préférence encore au moins 98% de la superficie de cette face.
Selon ce mode de réalisation, toutes les surfaces du produit 22 situées, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque 7 et toutes les surfaces du produit 22 situées, à l’état monté, du côté de la première plaque 6, présentent donc une texturation de surface 23.
Ainsi, on simplifie le procédé de fabrication puisque la texturation de surface peut être formée ou déposée sur les faces entières du produit ondulé sans nécessiter d’étape supplémentaire de masquage ou de post-traitement visant à éliminer la texturation de surface des portions à assembler.
Il n’est pas nécessaire de réaliser de texturation de surface après montage de l’élément intercalaires 22 dans l’échangeur puisque celui-ci présente déjà la texturation sur les zones souhaitées des ailettes. On peut ainsi incorporer une structure d’échange thermique à surface intensifiée dans l’échangeur tout en préservant l’intégrité structurelle de la matrice de l’échangeur et de ses canaux internes.
De préférence, le produit plat a une épaisseur d’au moins 0,15 mm, de préférence comprise entre 0,2 et 0,4 mm. Cette épaisseur est indiquée par la lettre « t » sur l’élément de la Figure 3. La mise en œuvre d’une texturation de surface 23 nécessite des flux thermiques importants, en particulier lorsque la fonction de la texturation de surface 23 est d’intensifier l’ébullition du premier fluide. Il est donc avantageux d’utiliser un élément intercalaire relativement épais, présentant donc des jambes d’ondes ou ailettes plus épaisses, afin de conserver un coefficient d’ailette le plus important possible, c’est-à-dire une meilleure aptitude des ailettes à transmettre la chaleur.
Il est également avantageux de travailler avec un élément intercalaire plus épais lorsque, du fait de l’intensification des échanges thermiques obtenue grâce à la texturation de surface, on souhaite réduire la densité de l’élément intercalaire afin de réduire les pertes de charges qu’il génère. On préserve alors le coefficient d’échange thermique de l’élément intercalaire en augmentant son épaisseur.
Etant noté que le coefficient d’ailette est typiquement compris entre 0 et 1 , celui-ci étant égal à 1 au point de contact avec une plaque adjacente et diminuant sur l’ailette lorsqu’on s’éloigne de la plaque. Le point situé au milieu de l’ailette est le point où le coefficient d’ailette est le plus faible. Travailler avec des ailettes plus épaisses permet de réduire la conduction thermique à travers l’ailette de la tôle séparatrice vers le point du milieu de l’ailette, ce qui augmente le coefficient d’ailette.
De préférence, le produit ondulé 22 a une densité, définie comme le nombre de jambes d’onde par unité de longueur mesuré le long de la direction latérale x, inférieure ou égale à 18 jambes par 2,54 centimètres, de préférence inférieure à 10 jambes d’onde par 2,54 centimètres, de préférence encore inférieure ou égale à 5 jambes d’onde par 2,54 centimètres. Avantageusement, la densité du produit ondulé 22 peut être comprise entre 1 et 5 jambes par 2,54 centimètres. A noter que ces valeurs de densités sont applicables à un élément intercalaire qui n’est pas nécessairement un produit ondulé, la densité étant alors définie comme le nombre d’ailettes par unité de longueur, mesuré suivant la direction latérale x.
L’utilisation d’une densité relativement faible permet de faciliter la phase de dépôt de la texturation de surface 23 sur les jambes d’ondes de l’élément intercalaire 22, la surface des jambes d’onde étant alors plus accessible. En outre, l’utilisation d’un produit ondulé de densité plus faible facilite l’élimination des bulles créées au niveau de la texturation de surface.
De préférence, l’élément intercalaire 22 comprend un substrat massif, ou dit autrement un substrat plein, en particulier un substrat non-poreux, sur lequel la texturation 23 est formée. Le substrat est visible en noir sur les figures 5 ou 6 par exemple. Selon la structure de l’élément intercalaire, le substrat peut comprendre une ou plusieurs premières et/ou deuxièmes portions d’assemblage, les ailettes ou jambes d’onde. De préférence, la texturation de surface 23 recouvre la totalité ou la quasi-totalité du substrat.
A noter que l’élément intercalaire est de préférence monobloc, c’est-à- dire formé d’une seule pièce.
Dans le cadre de l’invention, la texturation de surface 23 présente sur l’élément intercalaire 22 peut résulter d’un revêtement de surface déposé sur les substrats des éléments intercalaires, en particulier un revêtement déposé par voie liquide, notamment par trempage, pulvérisation ou par voie électrolytique, par voie sèche, notamment par dépôt chimique en phase vapeur (en anglais Chemical Vapor Déposition ou CVD) ou dépôt physique en phase vapeur (en anglais Physical Vapor Déposition ou PVD), ou par projection thermique, en particulier par flamme ou par plasma.
La texturation de surface 23 peut aussi résulter d’une modification de l’état de surface desdites pièces qui pourra être obtenu par un traitement chimique ou par un traitement mécanique, par exemple par sablage, rainurage....
Etant précisé que la texturation 23 vise à modifier l’état de surface de l’élément intercalaire et non à déformer en tout ou partie l’élément intercalaire.
Selon un mode préféré de réalisation, la texturation de surface 23 est sous la forme d’une structure poreuse, de préférence une couche poreuse. La structure poreuse peut par exemple être formée d’un dépôt de particules d’aluminium légèrement frittées, de filaments d’aluminium enchevêtrés, de particules d’aluminium semi fondues collées les unes aux autres, telles les particules d’aluminium qui sont obtenues après projection que l’on obtient en projection thermique par flamme.
De préférence, la texturation de surface est formée d’un alliage d’aluminium comprenant pour 100% de sa masse, au moins 80 % en masse d’aluminium, de préférence au moins 90%, de préférence encore au moins 99% en masse d’aluminium.
De préférence, la texturation de surface 23 présente, avant assemblage de l’élément intercalaire, une porosité ouverte comprise entre 15 et 60%, de préférence entre 20 et 45%, de préférence encore une porosité ouverte initiale comprise entre 25 et 35% (% en volume). A noter que la porosité ouverte est définie comme le rapport entre le volume des pores ouverts, c’est-à- dire les pores communiquant fluidiquement avec l’environnement extérieur dans lequel se situe l’élément intercalaire considéré, et le volume total de la structure poreuse.
Les pores de la structure poreuse 23 ont de préférence un diamètre compris entre 1 et 200 miti, de préférence compris entre 5 et 100 pm. Etant noté que les pores ne sont pas nécessairement de section circulaire mais peuvent présenter des formes irrégulières. Le terme « diamètre », couvre donc également un diamètre hydraulique équivalent qui peut être calculé à partir de mesure de la perte de charge subit par un écoulement gazeux à travers la structure poreuse et en supposant que les pores ont une forme régulière, notamment sphérique, cylindrique, ...
On pourra également caractériser la dimension des pores par leur volume. De préférence, les pores de la structure poreuse 23 ont un volume compris entre 1000 et 1 000 000 pm3. Le volume des pores pourra par exemple être déterminé par tomographie ou par analyse d’images de sections polies d’échantillons prises dans une multitude de directions dans l’espace.
De façon alternative, la texturation de surface 23 peut être sous la forme de reliefs, ou motifs, imprimés ou réalisés dans ou sur la surface du matériau constitutif du substrat d’un élément intercalaire. De préférence, ces reliefs définissent, en coupe transversale, des cavités ouvertes à la surface de l’élément. Par exemple, des micro-reliefs de taille ou morphologie diverses, tels des gorges, discrètes ou ininterrompues, des stries, des protubérances, ... pourront être formés ou déposés à la surface de l’élément considéré. Par micro- reliefs, on entend des reliefs qui ont au moins une dimension caractéristique faible par rapport à une dimension de l’élément, en particulier des reliefs qui s’étendent une hauteur, mesurée suivant une direction perpendiculaire à la surface de l’élément intercalaire présentant la texturation, et /ou une largeur, mesurée suivant une direction perpendiculaire à la surface de l’élément intercalaire présentant la texturation, de l’ordre de quelques micromètres et plusieurs centaines de micromètres. En particulier, les reliefs formant la texturation de surface 23 peuvent être réalisés par usinage laser ou mécanique et/ou chimique.
Selon un mode de réalisation, l’élément intercalaire 22 est destiné à être assemblé au moins à la première plaque 6, de préférence aux première et deuxième plaques 6, 7 par brasage.
De préférence, le brasage entre les première et deuxième portions d’assemblage 121 , 122 de l’élément intercalaire et les plaques 6, 7 est réalisé dans le cadre du brasage global de la matrice de l’échangeur. L’empilement de plaques, les éléments intercalaires et les autres éléments constitutifs de l’échangeur sont plaqués les uns contre les autres grâce à un dispositif de compression. La matrice ainsi formée est placée dans un four sous vide et chauffée à des températures comprises entre 550 et 650 °C, de préférence de l’ordre de 580 à 600 °C. La force de compression appliquée à la matrice est généralement de l’ordre de 20 000 à 40 000 N/m2.
De préférence, les plaques 6, 7 de l’échangeur sont des plaques colaminées comprenant une feuille centrale 40 dont chaque face est revêtue d’une couche d’agent de brasage 30. Un exemple d’une telle plaque 6 est illustré en Figure 2. Selon un autre mode de réalisation, l’agent de brasage 30 peut prendre la forme d’un feuillard ou d’une couche de revêtement de surface 30. La couche de revêtement 30 peut être déposée par pulvérisation ou par application au pinceau de l’agent de brasage 30 sous forme d’une suspension de poudre contenant la poudre, un dispersant, un liant, des additifs pour contrôler la viscosité. De préférence, les première et deuxième plaques 6, 7 sont exemptes de texturation de surface.
L’agent de brasage 30 est de préférence formé d’un matériau métallique ayant une température de fusion inférieure à celle des matériaux constitutifs des pièces 6, 22. Les pièces 6, 22 et 30 sont de préférence formées d’alliage d’aluminium. Les plaques 6 et les éléments 22 de l’échangeur sont avantageusement formées d’un premier alliage d’aluminium de la famille 3XXX, de préférence du type 3003 (norme ASME SB-2019 SECTION 2-B). L’agent de brasage 30 est formé d’un deuxième alliage d’aluminium, de préférence un alliage du type 4XXX (norme ASME SB-2019 SECTION 2-B), en particulier du type 4004.
Avantageusement, l’agent de brasage 30 a une épaisseur inférieure à 300 miti, de préférence comprise entre 50 et 200 prn. Ainsi, on évite un excès de brasure qui serait préjudiciable aux performances de l’échangeur puisqu’en s’écoulant en dehors de la zone du joint brasé, la brasure pourrait modifier la microstructure du revêtement ou de la texturation de surface et donc ses performances, en comblant les porosités ou cavités ou en favorisant la fermeture de la porosité ouverte de l’élément à surface intensifiée.
Selon un mode de réalisation particulier, on peut adapter la hauteur de l’élément 22 à la hauteur du passage 33 de sorte qu’il existe un jeu d’une valeur prédéterminée, tel qu’indiqué par la lettre « d » sur la Figure 5, entre les sommets d’onde 121 et la première plaque 6 et entre les bases d’onde 122 et la deuxième plaque 7. Ceci permet d’empêcher des remontées capillaires d’agent de brasage en dehors de la zone du joint brasé durant l’étape de brasage sous vide, ce qui peut être préjudiciable aux performances de l’échangeur puisqu’en s’écoulant, la brasure peut modifier la microstructure de la texturation de surface en comblant les porosités ou cavités présents en surface. De préférence, le jeu d est compris entre 0 et 0,1 mm, de préférence encore compris entre 0 et 0,05 mm.
De préférence, après liaison par brasage de la première portion d’assemblage de l’élément intercalaire 22 avec la première plaque 6 et/ou de la deuxième portion d’assemblage avec la deuxième plaque 7, la texturation de surface 23 est modifiée au niveau desdites première et deuxième portions d’assemblage 121 . En particulier, au moins partie de la texturation de surface 23 est infiltrée par l’agent de brasage 30 au niveau des portions d’assemblage 220, 60. Cet effet est lié à la force de compression appliquée aux pièces brasées et à l’ecouiement de l’agent de brasage 30 dans la texturation.
Selon le cas, la porosité ouverte ou les cavités de la texturation de surface 23 peuvent être en tout ou partie comblée par l’agent de brasage 30 au niveau de la première portion d’assemblage 121 et/ou de la deuxième portion d’assemblage.
De préférence, après formation de la liaison par brasage, la texturation de surface 23 présente au niveau de la première portion d'assemblage 121 et/ou de la deuxième portion d’assemblage, une porosité ouverte résiduelle comprise entre 0% et 90%, de préférence entre 10% et 50%, de la porosité ouverte initiale, c’est-à-dire avant formation de la liaison (0% indiquant que la porosité ouverte initiale est totalement comblée suite au brasage ou à ia liaison directe).
Plus généralement, ia texturation de surface 23 peut présenter avant liaison, au niveau des portions d'assemblage 220, 60, un volume initial de pores ou de cavités ouverts. Après liaison, la texturation de surface 23, au niveau de ia première portion d’assemblage 121 et de ia portion respective 60 de la plaque 6, un volume résiduel de pores ou de cavités ouverts représentant de 0% à 90%, de préférence de 10% à 50%, du volume initial de pores ou de cavités ouverts.
Avantageusement, après liaison, ia texturation de surface 23 est conservée en-debors de ia première portion d’assemblage 121 et de la portion respective 60 de ia plaque 6. En particulier, ia texturation de surface 23 présente, en-dehors des portions d’assemblage 121 , 60, une porosité ouverte identique ou quasi-identique à ia porosité ouverte initiale et/ou un volume de pores ou de cavités ouverts identique ou quasi-identique au volume de pores ou de cavités ouverts initial.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Elément intercalaire (22) pour échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, destiné à être monté entre une première plaque (6) et une deuxième plaque (7) de l’échangeur, ledit élément intercalaire (22) comprenant :
- au moins une première portion d’assemblage (121 ) configurée pour être assemblée avec la première plaque (6) et comprenant une première paire de surfaces (121 a, 121 b) opposées, l’une (121 a) des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la première plaque (6) et l’autre (121 b) des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la deuxième plaque (7) lorsque l’élément intercalaire (22) est à l’état monté,
- plusieurs ailettes ou jambes d’onde (123) s’étendant depuis ladite première portion d’assemblage (121 ) de façon à délimiter, lorsque l’élément intercalaire (22) est à l’état monté, une pluralité de canaux (26) pour l’écoulement d’un premier fluide, et
- au moins une texturation de surface (23) sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface de l’élément intercalaire (22), au moins une ailette ou jambe d’onde (123) présentant ladite texturation de surface (23),
caractérisé en ce que la première portion d’assemblage (121 ) présente ladite texturation de surface (23) sur la surface (121 a) de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque (6).
2. Elément selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l’élément intercalaire (22) comprend un substrat massif ou plein, la texturation de surface (23) étant formée sur une surface du substrat.
3. Elément selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite ailette ou jambe d’onde (123) comprend une troisième paire de surfaces (123a, 123b) opposées, l’une et l’autre des surfaces (123a, 123b) de la troisième paire présentant ladite texturation de surface (23).
4. Elément selon la revendication 3, caractérisé en ce que la totalité ou la quasi-totalité de l’une et l’autre des surfaces (123a, 123b) de la troisième paire présente ladite texturation de surface (23).
5. Elément selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première portion d’assemblage (121 ) présente la texturation de surface (23) sur la surface (121 b) de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque (7).
6. Elément selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première portion d’assemblage (121 ) présente la texturation de surface (23) sur la totalité ou la quasi-totalité de la surface (121 a) de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque (6) et/ou sur la totalité ou la quasi-totalité de la surface (121 b) de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque (7).
7. Elément selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une deuxième portion d’assemblage (122) configurée pour être assemblée avec la deuxième plaque (7) et comprenant une deuxième paire de surfaces (122a, 122b) opposées, l’une (122a) des surfaces de la deuxième paire étant orientée du côté de la première plaque (6) et l’autre (122b) des surfaces de la deuxième paire étant orientée du côté de la deuxième plaque (7) lorsque l’élément intercalaire (22) est à l’état monté, ladite deuxième portion d’assemblage (122) présentant la texturation de surface (23) sur la surface (122b) de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque (7).
8. Elément selon la revendication 7, caractérisé en ce que la deuxième portion d’assemblage (122) présente la texturation de surface (23) sur la surface (122a) de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque (6).
9. Elément selon l’une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la deuxième portion d’assemblage (122) présente la texturation de surface (23) sur la totalité ou la quasi-totalité de la surface (122b) de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque (7) et/ou sur la totalité ou la quasi-totalité de la surface (122a) de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque (6).
10. Elément selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la texturation de surface (23) est formée sur la totalité ou la quasi-totalité de l’élément intercalaire (22).
1 1 . Elément selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première portion d’assemblage (121 ) et/ou la deuxième portion d’assemblage (122) sont agencées, à l’état monté, parallèlement aux première et deuxième plaques (6, 7), les ailettes ou jambes d’onde (123) se succédant suivant une direction latérale (x) et délimitant, à l’état monté, une pluralité de canaux (26) configurés pour canaliser le premier fluide suivant une direction longitudinale (z) parallèle aux première et deuxième plaques (6, 7) et orthogonale à la direction latérale (x).
12. Elément selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la texturation de surface (23) est sous la forme d’une structure poreuse ayant une porosité ouverte comprise entre 15 et 60 %, de préférence une porosité ouverte comprise entre 20 et 45 % (% en volume), ou sous la forme de reliefs définissant, en coupe transversale, des cavités ouvertes à la surface de l’élément intercalaire (22).
13. Elément selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est sous la forme d’un produit ondulé (22) comprenant une succession de jambes d’onde (123) reliées alternativement par des sommets d’onde (121 ) et des bases d’onde (122), au moins un sommet d’onde (121 ) comprenant ladite première portion d’assemblage (121 ) et/ou au moins une base d’onde (122) comprenant ladite deuxième portion d’assemblage (122).
14. Elément selon la revendication 13, caractérisé en ce que les jambes d’onde (123) se succèdent selon une direction latérale (x), le produit ondulé (22) ayant une densité, définie comme le nombre de jambes d’onde par unité de longueur mesuré le long de la direction latérale (x), inférieure à 18 jambes par 2,54 centimètres, de préférence inférieure à 10 jambes d’onde par 2,54 centimètres, de préférence encore inférieure ou égale à 5 jambes d’onde par 2,54 centimètres.
15. Elément selon l’une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que le produit ondulé (22) est formé à partir d’un produit plat comprenant deux faces opposées (22a, 22b), lesdites faces opposées (22a, 22b) présentant sur leur totalité ou leur quasi-totalité la texturation de surface (23).
16. Echangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés comprenant une pluralité de plaques (6, 7) agencées parallèlement entre elles de façon à définir une série de passages pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide, et au moins un élément intercalaire (22) monté entre une première et une deuxième plaque (6, 7) formant un passage (33) de façon à délimiter, au sein dudit passage (33), plusieurs canaux (26) pour l’écoulement dudit premier fluide, caractérisé en ce que l’élément intercalaire (22) est selon l’une des revendications 1 à 15.
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