EP4036511A1 - Echangeur de chaleur a plaques - Google Patents
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- EP4036511A1 EP4036511A1 EP22153846.5A EP22153846A EP4036511A1 EP 4036511 A1 EP4036511 A1 EP 4036511A1 EP 22153846 A EP22153846 A EP 22153846A EP 4036511 A1 EP4036511 A1 EP 4036511A1
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- F28F2275/205—Fastening; Joining with threaded elements with of tie-rods
Definitions
- the present invention relates to a plate heat exchanger.
- a type of heat exchanger called a plate exchanger is known. It is composed of a large number of plates arranged parallel to each other and separated from each other by a small space where fluids circulate. In order to avoid leaks, the plates are assembled together by welding, brazing or using gaskets.
- first longitudinal channels for a first fluid such as hot water
- second transverse channels for a second fluid such as the viscous fluid to be heated
- the solution usually adopted is to increase the thickness of the support plates, up to more than ten centimeters.
- the invention relates to a plate heat exchanger between a first fluid and a second fluid, comprising a plurality of pairs of substantially planar plates arranged one on top of the other, such that the first fluid flows between the two plates of each pair and the second fluid flows between the pairs of plates, the two plates of each pair being welded so as to define at least a first channel for the circulation of the first fluid, the plates of two pairs being welded so as to define at least one second channel for the circulation of the second fluid, two slabs enclosing the plates being fixed to each other by a plurality of tie rods, characterized in that at least one tie rod, called the central tie rod, pierces the plates , said central tie rod piercing said second channel.
- the two plates of each pair are welded so that said at least one first channel bypasses a piercing zone of said central tie rod.
- the two plates of each pair are further welded so as to define tongues via which the plates of two pairs are welded.
- the weld forming an inner edge of said tongues is interrupted so as to form openings of the first channel.
- the slabs have thicknesses of less than 5 cm, or even less than 4 cm.
- the invention relates to an architecture of a plate heat exchanger 1, mainly comprising a plurality of pairs of substantially planar plates 10, 11 arranged one on top of the other.
- These are typically metal sheets "as is”, with a thickness of the order of one to a few millimeters, for example 1.5 mm, welded to each other as will be seen, and usually deformed by twisting or swelling.
- the architecture conforming to figure 1a , 1b is particularly preferred, but not at all limiting.
- This heat exchanger 1 is for heat exchange between a first fluid which is in particular a fluid providing heat and preferably low viscosity, for example hot water; and a second fluid which is in particular a fluid to be heated and preferably viscous, for example sugar cane or vinasse (residue from the distillation of alcoholic liquids).
- first fluid which is in particular a fluid providing heat and preferably low viscosity, for example hot water
- second fluid which is in particular a fluid to be heated and preferably viscous, for example sugar cane or vinasse (residue from the distillation of alcoholic liquids).
- first and second fluids will be limited.
- FIG. 3a-3f which will be described later, and in particular the figure 3c , illustrate in more detail how the plates 10, 11 can be stacked.
- the picture 1a there are in practice many more plates in the exchanger 1, in practice at least a hundred.
- each plate 10a, 11a, 10b, 11b is in contact with two adjacent plates, the other plate of its pair and a plate of another pair.
- the plates 10a, 11a, 10b, 11b are arranged such that the first fluid flows between the two plates 10a, 11a, 10b, 11b of each pair (in first channels which will be denoted 20a, 20b) and the second fluid flows between the pairs of plates 10a, 11a, 10b, 11b (in second channels which will be denoted 21).
- first channels which will be denoted 20a, 20b
- second channels which will be denoted 21
- the flows of the first and second fluids preferably being in orthogonal directions (although coplanar).
- a marker having a longitudinal direction x, a transverse direction y and an azimuthal direction z, advantageously orthogonal in pairs, as shown in most of the figures.
- the heat exchanger 1 comprises two slabs 2, 3 enclosing all the plates 10a, 11a, 10b, 11b (in “sandwich”), including an upper slab 2 (visible on the figure 1b ) and a bottom slab 3.
- slabs 2, 3 have only a structural function and no thermal function (they are moreover in contact neither with the first fluid nor with the second fluid).
- the present slabs do not need to be as massive as in the prior art, and they may have (including for sizes of slabs 2, 3 of several square meters), thicknesses of less than 5 cm, or even less than 4 cm, advantageously about 2.5 cm.
- the slabs 2, 3 are fixed to one another by a plurality of tie rods 5a, 5b.
- the tie rods are always long bars extending over the entire height of the exchanger 1, i.e. the thickness of all the plates 10a, 10b, 11a, 11c, generally threaded at least at their ends and of a diameter generally around 2 to 4 cm.
- the exchanger is distinguished in that at least one tie rod 5b called the central tie rod pierces the plates 10a, 11a, 10b, 11b (preferably all the plates), as shown for example [ Fig. 2 ] which will be described in more detail later. More specifically, there are advantageously always peripheral tie rods 5a that do not pierce the plates 10a, 11a, 10b, 11b, but there is also at least one “central” tie rod. In the example of the figure 1b there are six central tie rods 5b.
- the central tie(s) pierce at least one channel 20a, 20b, 21 between two consecutive plates 10a, 11a, 10b, 11b, preferably all the second channels 21, and even more preferably no first channel 20a , 20b, ie is directly in contact with at least one fluid (preferably only the second fluid).
- the two plates 10, 11 of a pair, arranged one on the other (i.e. stacked), are welded to each other in particular by means of laser welding.
- this weld advantageously defines at least a first channel 20 extending between said plates 10, 11.
- the inlet and the outlet can be on the same edge as is particularly the case in the architecture of figure 1a and 1b , but also on opposite edges (see the figure 3b which will be described later).
- said edges are the longitudinal edges (ie the edges at the longitudinal ends, which extend in the transverse direction).
- channel is meant any element capable of conducting the fluid between the plates 10, 11 of a pair from the inlet to the outlet. It will be understood that those skilled in the art will be able to define by means of laser welds any channel geometry of their choice, examples will be seen later.
- the channel(s) can be of any shape.
- the weld may comprise a "stitching", that is to say local welds (in particular weld points) distributed over the entire surface of the plates 10, 11 to bind the latter.
- a switching that is to say local welds (in particular weld points) distributed over the entire surface of the plates 10, 11 to bind the latter.
- Such a mode is preferred for a gaseous fluid such as steam hot, the fluid does not in fact have a predetermined path and will be distributed randomly throughout the space offered to it.
- each channel is a continuous element of more or less constant section imposing a given path of the fluid between the plates 10, 11.
- Such an embodiment is preferred for a liquid fluid, because the control of the section then makes it possible to control the speed of the fluid and therefore the amount of heat exchange.
- the channel or channels 20 meander between the plates 10, 11, in particular to cover a large part of their surface and maximize heat exchange.
- channel or channels 20 pass through the pair of plates 10, 11 in the longitudinal direction, ie extend from one longitudinal edge to the longitudinal edge, but because of the serpentine it is quite possible that they present locally a transverse flow direction (as is the case in the example shown) or even longitudinal in the opposite direction especially if the exit is on the same edge as the entrance.
- a third embodiment can combine the first and second embodiment: in the vicinity of the edges there are channels of the type of those of the first embodiment, forming baffles, which open into a central cavity of the type of that of the second embodiment of achievement.
- Two pairs of plates 10a, 10b, 11a, 11b can be welded together, for example via tabs 100, 101, 110, 111 along said opposite edges, as can be seen for example on the figure 3a and 3b .
- tabs By tabs is meant end strips of a predetermined width (in particular a few millimeters to a few centimeters, advantageously about 2 cm), which can also be defined by laser welding of the two plates 10, 11 of the same pair, along which they are folded. Then, the tongues 100, 101, 110, 111 are the parts of the plates 10, 11 beyond the weld which remain “free", that is to say capable of pivoting around said weld. This weld can therefore be used as a hinge around which the tongues 100, 101, 110, 111 can pivot so as to separate their outer edges. Folded in this way, the tabs 100, 101, 110, 111 form a “bellows”.
- the tongues 100, 101, 110, 111 can have a predetermined angle relative to the plates 10a, 11a, 10b, 11b of the pair.
- Said predetermined angle is advantageously between 30° and 60°, even more advantageously between 40° and 50°, and even more advantageously around 45°.
- a tab of 2 cm allows for a gap of 1.1 cm, which allows interpair channels with a gap of 1.9 cm (for sheets 1.5 mm thick).
- Each plate 10a, 10b, 11a, 11b thus has two tabs referenced 100a, 101a, 110a, 111a, 100b, 101b, 110b, 111b (they are not all shown in the figures) on its opposite (longitudinal) edges.
- the tongues 100 and 101 are those of the first plate 10
- the tongues 110 and 111 are those of the second plate 11.
- the tongues 100 and 110 are "proximal”, that is to say at the level of a first longitudinal edge
- the tongues 101 and 111 are "distal”, that is to say at the level of the other longitudinal edge.
- the tongues 110a, 111a of a second plate 11a of the first pair a can be welded with the tongues 100b, 101b of a first plate 10b of the second pair b.
- This last weld is advantageously lasered again (even if it could be made using any other conventional technique), and preferably at the outer edges of the tongues so as to form a wide second channel 21 between the first and second pairs, of which one note that it extends transversely.
- the laser welding of the two plates 10, 11 of the same pair "defines" the channel or channels 20 and the tongues 100, 101, 110, 111, that is to say that it delimits them, and in particular forms the sides of the channels 20 (if there are meandering channels) and the inner edge of the tabs 100, 101, 110, 111.
- laser welding makes it easy and efficient to fuse together the plates 10, 11 along a continuous path, i.e. if there are k channels to constitute k+1 watertight barriers from one edge (longitudinal) to the other.
- Said weld forming the tongues 100, 101, 110, 111 is preferably interrupted so as to form openings of the channels 20, ie their inputs/outputs, as can be seen in particular on the figure 3a and 3f , as well as figure 3e which illustrates a cut at such an opening.
- the two plates 10, 11 of each pair are welded so that said at least one first channel 20 circumvents a drilling zone 12 of said central tie rod 5b, called "dead zone" 12 in which the first fluid cannot flow.
- dead zone 12 is meant a closed space which is not in fluidic connection with the channel 20, hence the fact that the channel 20 “bypasses” this zone.
- a dead zone 12 is created when the weld forms a loop (i.e. follows a closed continuous trajectory that does not pass the same point again).
- a dead zone 12 is thus separated in a sealed manner from the channels 20, and it is therefore possible to drill therein (the interior of a dead zone can moreover be cut out and removed).
- a central tie rod 5b can be inserted therein passing through all the pairs of plates 10a, 10b, 11a, 11b.
- the passage of the central tie creates at worst a fluidic connection between two channels 21, which in practice is not serious since all the channels of the same type transport the same fluid at substantially the same temperature, but no fluidic connection between two channels 20, 21 of different nature, and therefore no risk of "mixing" of the two fluids.
- the pulling 5b even acts as a thermal conduction element and increases transfers.
- each side of the ring 4 is also welded to the two plates. neighbors (respectively the plates 10b and 11a).
- the rings 4 thus form "pillars" in the second channels 21 only marginally hindering the flow of the second fluid, and a cylinder receiving the central tie rod 5b.
- the central tie rod 5b then no longer pierces the second channel 21 (since the channel 21 bypasses the ring 4, and thus its interior volume is "cut off” from the channel 21) and is consequently separated in a sealed manner from the second fluid (and from the first fluid as previously explained).
- the ring 4 can coincide with this drilling zone so as to form for the central tie rod 5b a completely sealed cylinder extending through all the plates 10a, 10b, 11a, 11b .
- the tie rod can directly pierce the first channels 20a, 20b (ie without dead zone 12), creating at worst a fluidic connection between them, which again is not serious since all the channels of the same type transport the same fluid substantially at the same temperature, but no fluidic connection between two channels 20, 21 of different nature, and therefore no risk of “mixing” of the two fluids.
Abstract
Description
- La présente invention concerne un échangeur de chaleur à plaques.
- On connait un type d'échangeur de chaleur appelé échangeur à plaques. Il est composé d'un grand nombre de plaques disposées parallèlement les unes aux autres et séparées les unes des autres d'un petit espace où circulent les fluides. Afin d'éviter les fuites, les plaques sont assemblées entre elles par soudage, par brasure ou à l'aide de joints.
- L'avantage de ce type d'échangeur est sa simplicité qui en fait un échangeur peu coûteux et convenant particulièrement aux échanges sur fluides difficiles, chargés de matières en suspension ou visqueux.
- Selon une structure particulière, les espaces entre deux plaques successives définissent alternativement des premiers canaux longitudinaux (pour un premier fluide tel que de l'eau chaude) et des deuxièmes canaux transversaux (pour un deuxième fluide tel que le fluide visqueux à chauffer), telle que décrite notamment dans la demande
EP0186592 . - Toutefois, un tel échangeur nécessite de prévoir deux plaques dites de soutien dès que le fluide traversant les canaux présente une légère pression. Comme représenté par la figure 6 de la demande
EP0186592 ces plaques de soutien sont disposées de part et d'autre des plaques d'extrémité, i.e. elles viennent prendre en sandwich la totalité des plaques d'échange (lesquelles sont fines et fragiles), et sont réunies l'une à l'autre par des tirants, dimensionnés et répartis autour des plaques d'échange pour encaisser les efforts en « expansion » dus à la pression du fluide circulant. - Le problème est que ces plaques de soutien contraignent en pratique la taille possible de ce type d'échangeur. En effet, on constate que les contraintes sur ces plaques de soutien augmentent exponentiellement avec le volume de l'échangeur, avec un risque de déformation voire de rupture de ces plaques de soutien qui causerait l'explosion de tout l'échangeur. On pourrait rajouter de nombreux tirants sur toute la périphérie des plaques, mais une telle solution ne suffit plus pour des plaques dont la longueur peut être de plusieurs mètres.
- Ainsi, la solution habituellement retenue est d'augmenter l'épaisseur des plaques de soutien, jusqu'à plus d'une dizaine de centimètres.
- Dans la mesure où ces plaques de soutien sont généralement en inox, on comprend que le coût de plaques d'une telle épaisseur constitue un frein élevé à l'augmentation de tailles des échangeurs de chaleurs à plaques
- Il serait par conséquent souhaitable de disposer d'une nouvelle structure d'échangeur de chaleur à plaques simple, sure, peu couteuse et qui ne présente pas les limitations de l'état de l'art.
- Selon un premier aspect, l'invention concerne un échangeur de chaleur à plaques entre un premier fluide et un deuxième fluide, comprenant une pluralité de paires de plaques sensiblement planes disposées l'une sur l'autre, telles que le premier fluide s'écoule entre les deux plaques de chaque paire et le deuxième fluide écoule entre les paires de plaques, les deux plaques de chaque paire étant soudées de sorte à définir au moins un premier canal pour la circulation du premier fluide, les plaques de deux paires étant soudées de sorte à définir au moins un deuxième canal pour la circulation du deuxième fluide, deux dalles enserrant les plaques étant fixées l'une à l'autre par une pluralité de tirants, caractérisé en ce qu'au moins un tirant dit tirant central perce les plaques, ledit tirant central perçant ledit deuxième canal.
- Selon des caractéristiques avantageuses et non-limitatives :
- Les deux plaques de chaque paire sont soudées de sorte que ledit au moins un premier canal contourne une zone de perçage dudit tirant central.
- On a un unique premier canal par paire de plaques, les deux plaques de chaque paire étant soudées selon un ensemble de points de soudure répartis sur toute la surface des plaques.
- Les deux plaques de chaque paire sont en outre soudées de sorte à définir des languettes via lesquelles les plaques de deux paires sont soudées.
- La soudure formant un bord intérieur desdites languettes est interrompue de sorte à former des ouvertures du premier canal.
- Les dalles présentent des épaisseurs de moins de 5 cm, voire moins de 4 cm.
- D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- Les
figures 1a et1b sont une coupe transversale et une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; - La
figures 2 est un détail agrandi de lafigure 1a ; - La
figure 3a représente un premier mode de réalisation de paires plaques d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; - Les
figures 3b-3e illustrent des coupes selon quatre plans dans la paire de plaque de lafigure 3b ; - La
figure 3f représente un deuxième mode de réalisation de paires plaques d'un échangeur de chaleur selon l'invention. - En référence aux
figure 1a etfigure 1b , l'invention concerne une architecture d'un échangeur de chaleur 1 à plaques, comprenant principalement une pluralité de paires de plaques 10, 11 sensiblement planes disposées l'une sur l'autre. Il s'agit typiquement de tôles métalliques « en l'état », d'une épaisseur de l'ordre d'un à quelques millimètres, par exemple 1.5 mm, soudées l'une à l'autre comme l'on verra, et généralement déformées par torsion ou gonflement. L'architecture conforme auxfigures 1a ,1b est particulièrement préférée, mais pas du tout limitative. - Cet échangeur de chaleur 1 est pour l'échange thermique entre un premier fluide qui est en particulier un fluide apportant de la chaleur et préférentiellement peu visqueux, par exemple de l'eau chaude ; et un deuxième fluide qui est en particulier un fluide à chauffer et préférentiellement visqueux, par exemple de la canne à sucre ou de la vinasse (résidu de la distillation des liquides alcooliques). On ne sera cependant limité à aucun couple de premier et deuxième fluide.
- Sur la
figure 1b , on voir à gauche les entrée/sortie de premier fluide, en bas l'entrée de second fluide (par le dessus) et en haut une boite de recirculation du deuxième fluide. - Les
figures 3a-3f qui seront décrites plus loin, et en particulier lafigure 3c , illustrent plus en détail comment les plaques 10, 11 peuvent être empilées. On a dans ces exemples quatre plaques 10a, 11a, 10b, 11b, i.e. deux paires de plaques, mais l'homme du métier saura transposer l'invention à n'importe quel nombre supérieur de paires de plaques. Comme l'on voit sur lafigure 1a il y a en pratique bien plus de plaques dans l'échangeur 1, en pratique au moins une centaine. - De façon générale, dans la suite de la description on référencera 10 et 11 les deux plaques d'une paire quelconque (avec arbitrairement 10 la première plaque et 11 la deuxième plaque de la paire), a, b, c, etc. les paires. En effet, toutes les paires de plaques seront avantageusement identiques. On comprend qu'à l'exception des plaques extrémales, chaque plaque 10a, 11a, 10b, 11b est en contact avec deux plaques adjacentes, l'autre plaque de sa paire et une plaque d'une autre paire.
- Les plaques 10a, 11a, 10b, 11b sont disposées de telle sorte que le premier fluide s'écoule entre les deux plaques 10a, 11a, 10b, 11b de chaque paire (dans des premiers canaux que l'on notera 20a, 20b) et le deuxième fluide écoule entre les paires de plaques 10a, 11a, 10b, 11b (dans des deuxièmes canaux que l'on notera 21). En d'autres termes on a alternativement un écoulement du premier fluide et un écoulement du deuxième fluide en parcourant l'empilement de plaques 10a, 11a, 10b, 11b, les écoulements des premiers et deuxièmes fluides étant préférentiellement selon des directions orthogonales (bien que coplanaires).
- Par commodité, on peut définir un repère présentant une direction longitudinale x, une direction transversale y et une direction azimutale z, avantageusement orthogonales deux à deux, telles que représentées sur la plupart des figures.
- En particulier :
- la dimension azimutale z correspond à la direction d'empilement des plaques 10a, 11a, 10b, 11b ;
- les plaques 10a, 11a, 10b, 11b sont préférentiellement sensiblement rectangulaires, et s'étendent ainsi selon les directions longitudinale et transversale, i.e. parallèlement au plan xOy;
- la direction longitudinale x correspond à la direction d'écoulement d'un premier fluide entre les deux plaques 10, 11 de chaque paire ;
- la direction transversale y correspond à la direction d'écoulement d'un deuxième fluide entre les paires de plaques 10, 11 (une première plaque d'une paire et une deuxième plaque d'une autre paire).
- Outre les plaques 10a, 10b, 11a, 11b, l'échangeur de chaleur 1 comprend deux dalles 2, 3 enserrant toutes les plaques 10a, 11a, 10b, 11b (en « sandwich »), dont une dalle supérieure 2 (visible sur la
figure 1b ) et une dalle inférieure 3. - Il s'agit des « plaques de soutien » telles qu'évoquées précédemment, mais on utilisera le terme « dalle » pour éviter toute confusion avec les plaques 10a, 10b, 11a, 11b d'échange thermique. En effet, les dalles 2, 3 n'ont qu'une fonction structurelle et pas de fonction thermique (elles ne sont d'ailleurs en contact ni avec le premier fluide ni avec le second fluide).
- Comme l'on verra, les présentes dalles n'ont pas besoin d'être aussi massives que dans l'art antérieur, et elles pourront avoir (y compris pour des tailles de dalles 2, 3 de plusieurs mètres carrés), des épaisseurs de moins de 5 cm, voire moins de 4 cm, avantageusement environ 2.5 cm.
- De manière connue, les dalles 2, 3 sont fixées l'une à l'autre par une pluralité de tirants 5a, 5b. Les tirants sont toujours de longues barres s'étendant sur toute la hauteur de l'échangeur 1, i.e. l'épaisseur de l'ensemble des plaques 10a, 10b, 11a, 11c, généralement filetées au moins à leurs extrémités et d'un diamètre généralement de l'ordre de 2 à 4 cm.
- Ici, l'échangeur se distingue en qu'au moins un tirant 5b dit tirant central perce les plaques 10a, 11a, 10b, 11b (préférentiellement toutes les plaques), comme représenté par exemple la [
Fig. 2 ] qui sera décrite plus en détail plus loin. Plus précisément, on a avantageusement toujours des tirants périphériques 5a ne perçant pas les plaques 10a, 11a, 10b, 11b, mais on a en plus au moins un tirant « central ». Dans l'exemple de lafigure 1b on a six tirants centraux 5b. - On comprend aisément que de tels tirants centraux 5b ont une bien meilleure efficacité mécanique dans le maintien des dalles 2, 3 qui encaissent de la sorte bien moins de contraintes, d'où l'épaisseur moindre possible, mais semblent poser de nombreux problèmes aussi bien d'étanchéité que de rendement thermique, c'est pourquoi l'homme du métier n'aurait jamais tenté une telle structure. Comme l'on verra plus loin, le ou les tirants centraux percent au moins un canal 20a, 20b, 21 entre deux plaques 10a, 11a, 10b, 11b consécutives, préférentiellement tous les deuxièmes canaux 21, et encore plus préférentiellement aucun premier canal 20a, 20b, i.e. est directement au contact d'au moins un fluide (préférentiellement seulement le second fluide).
- Néanmoins, comme l'on verra plus loin, ces problèmes sont contre toute attente soit minimes, soit facilement contournables, de sorte que la présence de tirants centraux 5b s'avère bien plus avantageuse que les architectures connues à seuls tirants périphériques 5a, permettant d'ouvrir la possibilité d'échangeurs de grande taille à coût réduits.
- De manière classique, les deux plaques 10, 11 d'une paire, disposées l'une sur l'autre (i.e. empilées), sont soudées l'une avec l'autre en particulier au moyen d'une soudure laser.
- En référence à la
figure 3a , cette soudure définit avantageusement au moins un premier canal 20 s'étendant entre lesdites plaques 10, 11. L'entrée et la sortie peuvent être sur le même bord comme c'est en particulier le cas dans l'architecture desfigures 1a et1b , mais également sur des bords opposés (voir lafigure 3b qui sera décrite plus loin). Dans le repère défini avant, lesdits bords sont les bords longitudinaux (i.e. les bords aux extrémités longitudinales, lesquelles s'étendent selon la direction transversale). - Par « canal » on entend tout élément capable de conduire le fluide entre les plaques 10, 11 d'une paire de l'entrée à la sortie. On comprendra que l'homme du métier pourra définir au moyen des soudures laser toute géométrie de canal de son choix, on verra des exemples plus loin. Le ou les canaux peuvent être de n'importe quelle forme.
- Dans le mode de réalisation de la
figure 3a , on un vaste canal unique occupant tout l'espace entre les plaques 10, 11, i.e. une cavité. De manière particulièrement préférée, comme représenté, la soudure peut comprendre un « piquage », c'est-à-dire des soudures locales (en particulier points de soudure) répartis sur toute la surface des plaques 10, 11 pour lier ces dernières. Un tel mode est préféré pour un fluide gazeux tel que de la vapeur chaude, le fluide n'a en effet pas de trajet prédéterminé et va se répartir aléatoirement dans tout l'espace qui lui est offert. - Les figues 3b-3e illustrent quatre coupes à des positions différentes dans la paire de plaques de la
figure 3a : - la coupe AA (
figure 3b ) est entre les piquages. On voit que le canal s'étend continument dans cette coupe d'un bord à l'autre ; - la coupe BB (
figure 3c ) est le long d'un rang de piquages. On a donc des contacts ponctuels entre les deux plaques 10, 11 qui correspondent aux soudures des piquages ; - la coupe CC (
figure 3d ) est le long d'un rang de piquages comprenant des zones mortes 12 pour le passage des tirants centraux 5b, lesquelles seront décrites plus loin ; - la coupe DD (
figure 3e ) correspond à nouveau à une coupe le long d'un rang de piquage (comme la coupe BB représentée par lafigure 3c ), mais cette fois-ci au niveau d'ouvertures du canal 20, on voit que les languettes 100, 110 ne se touchent pas pour permettre une entrée ou une sortie du premier fluide. - Dans un deuxième mode de réalisation correspondant à la
figure 3F , chaque canal est un élément continu de section plus ou moins constante imposant un trajet donné du fluide entre les plaques 10, 11. Un tel mode de réalisation est préféré pour un fluide liquide, car le contrôle de la section permet alors de contrôler la vitesse du fluide et donc la quantité d'échanges thermique. Dans l'exemple représenté, on a ainsi deux premiers canaux 20 côte à côte, lesquels peuvent éventuellement communiquer. De façon préféré le ou les canaux 20 serpentent entre les plaques 10, 11, en particulier pour recouvrir une grande partie de leur surface et maximiser les échanges thermiques. On comprend que le ou les canaux 20 traversent la paire de plaques 10, 11 selon la direction longitudinale, i.e. s'étendent d'un bord longitudinal à bord longitudinal, mais du fait du serpentage il est tout à fait possible qu'ils présentent localement une direction d'écoulement transversale (comme c'est le cas dans l'exemple représentés) voire longitudinale en sens inverse en particulier si la sortie est sur le même bord que l'entrée. - Un troisième mode de réalisation peut combiner les premier et deuxième mode de réalisation : au voisinage des bords on a des canaux du type de ceux du premier mode de réalisation, formant des chicanes, lesquels débouchent dans une cavité centrale du type de celui du deuxième mode de réalisation.
- Deux paires de plaques 10a, 10b, 11a, 11b peuvent être soudées l'une à l'autre par exemple via des languettes 100, 101, 110, 111 le long desdits bords opposés, comme l'on voit par exemple sur les
figures 3a et3b . - Par languettes, on entend des bandes extrémales d'une largeur prédéterminée (en particulier quelques millimètres à quelques centimètres, avantageusement environ 2 cm), qui peuvent être définie également par soudure laser des deux plaques 10, 11 d'une même paire, le long desquelles elles sont pliées. Alors, les languettes 100, 101, 110, 111 sont les parties des plaques 10, 11 au-delà de la soudure qui restent « libres », c'est-à-dire apte à pivoter autour de ladite soudure. Cette soudure peut donc être utilisé comme une charnière autour de laquelle les languettes 100, 101, 110, 111 peuvent pivoter de sorte à écarter leurs bords extérieurs. Ainsi pliées, les languettes 100, 101, 110, 111 forment un « soufflet ». Les languettes 100, 101, 110, 111 peuvent présentent un angle prédéterminé par rapport aux plaques 10a, 11a, 10b, 11b de la paire. Ledit angle prédéterminé est avantageusement compris entre 30° et 60°, encore plus avantageusement compris entre 40° et 50°, et encore plus avantageusement autour de 45°. Dans le cas d'un angle de 45°, une languette de 2 cm permet d'un écart de 1.1 cm, ce qui permet des canaux interpaires de 1.9 cm d'écart (pour des tôles de 1.5 mm d'épaisseur).
- Chaque plaque 10a, 10b, 11a, 11b présente ainsi deux languettes référencées 100a, 101a, 110a, 111a, 100b, 101b, 110b, 111b (elles ne sont pas toutes représentées sur les figures) sur ses bords (longitudinaux) opposés. Par convention, les languettes 100 et 101 sont celles de la première plaque 10, et les languettes 110 et 111 sont celles de la deuxième plaque 11. Par ailleurs, les languettes 100 et 110 sont « proximale » c'est-à-dire au niveau d'un premier bord longitudinal, et les languettes 101 et 111 sont « distales » c'est-à-dire au niveau de l'autre bord longitudinal.
- Ainsi, les languettes 110a, 111a d'une deuxième plaque 11a de la première paire a peuvent être soudées avec les languettes 100b, 101b d'une première plaque 10b de la deuxième paire b.
- Cette dernière soudure est avantageusement à nouveau au laser (même si elle pourra être faite de toute autre technique conventionnelle), et préférentiellement au niveau des bords extérieurs des languettes de sorte à former un large deuxième canal 21 entre les première et deuxième paires, dont on remarque qu'il s'étend transversalement.
- Comme expliqué, tout ou partie de cette structure peut être répétée de sorte à obtenir un échangeur 1 à 2n plaques soudées (i.e. n paires de plaques, les paires étant soudées entres elles).
- La soudure laser des deux plaques 10, 11 de la même paire « définit » le ou les canaux 20 et les languettes 100, 101, 110, 111, c'est-à-dire qu'elle les délimite, et forme en particulier les flancs des canaux 20 (s'il y a des canaux serpentant) et le bord intérieur des languettes 100, 101, 110, 111. En effet, la soudure laser permet aisément et efficacement de fondre ensemble les plaques 10, 11 le long d'un trajet continu, i.e. s'il y a k canaux de constituer k+1 barrières étanches d'un bord (longitudinal) à l'autre.
- On peut avoir des courtes lignes de soudures pour complexifier le trajet du fluide et éventuellement augmenter un caractère turbulent de l'écoulement (pour augmenter les transferts thermiques).
- On comprend que la soudure seule forme ces éléments, i.e. qu'il n'y a besoin d'aucune autre opération telle qu'un emboutissage ou un perçage pour les former.
- Ladite soudure formant les languettes 100, 101, 110, 111 est préférentiellement interrompue de sorte à former des ouvertures des canaux 20, i.e. leurs entrées/sorties, comme l'on voit notamment sur les
figures 3a et3f , ainsi que lafigure 3e qui illustre une coupe au niveau d'une telle ouverture. - Plus précisément, il y a avantageusement existence d'une ouverture du seul fait d'absence de soudure locale : on répète que c'est la soudure qui génère intégralement les canaux et leurs ouvertures. L'homme du métier pourra à ce titre consulter la demande
FR3079606 - De manière particulièrement préférée, comme l'on voit sur les
figures 3a et3f , ainsi que lafigure 3d qui illustre une coupe à ce niveau, les deux plaques 10, 11 de chaque paire sont soudées de sorte que ledit au moins un premier canal 20 contourne une zone de perçage 12 dudit tirant central 5b, dite « zone morte » 12 dans laquelle le premier fluide ne peut pas circuler. - Par zone morte 12 on entend un espace clos qui n'est pas en connexion fluidique avec le canal 20, d'où le fait que le canal 20 « contourne » cette zone. Une zone morte 12 se créée dès lors que la soudure forme une boucle (i.e. suit une trajectoire continue fermée repassant pas un même point).
- L'intérieur d'une zone morte 12 est ainsi séparée de manière étanche des canaux 20, et on peut donc y percer (l'intérieur d'une zone morte peut d'ailleurs être découpé et retiré). Ainsi, en supposant que les zones mortes 12 de plusieurs paires de plaques 10a, 10b, 11a, 11b sont alignées, on peut y insérer un tirant central 5b traversant toutes les paires de plaques 10a, 10b, 11a, 11b.
- On comprend que dans une telle configuration :
- Le tirant central 5b ne perce aucun premier canal 20a, 20b (puisqu'il est dans les zones mortes 12)
- Le tirant central 5b perce tous les deuxième canaux 21.
- Ainsi, le passage du tirant central crée au pire une connexion fluidique entre deux canaux 21, ce qui n'est en pratique pas grave puisque tous les canaux du même type transportent le même fluide sensiblement à la même température, mais aucune connexion fluidique entre deux canaux 20, 21 de nature différente, et donc aucun risque de « mélange » des deux fluides. Le tirant 5b agit même comme élément de conduction thermique et augmente les transferts.
- En référence à la
figure 2 , dans un mode de réalisation non revendiqué, il reste alternativement possible d'étanchéifier les deuxièmes canaux 21 en soudant au moins un anneau 4 entre chaque paire de plaques 10a, 10b, 11a, 11b. Le tirant central 5b est ainsi inséré dans les anneaux 4, i.e. ils permettent le passage dudit tirant central 5b sans percer le deuxième canal 21. - En d'autres termes, au lieu de ne souder que les languettes 100, 101, 110, 111 entre elles pour assembler deux paires de plaques 10a, 10b, 11a, 11b, on soude également chaque flanc de l'anneau 4 aux deux plaques voisines (respectivement les plaques 10b et 11a). Les anneaux 4 forment ainsi des « piliers » dans les deuxièmes canaux 21 ne gênant que marginalement l'écoulement du deuxième fluide, et un cylindre recevant le tirant central 5b. Le tirant central 5b ne perce alors plus le deuxième canal 21 (puisque le canal 21 contourne l'anneau 4, et ainsi son volume intérieur est «retranché» du canal 21) et est par conséquence séparé de manière étanche du deuxième fluide (et du premier fluide comme précédemment expliqué).
- S'il y a une zone de perçage 12, l'anneau 4 peut coïncider avec cette zone de perçage de sorte à former pour le tirant central 5b un cylindre complètement étanche s'étendant à travers toutes les plaques 10a, 10b, 11a, 11b. On a dans un tel mode de réalisation (correspondant à la
figure 2 ) exactement la même étanchéité que dans l'art antérieur, tout en pouvant avoir des dalles 2, 3 de faible épaisseur même si l'échangeur 1 est étendu. - Alternativement, le tirant peut percer directement les premiers canaux 20a, 20b (i.e. sans zone morte 12), créant au pire une connexion fluidique entre eux, ce qui a nouveau n'est pas grave puisque tous les canaux du même type transportent le même fluide sensiblement à la même température, mais aucune connexion fluidique entre deux canaux 20, 21 de nature différente, et donc aucun risque de « mélange » des deux fluides.
- A noter qu'il est possible, pour plusieurs tirants centraux 5b différents, de varier les architectures: passer par des zones mortes 12 et/ou des anneaux 4 de sorte à contourner les premiers canaux 20 et/ou les deuxièmes canaux 21.
Claims (6)
- Echangeur de chaleur (1) à plaques entre un premier fluide et un deuxième fluide, comprenant une pluralité de paires de plaques (10a, 11a, 10b, 11b) sensiblement planes disposées l'une sur l'autre, telles que le premier fluide s'écoule entre les deux plaques (10a, 11a, 10b, 11b) de chaque paire et le deuxième fluide écoule entre les paires de plaques (10a, 11a, 10b, 11b), les deux plaques (10a, 11a, 10b, 11b) de chaque paire étant soudées de sorte à définir au moins un premier canal (20a, 20b, 21) pour la circulation du premier fluide, les plaques (10a, 11a, 10b, 11b) de deux paires étant soudées de sorte à définir au moins un deuxième canal (21) pour la circulation du deuxième fluide, deux dalles (2, 3) enserrant les plaques (10a, 11a, 10b, 11b) étant fixées l'une à l'autre par une pluralité de tirants (5a, 5b), caractérisé en ce qu'au moins un tirant (5b) dit tirant central perce les plaques (10a, 11a, 10b, 11b), ledit tirant central (5b) perçant ledit deuxième canal (21).
- Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 1, dans lequel les deux plaques (10a, 11a, 10b, 11b) de chaque paire sont soudées de sorte que ledit au moins un premier canal (20a, 20b) contourne une zone de perçage (12) dudit tirant central (5b).
- Echangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel on a un unique premier canal (20a, 20b) par paire de plaques (10a, 11a, 10b, 11b), les deux plaques (10a, 11a, 10b, 11b) de chaque paire étant soudées selon un ensemble de points de soudure répartis sur toute la surface des plaques (10a, 11a, 10b, 11b).
- Echangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les deux plaques (10a, 11a, 10b, 11b) de chaque paire sont en outre soudées de sorte à définir des languettes (100a, 101a, 110a, 111a, 100b, 101b, 110b, 111b) via lesquelles les plaques (10a, 11a, 10b, 11b) de deux paires sont soudées.
- Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 4, dans laquelle la soudure formant un bord intérieur desdites languettes (100a, 101a, 110a, 111a, 100b, 101b, 110b, 111b) est interrompue de sorte à former des ouvertures du premier canal (20a, 20b).
- Echangeur de chaleur (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les dalles (2, 3) présentent des épaisseurs de moins de 5 cm, voire moins de 4 cm.
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