FR2821926A1

FR2821926A1 - Plate heat exchanger, for refrigerating systems, uses plates defining independent fluid channels, and has cross-section of channel circulating fluid to be cooled significantly greater than that of channel circulating refrigerant fluid

Info

Publication number: FR2821926A1
Application number: FR0103251A
Authority: FR
Inventors: Romuald Jurkowski
Original assignee: Compagnie Industrielle dApplications Thermiques SA CIAT
Current assignee: Compagnie Industrielle dApplications Thermiques SA CIAT
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2002-09-13
Anticipated expiration: 2021-03-09
Also published as: FR2821926B1

Abstract

The heat exchanger has a multiple plates (4) in its internal volume, defining first (8) and a second (10) independent channels respectively for circulation of a refrigerant fluid and a fluid to be cooled. The cross-section of the second circulation channels is significantly greater than that of the first circulation channels, which allows significant improvement in the performance of the heat exchanger.

Description

La présente invention concerne un échangeur de chaleur à plaques, une plaque d'échange thermique appartenant à un tel échangeur, ainsi qu'une utilisation d'un tel échangeur. The present invention relates to a plate heat exchanger, a heat exchange plate belonging to such an exchanger, as well as to the use of such an exchanger.

De manière habituelle, un tel échangeur est composé de plaques superposées qui, après brasage, soudage ou serrage, forment deux séries de canaux de circulation. Ces derniers permettent respectivement l'écoulement de premier et second fluides, qui peuvent être à l'état monophasique ou diphasique, à leur entrée. Usually, such an exchanger is composed of superimposed plates which, after brazing, welding or clamping, form two series of circulation channels. The latter allow respectively the flow of first and second fluids, which can be in the monophasic or biphasic state, at their entry.

Le premier fluide est par exemple un fluide réfrigérant, alors que le second fluide peut être un fluide à refroidir. The first fluid is for example a refrigerant, while the second fluid can be a fluid to be cooled.

Il est par ailleurs prévu des moyens mécaniques, qui permettent de rendre indépendantes ces deux séries de canaux, de sorte que les deux fluides précités n'entrent pas en contact mutuel. Mechanical means are also provided, which make it possible to make these two series of channels independent, so that the two aforementioned fluids do not come into mutual contact.

Un échangeur à plaques comprend également des premier et second collecteurs d'entrée, mis en communication avec des canalisations respectives d'amenée de chaque fluide. Chaque collecteur d'entrée assure l'alimentation d'une série correspondante de canaux. En aval des canaux sont prévus des collecteurs de sortie, dont chacun se trouve en communication avec une canalisation de sortie permettant l'évacuation d'un fluide correspondant. A plate exchanger also includes first and second inlet manifolds, placed in communication with respective pipes for supplying each fluid. Each input collector supplies power to a corresponding series of channels. Downstream of the channels are provided outlet collectors, each of which is in communication with an outlet pipe allowing the evacuation of a corresponding fluid.

L'invention se propose de réaliser un échangeur à plaques, dont les performances sont améliorées par rapport à l'art antérieur décrit ci-dessus. The invention proposes to produce a plate exchanger, the performance of which is improved compared to the prior art described above.

A cet effet, elle pour objet un échangeur de chaleur à plaques, comprenant plusieurs plaques, logées dans le volume intérieur de l'échangeur et définissant des séries de premiers et seconds canaux de circulation indépendants, respectivement pour la circulation d'un fluide réfrigérant et d'un fluide à réfrigérer, caractérisé en ce que la section de passage des seconds canaux de circulation est sensiblement supérieure à la section de passage des premiers canaux de circulation. To this end, it relates to a plate heat exchanger, comprising several plates, housed in the interior volume of the exchanger and defining series of first and second independent circulation channels, respectively for the circulation of a refrigerant and of a refrigerant, characterized in that the passage section of the second circulation channels is substantially greater than the passage section of the first circulation channels.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le rapport entre, d'une part, la section de passage des seconds canaux et, d'autre part, la section de passage des premiers canaux est compris entre 1,2 et 5, de According to other characteristics of the invention: the ratio between, on the one hand, the passage section of the second channels and, on the other hand, the passage section of the first channels is between 1.2 and 5, of

préférence entre 2 et 3 ; - les plaques sont pourvues de nervures, dont les parois en regard forment les premiers et seconds canaux de circulation ; - vues en coupe, les nervures d'une première plaque forment une succession d'arches dont la concavité est tournée d'un premier côté de cette plaque, alors que les nervures d'une seconde plaque, adjacente à la première plaque, forment une série d'arches dont la concavité est tournée à l'opposé de celle des arches de la première plaque ; - les arches possèdent une forme de demi-cercle - les arches ont une forme de dem-ellipse - les arches ont une forme de parabole ; - l'échangeur comprend des plaques identiques, chaque plaque intermédiaire étant retournée de 1800, à la fois autour d'un axe parallèle à son plan et autour d'un axe orthogonal à son plan, par rapport aux plaques qui lui sont adjacentes. preferably between 2 and 3; - The plates are provided with ribs, the facing walls of which form the first and second circulation channels; - views in section, the ribs of a first plate form a succession of arches whose concavity is turned to a first side of this plate, while the ribs of a second plate, adjacent to the first plate, form a series of arches whose concavity is turned opposite to that of the arches of the first plate; - the arches have the shape of a semicircle - the arches have the shape of a semi-ellipse - the arches have the shape of a parabola; - The exchanger comprises identical plates, each intermediate plate being returned from 1800, both around an axis parallel to its plane and around an axis orthogonal to its plane, relative to the plates which are adjacent to it.

L'invention a également pour objet une plaque d'échange thermique destinée à être utilisée dans l'échangeur tel que défini ci-dessus, caractérisée en ce qu'elle comprend des nervures formant, vues en coupe, une succession d'arches dont les concavités sont tournées d'un même côté de cette plaque. The invention also relates to a heat exchange plate intended to be used in the exchanger as defined above, characterized in that it comprises ribs forming, seen in section, a succession of arches whose concavities are turned on the same side of this plate.

L'invention a enfin pour objet une utilisation d'un échangeur de chaleur à plaques tel que défini ci-dessus, caractérisée en ce qu'on fait s'écouler un fluide réfrigérant dans les premiers canaux de circulation, alors qu'on fait s'écouler un fluide à réfrigérer, notamment de l'eau, dans les seconds canaux de circulation. The invention finally relates to the use of a plate heat exchanger as defined above, characterized in that a coolant flows in the first circulation channels, while we do s '' flow a fluid to be refrigerated, in particular water, in the second circulation channels.

L'invention va être décrite ci-dessous, en référence aux dessins annexés, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe partielle, illustrant de façon schématique un échangeur de chaleur à plaques conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue de face, illustrant des plaques d'échange thermique appartenant à l'échangeur de la figure 1 ; The invention will be described below, with reference to the accompanying drawings, given only by way of nonlimiting example and in which: - Figure 1 is a partial sectional view, schematically illustrating a plate heat exchanger according to the invention; - Figure 2 is a front view, illustrating heat exchange plates belonging to the exchanger of Figure 1;

- la figure 3 est une vue en coupe, selon la ligne III-III à la figure 2, de plusieurs plaques d'échange thermique empilées, appartenant à l'échangeur de la figure 1 ; et - la figure 4 est une vue en coupe, analogue à la figure 3, illustrant un agencement de plaques d'échange thermique empilées, conformes à l'art antérieur.

- Figure 3 is a sectional view, along line III-III in Figure 2, of several stacked heat exchange plates, belonging to the exchanger of Figure 1; and - Figure 4 is a sectional view, similar to Figure 3, illustrating an arrangement of stacked heat exchange plates, according to the prior art.

L'échangeur de chaleur à plaques illustré sur la figure 1, qui est désigné dans son ensemble par la référence 2, renferme plusieurs plaques 4 s'étendant parallèlement, de manière à définir des séries de premiers 8 et seconds 10 canaux, disposés de façon alternée. The plate heat exchanger illustrated in FIG. 1, which is designated as a whole by the reference 2, contains several plates 4 extending in parallel, so as to define series of first 8 and second 10 channels, arranged so alternately.

De façon connue, il est prévu des moyens permettant d'empêcher la communication entre deux canaux 8,10 adjacents. Ces moyens, qui peuvent par exemple être réalisés par emboutissage, puis brasage ou adjonction d'un joint, sont représentés de façon schématique, dans un but de clarté, par des lignes de séparation 12. In known manner, means are provided for preventing communication between two adjacent channels 8, 10. These means, which can for example be produced by stamping, then brazing or adding a joint, are shown schematically, for the sake of clarity, by dividing lines 12.

L'échangeur 2 comprend également un raccord d'amenée 14 d'un premier fluide, qui est par exemple un fluide réfrigérant, destiné à s'écouler dans les premiers canaux 8. The exchanger 2 also comprises a supply connector 14 for a first fluid, which is for example a cooling fluid, intended to flow in the first channels 8.

Ce raccord 14 est muni d'un épaulement périphérique 16, contre lequel vient en butée une tubulure 18 permettant l'alimentation de ce fluide réfrigérant. This connector 14 is provided with a peripheral shoulder 16, against which abuts a tube 18 allowing the supply of this coolant.

De façon classique, le raccord d'amenée 14 débouche dans une zone de collecte d'entrée, ou collecteur d'entrée 20. Ce dernier, qui s'étend longitudinalement selon la direction d'écoulement du fluide réfrigérant, est ainsi disposé en regard de l'ensemble des canaux 8,10, en amont de ces derniers selon la direction d'écoulement du fluide réfrigérant. Conventionally, the inlet connector 14 opens into an inlet collection zone, or inlet manifold 20. The latter, which extends longitudinally in the direction of flow of the coolant, is thus disposed opposite of the set of channels 8, 10, upstream of the latter in the direction of flow of the coolant.

Les canaux 8 sont mis en communication, à l'opposé du collecteur d'entrée 20, avec une zone de collecte de sortie, ou collecteur de sortie 22. Ce dernier, qui s'étend longitudinalement selon la direction d'écoulement du fluide, est disposé en regard des canaux 8,10, en aval de ceux-ci, de façon symétrique au collecteur d'entrée 20. The channels 8 are placed in communication, opposite the inlet manifold 20, with an outlet collection zone, or outlet manifold 22. The latter, which extends longitudinally in the direction of flow of the fluid, is arranged opposite the channels 8, 10, downstream of these, symmetrically with the inlet manifold 20.

Le collecteur de sortie 22 est mis en communication avec The output collector 22 is put in communication with

un raccord d'évacuation 24, ou de sortie, du fluide réfrigérant. Ce raccord 24 est muni d'un épaulement périphérique 26, contre lequel vient en butée une tubulure 28 permettant l'évacuation du fluide réfrigérant. a discharge connection 24, or outlet, of the refrigerant. This connector 24 is provided with a peripheral shoulder 26, against which abuts a tube 28 allowing the evacuation of the refrigerant.

L'échangeur 2 comprend également, de façon connue, des raccords d'amenée et d'évacuation d'un second fluide, qui est par exemple un fluide à refroidir, ainsi que des collecteurs d'entrée et de sortie de ce fluide, disposés de part et d'autre des canaux de circulation 10. Les éléments mécaniques évoqués ci-dessus ne sont pas représentés sur la figure 1. The exchanger 2 also comprises, in a known manner, connections for supplying and discharging a second fluid, which is for example a fluid to be cooled, as well as inlet and outlet manifolds for this fluid, arranged on either side of the circulation channels 10. The mechanical elements mentioned above are not shown in FIG. 1.

La figure 2 représente, vues de face, deux plaques 4, 4' appartenant à l'échangeur de chaleur 2. FIG. 2 represents, seen from the front, two plates 4, 4 ′ belonging to the heat exchanger 2.

Ces plaques, qui sont de forme rectangulaire, possèdent chacune, de façon classique, quatre ouvertures. Deux de ces ouvertures, affectées de la référence 5a, sont destinées à l'amenée et à l'évacuation du fluide réfrigérant, et se trouvent de ce fait mises en communication avec l'un des premiers canaux 8. These plates, which are rectangular, each have, conventionally, four openings. Two of these openings, assigned the reference 5a, are intended for supplying and evacuating the refrigerant, and are therefore placed in communication with one of the first channels 8.

Par ailleurs, les deux autres ouvertures, référencées Sb, forment des entrées et sorties du fluide à refroidir, tel que de l'eau. Elles sont ainsi mises en communication avec l'un des seconds canaux 10. Furthermore, the two other openings, referenced Sb, form inlets and outlets of the fluid to be cooled, such as water. They are thus put in communication with one of the second channels 10.

Chaque plaque 4, 4'est pourvue de nervures 6, 6', qui forment, vues de face, une succession de chevrons, disposés de façon parallèle les uns aux autres. Les chevrons des plaques 4 et 4'sont croisés, en ce sens que les nervures 6 de la plaque 4 possèdent une pointe dirigée vers le bas, alors

que les nervures 6'de la plaque 4'adjacente possèdent une pointe dirigée à l'opposé, à savoir vers le haut sur cette figure 2. Each plate 4, 4 is provided with ribs 6, 6 ′, which form, seen from the front, a succession of rafters, arranged in parallel to each other. The rafters of plates 4 and 4 'are crossed, in the sense that the ribs 6 of plate 4 have a point directed downwards, so

that the ribs 6 ′ of the adjacent plate 4 ′ have a point directed opposite, namely upwards in this figure 2.

La figure 3 illustre, vues en coupe, trois plaques empilées 4, 4'et 4", qui appartiennent à l'échangeur de chaleur 2. FIG. 3 illustrates, in sectional views, three stacked plates 4, 4 ′ and 4 ", which belong to the heat exchanger 2.

Comme le montre cette figure, les nervures 6, 6"des plaques d'extrémités 4, 4"forment une succession d'arches 7,

7", dont les concavités sont dirigées d'un même côté de chaque plaque 4, 4", à savoir vers le haut sur la figure 3. Par ailleurs, les nervures 6'de la plaque intermédiaire 4' As this figure shows, the ribs 6, 6 "of the end plates 4, 4" form a succession of arches 7,

7 ", the concavities of which are directed on the same side of each plate 4, 4", namely upwards in FIG. 3. Furthermore, the ribs 6 ′ of the intermediate plate 4 '

forment une succession d'arches 7'disposées les unes à côté des autres, dont les concavités sont dirigées vers un même côté de la plaque 4'. Ces arches 7'possèdent ainsi une concavité dirigée à l'opposé de celle des plaques d'extrémité 4, 4", en ce sens que cette concavité est dirigée vers le bas sur cette figure 3.

form a succession of arches 7 'arranged one beside the other, the concavities of which are directed towards the same side of the plate 4'. These arches 7 ′ thus have a concavity directed opposite that of the end plates 4, 4 ", in the sense that this concavity is directed downward in this FIG. 3.

Il convient de noter que, de façon avantageuse, les plaques 4, 4', 411 sonst identiques. Leur empilement est réalisé en retournant la plaque intermédiaire 4', à la fois autour d'un axe A passant par son plan principal, ainsi qu'autour d'un axe A'orthogonal au plan précité. It should be noted that, advantageously, the plates 4, 4 ′, 411 are identical. Their stacking is carried out by turning the intermediate plate 4 ′, both around an axis A passing through its main plane, as well as around an axis A ′ orthogonal to the aforementioned plane.

En faisant à nouveau référence à la figure 3, les parois en regard des nervures 6, 6'des plaques 4,4'forment un premier canal 8, destiné au passage du fluide réfrigérant. Par ailleurs, les parois en regard des nervures 6', 6"des plaques 4', 4"forment un second canal 10, destiné au passage du fluide à refroidir. Les écoulements respectifs du réfrigérant et du fluide à refroidir sont matérialisés par les flèches F et F'. Referring again to FIG. 3, the walls opposite the ribs 6, 6 ′ of the plates 4,4 ′ form a first channel 8, intended for the passage of the coolant. Furthermore, the facing walls of the ribs 6 ′, 6 ″ of the plates 4 ′, 4 ″ form a second channel 10, intended for the passage of the fluid to be cooled. The respective flows of the refrigerant and of the fluid to be cooled are indicated by the arrows F and F '.

D'autres canaux non représentés, analogues à ceux 8 et 10, sont formés par un empilement alterné de plaques, elles aussi non représentées, qui sont identiques à celles affectées des références 4, 4'et 4". Other channels, not shown, similar to those 8 and 10, are formed by an alternating stack of plates, also not shown, which are identical to those assigned with references 4, 4 ′ and 4 ".

Etant donné la façon dont sont dirigées les concavités respectives des arches 7, 7'et 7", on conçoit aisément que la section de passage du fluide à refroidir, dans le second canal 10, est sensiblement supérieure à la section de passage du fluide réfrigérant, à l'intérieur du premier canal 8. Le rapport entre ces sections de passage est compris entre 1,2 et 5, de préférence entre 2 et 3. Given the way in which the respective concavities of the arches 7, 7 ′ and 7 "are directed, it is easily understood that the cross section of the fluid to be cooled, in the second channel 10, is substantially greater than the cross section of the refrigerant fluid , inside the first channel 8. The ratio between these passage sections is between 1.2 and 5, preferably between 2 and 3.

Les arches 7, 7', 7"peuvent affecter des formes variées. The arches 7, 7 ', 7 "can have various shapes.

Ainsi, dans l'exemple décrit à la figure 3, elles ont une forme de demi-ellipse, vues en coupe. Thus, in the example described in FIG. 3, they have the shape of a half-ellipse, seen in section.

A titre de variante, ces arches peuvent également former, entre autres, un demi-cercle, ou encore une parabole. Alternatively, these arches can also form, among other things, a semicircle, or even a parabola.

Deux arches adjacentes sont reliées par l'intermédiaire d'un tronçon de jonction recourbé, dont les dimensions sont Two adjacent arches are connected by means of a curved junction section, the dimensions of which are

très nettement inférieures à celles des arches 7, 7'et 7''.

very much lower than those of arches 7, 7 'and 7''.

Ces tronçons sont affectés des références 9, 9'et 9''. These sections are assigned references 9, 9 'and 9' '.

On a représenté à la figure 4, à titre de comparaison, un empilement de plaques appartenant à un échangeur de l'art antérieur. Ces plaques 54, 54', 54"possèdent des nervures 56, 56', 56"formant des sinusoïdes, vues en coupe. La plaque intermédiaire 54'a subi une rotation de 1800 autour d'un axe perpendiculaire à son plan, par rapport aux plaques d'extrémité 54,54". FIG. 4 shows, for comparison, a stack of plates belonging to a heat exchanger of the prior art. These plates 54, 54 ', 54 "have ribs 56, 56', 56" forming sinusoids, seen in section. The intermediate plate 54 ′ has undergone a rotation of 1800 around an axis perpendicular to its plane, relative to the end plates 54.54 ".

On conçoit aisément que, dans cet agencement de l'art antérieur, les canaux 58 d'écoulement du réfrigérant, ainsi que les canaux 60 d'écoulement du fluide à réfrigérer, possèdent des sections de passage sensiblement identiques. It is easily understood that, in this arrangement of the prior art, the channels 58 for the flow of the refrigerant, as well as the channels 60 for the flow of the fluid to be refrigerated, have substantially identical passage sections.

L'invention permet de réaliser les objectifs précédemment mentionnés. The invention makes it possible to achieve the objectives mentioned above.

En effet, pour un échangeur de même encombrement, l'invention permet d'augmenter sensiblement le débit de fluide à refroidir, et donc les performances de l'échangeur, par rapport à l'art antérieur. Ceci est assuré par le fait que la section de passage de ce fluide à refroidir est notablement supérieure à celle prévue dans les échangeurs à plaques connus. Indeed, for an exchanger of the same size, the invention makes it possible to significantly increase the flow rate of fluid to be cooled, and therefore the performance of the exchanger, compared with the prior art. This is ensured by the fact that the passage section of this fluid to be cooled is notably greater than that provided in known plate exchangers.

En outre, cette augmentation du débit de fluide à refroidir s'accompagne d'une diminution de débit du fluide réfrigérant. Ceci permet donc de réduire, par rapport à l'art antérieur, la quantité de réfrigérant utilisé. Cette mesure autorise l'emploi d'un réfrigérant dont les performances sont élevées, mais dont la consommation est nécessairement limitée, puisqu'il est considéré comme inflammable, explosif ou toxique. Il est ainsi envisageable d'employer du propane, ou bien encore des hydrofluorocarbones. In addition, this increase in the flow rate of the fluid to be cooled is accompanied by a decrease in the flow rate of the refrigerant fluid. This therefore makes it possible to reduce, compared to the prior art, the amount of refrigerant used. This measure allows the use of a refrigerant whose performance is high, but whose consumption is necessarily limited, since it is considered flammable, explosive or toxic. It is thus possible to use propane, or else hydrofluorocarbons.

Cette diminution du débit de réfrigérant assure également une diminution du diamètre hydraulique, en ce qui concerne ce fluide particulier. Ceci induit un effet bénéfique en termes de performance, ainsi qu'une diminution des pertes de charges. This reduction in the flow of refrigerant also ensures a reduction in the hydraulic diameter, as regards this particular fluid. This induces a beneficial effect in terms of performance, as well as a reduction in pressure drops.

Par ailleurs, pour une performance donnée de l'échangeur, l'invention permet de réduire de manière sensible l'encombrement de ce dernier. En effet, pour un même débit de Furthermore, for a given performance of the exchanger, the invention makes it possible to significantly reduce the size of the latter. Indeed, for the same flow of

fluide à refroidir, il est possible d'utiliser des plaques dont la hauteur est inférieure à celle des plaques de l'art antérieur. fluid to be cooled, it is possible to use plates whose height is less than that of the plates of the prior art.

Claims

1. Plate heat exchanger (2), comprising several plates (4), housed in the interior volume of the exchanger and defining series of first (8) and second (10) independent circulation channels, respectively for circulation of a coolant and a coolant, characterized in that the passage section of the second circulation channels (10) is substantially greater than the passage section of the first circulation channels (8).

2. Exchanger according to claim 1, characterized in that the ratio between, on the one hand, the passage section of the second channels (10) and, on the other hand, the passage section of the first channels (8) is understood between 1.2 and 5, preferably between 2 and 3.

3. Exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the plates (4, 4 ', 4 ") are provided with ribs (6, 6', 611), the facing walls of which form the first (8) and second (10) circulation channels.

4. Exchanger according to claim 3, characterized in that

that, seen in section, the ribs (6, 6 ") of a first plate (4, 4") form a succession of arches (7, 7 ") whose concavity is turned on a first side of this plate (4, 411), while the ribs (6 ') of a second plate (4'), adjacent to the first plate, form a series of arches whose concavity is turned opposite to that of the arches ( 7, 7 ") of the first plate.

5. Exchanger according to claim 4, characterized in that the arches have a shape of a semicircle.

6. Exchanger according to claim 4, characterized in that the arches have a shape of half-ellipse.

7. Exchanger according to claim 4, characterized in that the arches have a parabola shape.

8. Exchanger according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises identical plates (4, 4 ', 411), each intermediate plate (4') being

returned from 1800, both around an axis (A) parallel to its plane and around an axis (A ') orthogonal to its plane, with respect to the plates (4, 4 ") which are adjacent to it.

9. Heat exchange plate (4, 4 ', 4 ") intended to be used in the plate heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises ribs (6, 6' , 6 ") forming, seen in section, a succession of arches (7, 7 ', 7") whose concavities are turned on the same side of this plate.

10. Use of a plate heat exchanger according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a coolant flows in the first circulation channels (10), while causes a fluid to be refrigerated, in particular water, to flow through the second circulation channels (10).