FR2921467A1 - Systeme d'echange thermique a plaques destine a la desorption en continu d'une solution a contre-courant d'une phase vapeur, notamment dans une climatisation par absorption - Google Patents

Abstract

Le système est constitué d'une pluralité de plaques chauffantes (100), à circulation intérieure d'un fluide caloporteur, intercalées avec des plaques de solution descendante équipées de moyens de diffusion de la solution (S) pour améliorer l'échange thermique avec le fluide caloporteur, des passages étant prévus entre les plaques chauffantes (100) pour la circulation selon un mouvement ascendant de la phase vapeur (V) séparée de la solution.Echangeurs thermiques pour climatisations de typa absorption désorption. Climatisations de véhicules automobiles.

Description

SYSTEME D'ECHANGE THERMIQUE A PLAQUES DESTINE A LA DESORPTION EN CONTINU D'UNE SOLUTION A CONTRE-COURANT D'UNE PHASE VAPEUR, NOTAMMENT DANS UNE CLIMATISATION PAR ABSORPTION.

La présente invention concerne un système d'échange thermique à plaques destiné à la désorption en continu d'une solution à contre- courant d'une phase vapeur, notamment dans une climatisation par absorption.

La présente invention concerne également une climatisation par absorption pour véhicule, en particulier pour véhicule automobile, comportant un tel système d'échange thermique à plaques. Dans une climatisation par absorption, le désorbeur 15 reçoit un apport de chaleur extérieur, pour évaporer un réfrigérant d'une solution. Le but de la présente invention est de fournir un système d'échange thermique à plaques destiné à la désorption en continu d'une solution à contre-courant 20 d'une phase vapeur, qui soit beaucoup plus performant que les systèmes d'échange thermique classiques, tels que les systèmes d'échange ou échangeurs à tubes, qui soit plus compact que les systèmes d'échange connus et permette d'améliorer le ratio entre la surface d'échange et le 25 volume total du système d'échange thermique. Un autre but de la présente invention est de fournir un tel système d'échange thermique, qui soit adapté à des débits très faibles de la solution en désorption, et dans lequel l'écoulement de cette solution 30 soit bien maîtrisé le long des plaques. Pour parvenir à ces buts, l'invention a pour objet un nouveau système d'échange thermique à plaques destiné à la désorption en continu d'une solution à contre-courant d'une phase vapeur, notamment pour une 35 climatisation par absorption, et ce nouveau système est constitué d'une pluralité de plaques chauffantes (ou tubes chauffants), à circulation intérieure d'un fluide caloporteur, intercalées avec des plaques de solution descendante équipées de moyens de diffusion de la solution pour améliorer l'échange thermique avec le fluide caloporteur, des passages étant prévus entre les plaques chauffantes pour la circulation selon un mouvement ascendant de la phase vapeur séparée de la solution. Selon une première série de réalisations de l'invention, les plaques chauffantes sont des plaques 10 sensiblement verticales. Selon un premier mode de réalisation, les moyens de diffusion de la solution pour améliorer l'échange thermique avec le fluide caloporteur sont constitués, pour chaque plaque de solution descendante, par les 15 surfaces latérales extérieures en regard de deux plaques chauffantes voisines, lesdites surfaces en regard étant pourvues de profils d'emboutissage et appliquées l'une contre l'autre par les profils d'emboutissage. De préférence, les profils d'emboutissage 20 présentent tous la même forme, mais sont alternés dans leur orientation par rapport à l'horizontale sur le trajet de la solution, de façon à créer pour la solution des passages descendants en lacets qui permettent d'augmenter la surface d'échange thermique entre la 25 solution et le fluide caloporteur. Les profils d'emboutissage en saillie d'une surface latérale extérieure d'une plaque chauffante donnée sont tous de même orientation par rapport à l'horizontale, mais d'orientation inverse à tous les profils 30 d'emboutissage de la surface latérale extérieure en regard de la plaque chauffante voisine. Entre les plaques chauffantes, il est laissé un espace libre faisant office de cheminée à travers les moyens de diffusion de la solution, de manière à 35 permettre la remontée de la phase vapeur. Selon un mode préféré de réalisation, les profils d'emboutissage présentent chacun une forme à deux tronçons : un premier tronçon légèrement incliné sur l'horizontale et un tronçon plus court, adjacent au premier tronçon, et légèrement incliné sur la verticale. Selon d'autres modes de réalisation, les moyens de diffusion de la solution pour améliorer l'échange thermique avec le fluide caloporteur sont constitués par des ailettes d'inclinaisons alternées et en saillie de tubes chauffants, qui permettent de maximaliser la longueur du trajet de descente de la solution, ladite solution se réchauffant au contact des plaques et des ailettes. Des ouvertures, de petites dimensions, ménagées dans les ailettes, sont prévues pour la remontée de la phase vapeur.

Ces ouvertures peuvent être situées aux extrémités libres des ailettes, ou, en variante, dans la partie centrale des ailettes. D'autres ouvertures sont ménagées dans les ailettes pour le passage descendant de la solution, plus grandes que les ouvertures pour la remontée de la phase vapeur. Selon un autre mode de réalisation encore, les moyens de diffusion de la solution pour améliorer l'échange thermique avec le fluide caloporteur comportent des grilles situées de part et d'autre des plaques chauffantes, de façon à permettre de maintenir la solution contre ladite plaque chauffante tout en laissant un passage montant pour la phase vapeur. Chaque grille est espacée de la plaque chauffante correspondante d'une distance d'au moins 2 mm environ, de 30 préférence. Les grilles présentent des tailles de mailles comprises entre 0,1 mm x 0,1 mm environ et 1 mm x 1 mm environ, de préférence. Selon un autre mode de réalisation, les plaques 35 chauffantes sont des plaques légèrement inclinées sur l'horizontale, d'inclinaisons alternées, à circulation intérieure d'un fluide caloporteur.

De préférence, quelque soit le mode de réalisation de l'invention, la solution est répartie entre les plaques chauffantes au moyen d'un système de dispersion situé au dessus desdites plaques, les conduits amenant la solution étant des conduits à double corps, de façon à servir également de conduits d'amenée du fluide caloporteur. Le fluide caloporteur est, de préférence,de l'eau. La présente invention a aussi pour objet une climatisation par absorption, dans laquelle le désorbeur comporte un système d'échange thermique conforme à celui décrit ci-dessus dans ses grandes lignes. L'invention a enfin pour objet un véhicule, en particulier un véhicule automobile, qui comporte une climatisation conforme à celle décrite ci-dessus. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention, non limitatifs de l'objet et de la portée de la présente demande de brevet, accompagnée de dessins dans lesquels : -la figure 1 représente, de manière schématique, le principe de fonctionnement du système d'échange thermique à plaques, selon la présente invention, - la figure 2 représente un premier mode de réalisation du système d'échange thermique à plaques, selon la présente invention, - la figure 3A est une vue en coupe transversale, selon la ligne III-III de la figure 2, des plaques de circulation la figure 2, - la figure 3B est une vue en coupe transversale, également selon la ligne III-III de la figure 2, d'une variante de réalisation des plaques de circulation de la figure 2, - les figures 4A et 4B représentent les 35 configurations au recto (figure 4A) et au verso (figure 4B) des plaques de circulation des figures 2, 3A et 3B, - la figure 5 est une vue schématique, selon la coupe V-V de la figure 6, d'un second mode de réalisation du système d'échange thermique à plaques, selon la présente invention, - la figure 6 est une vue de dessus du système d'échange thermique de la figure 5, - la figure 7 représente la forme des ailettes dépliées du système d'échange thermique des figures 5 et 6, - la figure 8 est une vue schématique, selon la coupe VIII-VIII de la figure 9, d'une variante de réalisation du système d'échange thermique à plaques des figures 5 à 7, - la figure 9 est une vue de dessus du système 15 d'échange thermique de la figure 8, - la figure 10 représente la forme des ailettes dépliées du système d'échange thermique des figures 8 et 9, - les figures 11 et 12 représentent un autre mode 20 de réalisation du système d'échange thermique selon la présente invention, dans lequel des grilles sont associées aux plaques, - les figures 13 et 14 représentent un autre mode de réalisation du système d'échange thermique selon la 25 présente invention, dans lequel les plaques sont sensiblement horizontales, - les figures 15 et 16 représentent, de manière schématique, le principe du système de répartition de la solution dans un système d'échange thermique à plaques 30 verticales, selon la présente invention, - la figure 17A est une vue en coupe, schématique, d'un conduit à double corps du système de répartition des figures 15 et 16, - la figure 17B est une vue en coupe, schématique, 35 d'une variante de réalisation du conduit de la figure 17A.

Un dispositif de climatisation par absorption comprend un élément dans lequel s'effectue la désorption, désigné désorbeur dans la suite du texte, un absorbeur, un condenseur et un évaporateur. Pour fonctionner, le désorbeur et l'absorbeur sont remplis d'un mélange d'au moins deux substances miscibles formé par un fluide réfrigérant et un fluide absorbant. Le désorbeur reçoit de la chaleur, et cet apport extérieur permet l'évaporation du fluide réfrigérant liquide du mélange. Ce fluide réfrigérant est ensuite condensé dans le condenseur par refroidissement. Le liquide obtenu est détendu et évaporé dans l'évaporateur et produit ainsi le froid de la climatisation. En référence au schéma de la figure 1, on a représenté le principe de fonctionnement d'un système d'échange thermique à plaques utilisé, à titre d'exemple non limitatif de l'objet et de la portée de l'invention, dans le désorbeur d'une climatisation par absorption. Selon ce principe, des plaques verticales d'eau chaude e montante 100 sont intercalées avec des plaques de solution descendante. La solution, à titre d'exemple également, peut être une solution LiBr-H2O. Le désign spécifique des plaques 100 permet de maximaliser la surface d'échange entre l'eau chaude e et la solution S, tout en permettant l'évacuation des vapeurs V de réfrigérant dégagées par la solution S. L'introduction de l'eau chaude e se fait par la partie inférieure des plaques 100 et l'évacuation par la partie supérieure. La solution S est déversée à même les plaques 100, par conséquent circule le long des surfaces latérales des plaques 100. La solution S emprunte, donc, un chemin inverse à celui de l'eau chaude des plaques chauffantes 100. L'échangeur est de type contre-courant , ce qui améliore substantiellement la capacité d'échange thermique du système. Un système de dispersion de la solution est situé au dessus des plaques de chauffage 100, qui laisse un passage libre pour la remontée de la vapeur dégagée V, comme il sera exposé plus loin dans la suite du texte. Un système de diffusion de la solution S est mis en place sur les plaques chaudes 100, de façon à améliorer l'échange thermique. Ce système de diffusion peut présenter plusieurs formes, parmi lesquelles celles décrites dans la suite du texte à titre d'exemples. L'intérêt d'une telle solution technique est de réaliser un échangeur sec (les plaques ne trempent pas dans la solution S), avec des pertes de charge réduites sur le trajet de la vapeur V du réfrigérant. Un premier mode de réalisation de ce système de diffusion est représenté sur les figures 2, 3A, 3B, 4A et 4B. Il est formé d'un assemblage de plaques embouties sur leurs surfaces latérales (recto et verso). Les profils d'emboutissage Pi, P2, ..., Pi, répartis sur plusieurs colonnes par exemple, sont identiques mais alternés dans leur orientation, de façon à créer un trajet descendant en lacets pour la solution S.

Les plaques 100 embouties sont adjacentes par leurs profils d'emboutissage Pi en regard sur leurs faces opposées, une face verso 100V contre une face recto 100R, etc. Les profils d'emboutissage Pi, P3, etc, étant côté recto 100R (figure 4A) par exemple, tandis que les emboutissages P2, P4, etc, sont alors côté verso 100V (figure 4B) des plaques 100. Chaque profil Pi présente une forme en deux parties : une partie légèrement inclinée par rapport à l'horizontale et une partie latérale de rebord sensiblement inclinée par rapport à la verticale, de façon à former les lacets du trajet descendant de la solution S. La figure 3A est une vue en coupe selon la ligne III - III de la figure 2, l'alimentation en solution saline S se faisant pour chaque tubulure 110 sur deux surfaces de plaque simultanément. En variante, sur la figure 3B, l'alimentation en solution S se fait pour chaque tubulure 110 sur une surface de plaque seulement. Le trajet de la solution S est, de cette manière, rendu optimal pour un meilleur échange thermique avec les plaques chauffantes 100. Les dessins ou contours des profils d'emboutissage Pi guident la solution selon plusieurs passages. Entre chacun de ces passages, un espace est laissé libre qui fait office de cheminée de façon à permettre la remontée de la phase vapeur V. La phase vapeur a, par conséquent, des pertes de charge moindres. On a représenté sur les figures 5, 6 et 7 un exemple de réalisation du système de diffusion de la solution avec les passages pour la remontée de la phase vapeur. La solution S se réchauffe au contact des plaques et des ailettes Al, A2, A3, .. , Ai grâce à l'eau chaude e qui passe dans les tubes T. Cela permet à la solution S de se concentrer et de céder de la vapeur V.

La vapeur V remonte par les petites ouvertures O. La solution s'écoule à travers les ailettes A par le biais des grandes ouvertures G. La figure 7 représente la forme des ailettes A dépliées, avec les ouvertures 0G qui forment les ouvertures 0 et les ouvertures G. Les lignes de pliage des ailettes sont les lignes L. Cela permet une réalisation simple des ailettes A par brasure des ailettes A sur les plaques de chauffage. Une variante du mode de réalisation décrit ci- dessus est représentée sur le dessin des figures 8 à 10. La solution saline S se réchauffe au contact des plaques et des ailettes A'', A' i grâce à l'eau chaude e qui passe dans les tubes T. Cela permet à la solution de se concentrer et de céder de la vapeur V, comme dans le mode de réalisation précédent. La vapeur V remonte par les ouvertures centrales C. La solution s'écoule à travers les ailettes A'i par le biais des ouvertures 0 au niveau des jonctions entre les ailettes A'i et les tubes T. La figure 10 représente la forme des ailettes A'i dépliées, avec les petites ouvertures 0 et les ouvertures centrales C. Les lignes de pliage des ailettes sont les lignes L'. Cela permet une réalisation simple des ailettes A'i par brasure des ailettes A'i sur les plaques de chauffage. Un autre mode de réalisation du système de diffusion de la solution de fluide liquide sur les plaques chaudes est représenté sur les figures 11 et 12. Il s'agit d'un système de type à plaques et grilles. La solution se déverse à partir du système de distribution à tubulures 162.

Les grilles GR1 et GR2 permettent de maintenir la solution saline S contre la plaque chauffante 100 tout en laissant un passage pour la phase vapeur. Les grilles GR1, GR2, ont des dimensions de mailles de 0,1 mm * 0,1 mm à 1,1 mm * 1,1 mm afin d'éviter la formation de bouchons dans les mailles tout en gardant une bonne capacité de rétention de la solution S. Les grilles sont espacées d'une distance d de moins de 2 mm de la plaque de chauffage 100 pour permettre aux phénomènes de capillarité de maintenir la solution saline S contre la plaque de chauffage 100. Un autre mode de réalisation du système de diffusion de la solution de fluide absorbant sur les plaques chaudes est représenté sur les figures 13 et 14. Il s'agit d'un système de type à plaques 200 légèrement inclinées par rapport à l'horizontale. Le trajet de la solution S est rendu maximal par la longueur des plaques 200, et leur inclinaison alternée. La solution S est déversée par le système de dispersion 163, situé au-dessus de l'ensemble des plaques 200, et récupérée en partie inférieure du système dans un réservoir de solution référencé 170. Les vapeurs de réfrigérant V sont évacuées latéralement, comme illustré sur la figure 14. Les figures 15 et 16 représentent, de manière schématique, un mode préféré de réalisation du système de dispersion, qui répartit la solution dans un système d'échange thermique à plaques verticales, selon la présente invention, Selon ce mode de réalisation, les différents conduits 210 amenant la solution S servent également à 10 évacuer l'eau chaude (figure 15 et 16). Un exemple de réalisation de ces conduits d'amenée 210 est représenté sur la figure 17A, et une variante de réalisation est représentée sur la figure 17B. Dans l'un et l'autre cas, le système utilise des tubes 210 à double 15 corps avec un corps de dispersion de la solution 211 et un corps de dispersion de l'eau chaude 212. Le corps de dispersion de la solution 211 est pourvu d'orifices 221 répartis sur la longueur du conduit 210 pour le déversement de la solution S sur les 20 différentes plaques. Ils peuvent être répartis sur les deux côtés du conduit (figure 17A) de façon à alimenter en solution deux surfaces de plaque, ou bien sur un seul côté de façon à alimenter en solution une seule surface de plaque (figure 17B).

25 Le corps de dispersion de l'eau chaude débouche à l'extrémité du conduit 210. Le mode de réalisation de la figure 17A est celui du système de dispersion schématisé sur le système de la figure 3A, tandis que le mode de réalisation de la figure 30 17B est celui du système de la figure 3B. Les épaisseurs des plaques chauffantes sont, dans ces modes de réalisation, sensiblement du même ordre de grandeur que la taille du système de dispersion de LiBr. Cette solution permet de diffuser la solution S 35 entre les plaques sans bloquer la remontée des vapeurs de réfrigérant V. De plus, l'évacuation de l'eau de chauffage e permet un préchauffage de la solution et augmente encore l'efficacité du désorbeur. La présente invention présente de nombreux avantages, parmi lesquels les avantages suivants : - elle permet de créer une zone d'échange thermique plus performante, - elle améliore le rapport entre la surface d'échange thermique et le volume total du système d'échange, - elle permet une maîtrise de l'écoulement de la solution, en particulier pour les faibles débits. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés ci-dessus à titre d'exemples ; d'autres modes de réalisation peuvent être conçus par l'homme de métier sans sortir du cadre et de la portée de la présente invention.

Claims (21)

REVENDICATIONS

1. Système d'échange thermique à plaques destiné à la désorption en continu d'une solution (S) à contre-courant d'une phase vapeur (V), notamment pour une climatisation par absorption, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une pluralité de plaques chauffantes (100 ; T ; 200), à circulation intérieure d'un fluide caloporteur (e), intercalées avec des plaques de solution descendante équipées de moyens de diffusion de la solution (S) pour améliorer l'échange thermique avec le fluide caloporteur, des passages étant prévus entre les plaques chauffantes (100) pour la circulation selon un mouvement ascendant de la phase vapeur (V) séparée de la solution (S).

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques chauffantes sont des plaques (100) sensiblement verticales.

3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de diffusion de la solution (S) pour améliorer l'échange thermique avec le fluide caloporteur sont constitués, pour chaque plaque de solution descendante, par les surfaces latérales extérieures en regard (100R, 100V) de deux plaques chauffantes (100) voisines, lesdites surfaces en regard (110R, 100V) étant pourvues de profils d'emboutissage (Pi) et appliquées l'une contre l'autre par lesdits profils d'emboutissage.

4. Système selon la revendication 3, en ce que les profils d'emboutissage (Pi) ont tous la même forme, mais sont alternés dans leur orientation par rapport à l'horizontale sur le trajet de la solution (S), de façon à créer des passages descendants en lacets qui permettent d'augmenter la surface d'échange thermique entre la solution et le fluide caloporteur.

5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que tous les profils d'emboutissage en saillie d'une surface latérale extérieure de plaque chauffante (100) sont tous de même orientation par rapport à l'horizontale, mais d'orientation inverse à tous les profils d'emboutissage de la surface latérale extérieure en regard de la plaque chauffante voisine.

6. Système selon l'une quelconque des revendications) à 5, caractérisé en ce qu'entre les IO plaques chauffantes (100), il est laissé libre faisant office de cheminée à travers un espace les moyens manière de diffusion de la solution, de remontée de la phase vapeur (V).

7. Système selon l'une 15 revendications 3 à 5, caractérisé en à permettre la quelconque des ce que les profils d'emboutissage (Pi) présentent chacun une forme à deux tronçons : un premier tronçon légèrement incliné sur l'horizontale et un tronçon plus court, adjacent au premier tronçon, et légèrement incliné sur la 20 verticale.

8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de diffusion de la solution (S) pour améliorer l'échange thermique avec le fluide caloporteur sont 25 constitués par des ailettes (Ai) d'inclinaisons alternées et en saillie de tubes chauffants (T), qui permettent de maximaliser la longueur du trajet de descente de la solution (S), ladite solution se réchauffant au contact des tubes (T) et des ailettes 30 (AI).

9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que des ouvertures, de petites dimensions, ménagées dans les ailettes, sont prévues pour la remontée de la phase vapeur (V). 35

10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites ouvertures sont des ouvertures (0) situées aux extrémités libres des ailettes.

11. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites ouvertures sont des ouvertures (C) situées dans la partie centrale des ailettes.

12. Système selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que des ouvertures (G) sont ménagées dans les ailettes pour le passage descendant de la solution (S).

13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que les ouvertures (G) pour le passage de la solution (S) sont plus grandes que les ouvertures (0) pour la remontée de la phase vapeur (V).

14. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de diffusion de la solution pour améliorer l'échange thermique avec le fluide caloporteur comportent des grilles (GR1, GR2) situées de part et d'autre des plaques chauffantes (100), de façon à permettre de maintenir la solution (S) contre ladite plaque chauffante (100) tout en laissant un passage montant pour la phase vapeur (V).

15. Système selon la revendication 14, caractérisé en ce que chaque grille (GR1, GR2) est espacée de la plaque chauffante (100) correspondante d'une distance (d) d'au moins 2 mm environ.

16. Système selon l'une quelconque des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que lesdites grilles (GR1, GR2) présentent des tailles de mailles comprises entre 0,1 mm x 0,1 mm environ et 1 mm x 1 mm, environ.

17. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques chauffantes sont des plaques (200) légèrement inclinées sur l'horizontale, d'inclinaisons alternées, à circulation intérieure d'un fluide caloporteur (e).

18. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que la solution (S) est répartie entre les plaques chauffantes(100 ; 200) au moyen d'un système de dispersion (162 ; 163) situé au dessus desdites plaques (100 ; 200), les conduits (210) amenant la solution (S) étant des conduits à double corps (211, 212), de façon à servir également de conduits d'amenée du fluide caloporteur.

19. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est l'eau.

20. Climatisation par absorption, caractérisée en ce qu'elle comporte un désorbeur à système d'échange thermique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 19.

21. Véhicule, en particulier véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte une climatisation 15 conforme à la revendication 20.