FR2953919A1

FR2953919A1 - Echangeur de chaleur en aluminium brase

Info

Publication number: FR2953919A1
Application number: FR1060106A
Authority: FR
Inventors: Thomas J Godry; Patrick S O'neill
Original assignee: UOP LLC
Current assignee: Honeywell UOP LLC
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2011-06-17
Also published as: US20110139417A1

Abstract

Un échangeur de chaleur (10) est décrit, comprenant un passage d'ébullition (12) et un passage de refroidissement (14) définis par des côtés opposés de parois métalliques. L'échangeur de chaleur est fabriqué avec des alliages d'aluminium à haute résistance qui ont une résistance au fluage améliorée et qui conservent une résistance à la traction et une limite d'élasticité après utilisation dans cette invention. Des couches de matériau de brasage entre les parois métalliques et un élément d'espacement lient les composants de l'échangeur de chaleur entre eux. Une couche d'ébullition améliorée, comprenant des particules de métal collées entre elles et à un côté ébullition de la paroi métallique, fournit des pores d'ébullition nucléée pour améliorer le transfert de chaleur. Il est également décrit un procédé pour assembler l'échangeur de chaleur.

Description

B10-4483FR 1 Echangeur de chaleur en aluminium brasé

La présente invention concerne un procédé amélioré de fabrication d'un échangeur de chaleur en métal ayant un rendement de transfert de chaleur élevé. Plus particulièrement, la présente invention concerne l'emploi de feuilles d'aluminium revêtues à haut flux dans la fabrication d'un échangeur de chaleur brasé. Deux types d'échangeurs de chaleur sont généralement utilisés aujourd'hui pour les condenseurs-rebouilleurs dans les applications cryogéniques, de raffinerie et chimiques. Un type d'échangeur de chaleur actuellement utilisé est un échangeur de chaleur à coque et tubes verticaux. Pour obtenir un degré suffisamment élevé de transfert de chaleur à des différences de température relativement basses avec cette conception, on utilise des couches d'ébullition améliorée (EBL). Une couche EBL a généralement une structure comprenant une multitude de pores qui fournissent des sites de nucléation d'ébullition pour faciliter l'ébullition. Une couche EBL est appliquée à l'intérieur des tubes, et des cannelures longitudinales sont prévues sur l'extérieur des tubes pour faciliter le transfert de chaleur. Un échangeur de chaleur courant employé dans les applications cryogéniques, de raffinerie et chimiques est l'échangeur de chaleur en aluminium brasé à ailettes plates fabriqué en disposant des feuilles d'aluminium ondulé entre des feuilles ou parois de séparation en aluminium pour former une pluralité de passages de fluide. Les feuilles sont soit revêtues d'une couche de brasage en aluminium, soit une couche de feuille mince de brasage est insérée entre les surfaces à assembler. Lorsqu'on le chauffe à une température prédéterminée pendant un intervalle de temps prédéterminé, le revêtement ou feuille mince de brasage fond et forme une liaison métallurgique avec les feuilles voisines. L'échangeur de chaleur qui en résulte contient de nombreux passages constitués de couches alternés d'ailettes espacées de façon étroite. Un agencement typique comporte des couches alternées de passages contenant chacun des ailettes avec une densité de 6 à 10 ailettes par cm (15 à 25 ailettes par pouce), et une hauteur d'ailette de 0,5 à 1 cm (de 0,2 à 0,4 pouce). Dans une application courante, une première série de passages alternés amènent de la vapeur destinée à se condenser, tandis qu'une deuxième série de passages alternés amènent un liquide destiné à bouillir. Les échangeurs de chaleur en aluminium brasé doivent généralement être capables de supporter des pressions de 2068 à 2758 kPa (300 à 400 psia). Parmi les brevets de l'art antérieur qui proposent de remplacer les ailettes par une couche d'ébullition améliorée dans les passages d'ébullition d'un échangeur de chaleur brasé, on trouve les brevets US 5868199, US 4715431 et US 4715433. Ces brevets proposent d'empiler des feuilles d'aluminium comportant chacune une couche EBL appliquée sur une face pour définir des canaux d'ébullition, et des ailettes sur l'autre face des feuilles d'aluminium pour définir des canaux de condensation. Des couches de matériau de brasage sont déposées entre les surfaces de liaison de l'empilement, puis cet empilement est soumis à un chauffage sur un intervalle de temps pour obtenir un noyau d'échange de chaleur brasé. Les échangeurs de chaleur en aluminium brasé décrits dans ces brevets n'ont pas été commercialisés parce que les couches EBL sont généralement brasées à une température de 565 à 593 °C (1050 à 1100 °F) tandis que le brasage consécutif des composants métalliques entre eux se produit à une température d'environ 593 à 621 °C (1100 à 1150 °F). I1 est difficile de maintenir l'intégrité et l'efficacité de la couche EBL, en particulier de la structure poreuse constituée par les particules métalliques liées entre elles, pendant le deuxième traitement thermique, plus chaud, pour réaliser le brasage. Cette difficulté explique le manque dans le commerce d'échangeurs de chaleur brasés avec couches EBL dans les passages d'ébullition. Dans la demande de brevet US 2004/0251008, le développement d'échangeurs de chaleur en aluminium brasé a été décrit. Toutefois, les présents inventeurs ont découvert depuis que ces échangeurs de chaleur en aluminium brasé souffrent de mauvaises propriétés mécaniques suite au processus de brasage initial. Avant la présente invention, il s'est avéré nécessaire de fournir un support mécanique complet dans les passages ouverts des échangeurs de chaleur en aluminium brasé afin de prévenir un affaissement ou un fluage excessif des feuilles revêtues de couches EBL au cours du processus de brasage employé pour lier entre eux les composants de l'échangeur de chaleur. La présente invention est un procédé amélioré de fabrication d'un échangeur de chaleur en métal brasé et l'appareil qui en résulte. Une couche d'ébullition améliorée (EBL) est appliquée sur les parois des passages d'ébullition. La température de fusion du matériau de brasage est inférieure à la température de fusion des particules métalliques de la couche d'ébullition améliorée. Dans un mode de réalisation, le métal présent dans la couche d'ébullition améliorée et/ou la couche de brasage est un alliage d'un premier métal et d'un second métal, lequel alliage a une température de fusion inférieure à celle du premier métal. Différents seconds métaux peuvent être utilisés dans la couche EBL et dans le matériau de brasage, pourvu que le second métal donne un alliage ayant une température de fusion inférieure. Dans un mode de réalisation, la concentration du second métal dans le matériau de brasage est supérieure à celle dans la couche EBL. Même lorsque la température de brasage se trouve à moins de 8,3 degrés Celsius (15 degrés Fahrenheit) du point de fusion du métal présent dans la couche EBL pendant une durée prolongée, la couche EBL conserve de façon étonnante sa porosité, et donc son efficacité. Dans un mode de réalisation, les passages de condensation contiennent des ailettes pour faciliter le transfert de chaleur. Chacune des parois métalliques comprend un alliage d'aluminium ayant des propriétés mécaniques conformes à une valeur de dureté d'au moins 35 sur l'échelle Rockwell E. L'invention concerne également un échangeur de chaleur métallique comportant des couches EBL dans les passages d'ébullition avec une capacité de transfert de chaleur non diminuée en dépit de la température de brasage subie pendant la fabrication. L'emploi de certains alliages et trempes d'aluminium a permis d'obtenir des propriétés mécaniques supérieures dans les feuilles utilisées pour l'échangeur de chaleur en métal brasé, et donc de faciliter la fabrication de l'échangeur. Des essais ont été réalisés sur différents échantillons d'alliages Alcoa 037x qui avaient été revêtus de la couche EBL et ont été comparés à des résultats similaires pour des échantillons revêtus constitués d'alliage d'aluminium 3003. Les résultats sont résumés ci-dessous. Les alliages 037x ont eu tendance à présenter moins de gauchissement dans les essais de déformation lorsqu'ils étaient chauffés à la température de brasage puis ramenés à la température ambiante. I1 est bien connu que les alliages d'aluminium aptes au brasage perdent la plus grande partie de leurs propriétés de résistance (traction, dureté, etc.) quand on les chauffe au-delà de 538 °C (1000 °F), toutefois des essais de déformation permanente (gauchissement) réalisés sur des bandes revêtues de 25 mm x 152 mm (1 pouce x 6 pouces) en alliages 0370/0373 de trempe H18 qui avaient été chauffées à 585 °C (1085 °F) ont montré que les déformations au niveau de l'axe ne représentaient que 60 % de la valeur de déformations comparables sur des échantillons revêtus en alliage d'aluminium 3003-H14 après passage au four. Un maintien partiel de la dureté à la température de brasage signifiait qu'il faudrait moins de support de passage dans l'étape suivante de brasage des échangeurs de chaleur utilisant ces alliages. I1 a été découvert qu'une couche EBL en aluminium poreux, contenant de la poudre d'alliage de brasage Al-Si, et développée en vue d'une application sur un matériau de paroi en alliage d'aluminium 3003, pouvait adhérer aisément aux alliages 037x sans perte de résistance de revêtement ou d'adhérence. Selon des données Alcoa publiées, les alliages 037x sont susceptibles de présenter un durcissement par vieillissement, mais il a été découvert que le durcissement par vieillissement, et la reformation de la phase Mg2-Si ne compromettent pas la résistance, la porosité ni l'adhérence du futur revêtement des particules de couche EBL sur elles-mêmes ou sur le métal de base.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, faite en se référant aux dessins d'accompagnement dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective de trois échangeurs de chaleur ; - la figure 2 est une vue en perspective du coeur d'un échangeur de chaleur de la figure 1 avec des couches partiellement éclatées pour révéler les parties internes ; et - la figure 3 est une vue en perspective du coeur de l'échangeur de chaleur de la figure 1 mais pris selon une perspective différente de celle de la figure 2. Le procédé de l'invention peut être utilisé pour construire n'importe quelle configuration d'échangeur de chaleur par brasage, y compris la configuration à coque et à tubes, mais peut être appliqué de façon la plus appropriée aux échangeurs à plaques. Les passages d'ébullition et de refroidissement des échangeurs de chaleur peuvent être orientés pour donner un écoulement transversal, un écoulement à contre-courant ou un écoulement dans la même direction. En outre, l'échangeur de chaleur peut être appliqué dans le contexte de la séparation de l'air cryogénique, du traitement d'hydrocarbures ou de tout autre processus qui repose sur une ébullition pour effectuer un échange de chaleur. Plusieurs types de métaux peuvent être utilisés pour la fabrication des échangeurs de chaleur. L'aluminium est le métal le plus largement employé pour les échangeurs de chaleur brasés. L'aluminium est adapté aux applications cryogéniques car il résiste à la fragilisation aux basses températures. L'acier ou le cuivre peuvent être utilisés pour chauffer ou refroidir les fluides qui peuvent être corrosifs pour l'aluminium. Aux fins d'illustration, les structures de l'invention vont être décrites relativement à un échangeur de chaleur à plaques, en aluminium et à contre-courant, qui peut être employé dans le contexte de la séparation de l'air cryogénique. La figure 1 montre un train d'échangeurs de chaleur à plaques typiques 10 utilisés dans la séparation de l'air cryogénique. Les échangeurs de chaleur 10 comportent des passages d'ébullition 12 et des passages de refroidissement 14 alternés placés dans un coeur 20. Un liquide, comme de l'oxygène liquide, est envoyé par des conduites 16 à des collecteurs 18 puis distribué aux passages d'ébullition 12. La distribution de liquide aux passages d'ébullition 12 par un moyen autre que les conduites 16 ou les collecteurs 18 sous le coeur 20 est envisagée, par exemple par un effet de thermosiphon dans la partie inférieure des passages d'ébullition 12. En outre, le liquide peut être envoyé aux passages d'ébullition 12 par le côté ou par le dessus du coeur 20, éventuellement par l'intermédiaire d'un réseau de distribution qui peut comporter des ailettes de distributeur. Le liquide bout dans les passages d'ébullition 12, retirant ainsi indirectement la chaleur amenée par les passages de refroidissement 14. De l'oxygène gazeux provenant des passages d'ébullition 12 est collecté, par exemple par des colonnes 22, puis est évacué dans une conduite 24. La récupération des gaz des passages d'ébullition 12 par un moyen autre que les conduites 24 ou les colonnes 22 au-dessus du coeur 20 est envisagée, comme par exemple dans un agencement de thermosiphon. De plus, les gaz des passages d'ébullition 12 peuvent être recueillis par le côté ou par le dessus du coeur 20, éventuellement par l'intermédiaire d'un réseau de collecte qui peut comporter des ailettes de collecte. Un fluide comme de l'azote gazeux est envoyé par des conduites 26 à des collecteurs 28 puis est distribué aux passages de refroidissement 14. La distribution par un moyen autre que les conduites 26 ou les collecteurs 28 est aussi envisagée. Un liquide ou un gaz peut être refroidi dans les passages de refroidissement 14. En outre, si un gaz est envoyé dans les passages de refroidissement 14, il peut être refroidi jusqu'à provoquer un changement de phase, avec ou sans changement de température selon les besoins du processus. La chaleur conduite d'un bord à l'autre des parois situées entre les passages de refroidissement 14 et les passages d'ébullition 12 pour soutenir l'ébullition dans les passages d'ébullition 12 refroidit le fluide présent dans les passages de refroidissement 14, provoquant ainsi la condensation de l'azote gazeux dans le cas de la séparation de l'air. Un fluide comme l'azote liquéfié provenant des passages de refroidissement 14 est collecté par exemple par des collecteurs 30 puis évacué dans des conduites 32. La récupération du fluide refroidi dans les passages de refroidissement 14 par un moyen autre que les collecteurs 30 et les conduites 32 est envisagée. En outre, les collecteurs et conduites de distribution et de collecte montrés dans le mode de réalisation de la figure 1 peuvent être modifiés tout en restant dans la portée de la présente invention. La figure 2 montre le coeur 20 de l'un des échangeurs de chaleur 10 avec des pièces éclatées pour révéler les parties internes.

Un capot 40 est placé à chaque extrémité du coeur 20 pour définir le dernier canal sur chaque extrémité. Une partie du capot 40 illustré sur la figure 2 est retirée pour révéler le passage d'ébullition 12. Des barres ou éléments d'espacement verticaux 42 sont placés entre les bords opposés du capot 40 et une paroi métallique 44 avec un côté ébullition 44a recouvert d'une couche d'ébullition améliorée (EBL) 46. La couche EBL 46 comprend des particules conductrices de la chaleur collées au côté ébullition 44a et entre elles pour former une texture de pores dans lesquels sont constitués des sites d'ébullition nucléée. Dans un mode de réalisation, les particules conductrices de la chaleur sont des particules métalliques. Le passage d'ébullition 12 est alors défini par une surface intérieure du capot 40, les bords intérieurs des barres d'espacement verticales 42 et le côté ébullition de la paroi métallique 44. Des rebords verticaux extérieurs 48 du côté ébullition 44a sont dépourvus de la couche EBL 46 pour fournir une surface d'assemblage.

La vapeur quitte les passages d'ébullition 12 par des sorties d'ébullition 49, et peut être recueillie par les colonnes d'ébullition 22, montrées dans le mode de réalisation de la figure 1. Par ailleurs, il est prévu que les passages d'ébullition 12 puissent contenir des ailettes afin de faciliter davantage le transfert de chaleur. Derrière la paroi métallique 44 et les barres d'espacement verticales 42 éclatées se trouve le passage de refroidissement 14 comprenant des ailettes principales 52 constituant une feuille ondulée d'une tôle à ailettes principales 54. Les ailettes principales 52 s'étendent latéralement entre les bords intérieurs des barres d'espacement verticales 42 aux extrémités opposées du passage de refroidissement 14. Des ailettes de distributeur 56 constituant une tôle à ailettes de distributeur 58 ou formées d'un seul tenant avec la tôle à ailettes principales 54 sont disposées en une configuration inclinée pour répartir uniformément le fluide de refroidissement depuis des entrées de refroidissement 50 le long des sommets des canaux constitués par les ailettes principales 52. Dans le mode de réalisation de la figure 2, du fluide de refroidissement est reçu dans les entrées de refroidissement 50, qui peut venir du collecteur de refroidissement 28 comme montré dans le mode de réalisation de la figure 1. Un autre type de configuration de distribution avec ou sans ailettes peut être utilisé pour distribuer du fluide de refroidissement. Dans un autre mode de réalisation, les entrées de refroidissement 50 peuvent être considérées comme les sommets des canaux formés par les ailettes principales 52. Dans le but de représenter les sommets des ailettes principales 52, un seul ensemble des ailettes de distributeur 56 est montré sur la figure 2. Des sorties de refroidissement 64 qui peuvent être définies par des ailettes de collecte 66 permettent au fluide refroidi de sortir du coeur 20. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le fluide de refroidissement sort par des sorties de refroidissement 64, et peut entrer dans le collecteur de refroidissement 30 représenté dans le mode de réalisation de la figure 1. Des barres d'espacement horizontales 60 rendent étanches le haut et le bas des passages de refroidissement 14. Les barres d'espacement 42, 60 et les ailettes 52, 56, 66 écartent un côté refroidissement 44b (le côté opposé) de la paroi métallique 44 du côté refroidissement 44b de la paroi métallique 44 adjacente. Dans un mode de réalisation, il n'y a pas de barres d'espacement horizontales 60 dans les passages d'ébullition 12 pour permettre l'entrée et la sortie d'un fluide respectivement dans et depuis les passages d'ébullition 12. Par conséquent, les barres d'espacement verticales 42 sont prises entre les extrémités opposées de chaque paire de parois métalliques 44 adjacentes, tandis que les barres d'espacement horizontales 60 sont prises seulement entre les côtés refroidissement 44b adjacents. Cependant, si les ailettes 52, 56, 66 sont disposées et collées de façon appropriée pour supporter la pression de fonctionnement, il est prévu que des barres d'espacement 42, 60 puissent être omises entre les côtés refroidissement 44b dans le passage de refroidissement 14. Les ailettes 52, 56, 66 assureraient alors la fonction d'espacement. Les parois 44 ont une orientation alternée. Excepté quand il est adjacent au capot 40, le côté refroidissement 44b de la paroi métallique 44 est toujours tourné vers le côté refroidissement 44b d'une paroi adjacente, et le côté ébullition 44a d'une paroi est toujours orienté vers le côté ébullition 44a de la paroi métallique 44 adjacente. I1 est aussi envisagé dans d'autres modes de réalisation que les passages de refroidissement 14 ne comportent pas d'ailettes et que les passages d'ébullition 12 soient équipés d'ailettes. La figure 3 montre le coeur 20 de la figure 2 mais depuis une perspective qui montre la partie inférieure du coeur 20. Tous les éléments de la figure 2 qui sont visibles sur la figure 3 sont référencés avec des numéros. De plus, des entrées d'ébullition 51 conduisant aux passages d'ébullition 12 sont montrées. Dans un mode de réalisation, les entrées d'ébullition 51 peuvent recevoir du liquide en ébullition provenant de collecteurs d'ébullition 18 (figure 1). Par ailleurs, le bas du capot 40 et de la première paroi métallique 44 est éclaté pour révéler les ailettes de collecte 66 d'une troisième tôle à ailettes 68. Les ailettes de collecte 66 constituant la troisième tôle à ailettes 68 ou étant intégrées à la tôle à ailettes principales 54 sont disposées en une configuration inclinée pour collecter de façon uniforme le fluide de refroidissement provenant des sorties de refroidissement 64 le long des parties inférieures des canaux constitués par les ailettes principales 52. On peut utiliser un autre type de configuration de collecte, avec ou sans ailettes, pour recueillir le fluide de refroidissement. Dans un autre mode de réalisation, les sorties de refroidissement 64 peuvent être considérées comme les fonds des canaux constitués par les ailettes principales 52. Dans le but d'illustrer la partie inférieure des ailettes principales 52, un seul jeu des ailettes de collecte 66 est représenté sur la figure 3.

La couche EBL est ajoutée au côté ébullition au moyen de n'importe quel procédé connu, comme l'application d'une suspension épaisse, la projection à la flamme, la projection au plasma ou le dépôt électrolytique. Toutefois, il est crucial que l'étape de brasage qui suit cette application ne diminue pas l'efficacité de l'échange de chaleur de la couche EBL une fois appliquée. Dans un mode de réalisation, le point de fusion de la couche EBL est supérieur au point de fusion du métal de brasage. Les points de fusion relatifs du métal de brasage et de la couche EBL peuvent être obtenus en alliant un second métal avec un premier métal qui a pour effet de donner à l'alliage un point de fusion qui est inférieur au point de fusion du premier métal. La concentration du second métal peut être plus grande dans le métal de brasage que dans le matériau de la couche EBL, afin que la couche EBL ait un point de fusion plus élevé qui peut supporter l'étape de brasage sans perte d'intégrité structurelle. Dans les échangeurs de chaleur en aluminium brasé, l'aluminium est le premier métal et comme second métal, on peut utiliser du silicium, du manganèse, du magnésium ou leurs alliages. Dans les échangeurs de chaleur en acier brasé, on peut prendre le nickel comme premier métal et le phosphore comme second métal. Dans les échangeurs de chaleur en cuivre brasé, le cuivre peut être le premier métal et le phosphore peut être le second métal. Dans le cas où le cuivre est le premier métal utilisé pour fournir la couche EBL et le matériau de brasage, le brasage se produit 100 °C (180 °F) sous la température de fusion du cuivre ou à 960 °C (1760 °F). Dans le cas où l'aluminium est le premier métal, le brasage se produit de 49 à 54 °C (120 à 130 °F) sous sa température de fusion de 649 °C (1200 °F). Si le premier métal est du nickel, l'étape de brasage dans le four va avoir lieu à une température de 1037 °C (1900 °F), soit à 38 °C (100 °F) sous la température de fusion de l'acier. A ces températures, le second métal abaisse le point de fusion de l'alliage avec le premier métal. Le métal de brasage liquéfié s'écoule et diffuse dans le métal de base et forme une liaison métallurgique. En alliant plus du second métal avec le premier métal dans le matériau de brasage que dans le matériau de la couche EBL, la couche EBL, une fois appliquée, va être apte à supporter le traitement thermique de brasage qui suit à une température inférieure. I1 est également prévu d'employer le frittage pour former la couche EBL au lieu du brasage. Dans le frittage, le métal est chauffé jusqu'au point d'agitation moléculaire et diffuse sur une période relativement longue dans un métal adjacent pour former des liaisons métallurgiques. Le frittage peut être utilisé pour fournir à la couche EBL un brasage à une température inférieure pour lier les composants de l'échangeur de chaleur entre eux. Dans un mode de réalisation, la première étape d'application de la couche EBL consiste à appliquer un liant polymère sur le côté ébullition de la paroi métallique. On applique ensuite sur le liant plastique une poudre métallique qui peut comprendre le premier métal et le second métal. Puis on isole la paroi métallique sur laquelle est collée la poudre métallique (par l'intermédiaire de la matière plastique) avec une atmosphère inerte comme de l'azote et l'on augmente la température jusqu'à une température de brasage pendant une durée suffisante pour réaliser des liaisons métallurgiques entre les particules de poudre métallique, entre elles et avec le côté ébullition de la paroi métallique. Le liant plastique se décompose sous la chaleur et s'évapore. Le gaz inerte circulant diminue la formation d'un film d'oxyde et purge les gaz de décomposition du matériau liant. La poudre de métal collée forme une matrice tridimensionnelle hautement poreuse, qui fournit à la couche EBL des sites d'ébullition nucléée. Parmi les liants plastiques appropriés, on peut citer le polyisobutylène, la polyméthylcellulose ayant une viscosité d'au moins 4 Pa.s (4000 cps) et vendue sous le nom de METHOCEL (marque déposée) et le polystyrène ayant une masse moléculaire de 90 000. Le liant peut être dissous dans un solvant adapté comme le kérosène ou le tétrachlorure de carbone pour les liants en polyisobutylène et en polyméthylcellulose, et le xylène ou le toluène pour le liant en polystyrène. Le côté ébullition doit être nettoyé pour être débarrassé des graisses, huiles ou oxydes afin d'obtenir un collage correct de la couche EBL sur celui-ci. Avant d'appliquer la solution plastique, on peut asperger le côté ébullition avec la solution plastique pour faciliter le mouillage, ce qui permet d'obtenir une répartition plus homogène du liant plastique. La solution plastique peut être appliquée sur le côté ébullition de telle manière à obtenir une couche uniforme, par exemple par pulvérisation, par immersion, ou par application au pinceau ou au rouleau. Après application, on sèche la couche à l'air, soit pendant soit après l'application de la poudre métallique pour éliminer la majeure partie du solvant par évaporation. Une couche solide et autoporteuse de poudre métallique et de liant est laissée en place sur la paroi métallique par le liant. La poudre métallique des premier et second métaux est mélangée avec un flux. Lors du chauffage, le flux fond et attire les oxydes du métal qui pourraient empêcher le collage des particules métalliques entre elles et avec le côté ébullition. Le flux peut être un sel minéral disponible dans le commerce comme du fluorure d'aluminium et de potassium, qui est un mélange de KA1F4 et de KA1F6. D'autres flux peuvent être appropriés. Le coeur 20 de l'échangeur de chaleur 10 est assemblé en empilant des couches de composants. S'il n'est pas prévu que le brasage du coeur 20 soit effectué dans un four à vide, chaque composant doit être enduit de flux avant l'empilement. Une façon appropriée d'enduire les composants de flux consiste à mélanger le flux avec de l'alcool dénaturé dans un rapport volumétrique de 1/1 puis d'appliquer au pinceau ou de pulvériser la solution sur le composant avant l'empilement. L'ordre d'empilement va être décrit avec le côté montré sur les figures 2 et 3 en bas. Le capot 40 est placé sur la partie basse d'une surface d'empilement, la surface extérieure du capot 40 orientée vers le bas. On place une couche de feuille de brasage au moins sur les deux rebords verticaux 48 d'une surface intérieure du capot 40 ou éventuellement sur toute la surface intérieure du capot 40. On place ensuite les barres d'espacement verticales 42 sur les rebords verticaux 48 de la surface intérieure du capot 40. La feuille de brasage peut n'être placée que sur les rebords verticaux 48 du capot 40 car seules les barres d'espacement verticales 42 vont être brasées sur la surface intérieure du capot 40 qui dans ce cas définit le passage d'ébullition 12. Habituellement, on n'empile pas de barres d'espacement horizontales 60 dans le passage d'ébullition 12.

Toutefois, dans un mode de réalisation, si le capot 40 définit le passage de refroidissement 14, les barres d'espacement horizontales 60 doivent être empilées et brasées sur le capot 40. Une couche de feuille de brasage est empilée au sommet des barres d'espacement verticales 42. Des bandes de la feuille de brasage peuvent être placées juste au- dessus des barres d'espacement verticales 42. La paroi métallique 44 munie de la couche EBL 46 sur le côté ébullition 44a tournée vers le bas vers le capot 40 et le côté refroidissement 44b tourné vers le haut est placée au sommet des barres d'espacement verticales 42. Les rebords verticaux 48 du côté ébullition 44a qui sont dépourvus de la couche EBL 46 reposent sur la feuille de brasage, au sommet des barres d'espacement verticales 42. Une couche de feuille de brasage est déposée au sommet du côté refroidissement 44b de la paroi métallique 44. La tôle à ailettes principales 54 comprenant les ailettes principales 52, la tôle à ailettes de distributeur 58 comprenant les ailettes de distributeur 56, la tôle à ailettes de collecte 68 comprenant les ailettes de collecte 66 et les barres d'espacement horizontales 60 et les barres d'espacement verticales 42 sont toutes empilées sur la couche de feuille de brasage placée au sommet du côté refroidissement 44b de la paroi métallique 44. On dépose une couche de feuille de brasage sur la tôle à ailettes principales 54, la tôle à ailettes de distributeur 58, la tôle à ailettes de collecte 68 comprenant les ailettes de collecte 66 et les barres d'espacement 42, 60. Ensuite, on place une autre paroi métallique 44, avec le côté refroidissement 44b tourné vers le bas et le côté ébullition 44a tourné vers le haut, sur la couche de feuille de brasage. Au sommet de la paroi métallique 44, on dépose des bandes de feuille de brasage juste sur les rebords verticaux 48 du côté ébullition 44a à l'extérieur de la couche EBL 46. Les barres d'espacement verticales 42 sont placées sur les bandes de feuille de brasage situées dans les rebords verticaux 48. Des bandes de feuille de brasage sont déposées au sommet des barres d'espacement verticales 42. Une paroi métallique 44 supplémentaire, avec le côté ébullition 44a tourné vers le bas, est empilée au sommet, avec les rebords verticaux 48 accouplés avec les bandes de matériau de brasage au sommet des barres d'espacement verticales 42. Le reste du coeur 20 de l'échangeur de chaleur 10 est empilé comme décrit précédemment jusqu'à ce que le capot 40 soit placé au sommet de l'empilement. I1 est également prévu que les deux côtés de la tôle à ailettes principales 54, les barres d'espacement 42, 60 et/ou le côté refroidissement 44b de la paroi métallique 44 puissent être revêtus intégralement d'une couche de matériau de brasage. Ceci éliminerait le besoin d'ajouter des couches de feuille de brasage dans l'empilement constituant le coeur 20. Toutefois, si seule la tôle à ailettes 54, 58, 68 et/ou les barres d'espacement 42, 60 peuvent être obtenues avec un matériau brasé appliqué des deux côtés, l'emploi de feuille de brasage peut être évité. Une fois l'empilement du coeur 20 achevé, on l'insère dans un four ayant une atmosphère de gaz inerte puis on le chauffe de façon que le centre du coeur 20 atteigne une température élevée. Après l'avoir laissé à cette température élevée pendant un intervalle de temps, on le laisse refroidir. La température élevée se trouve au-dessus de la température de fusion du matériau de brasage et sous la température de fusion du matériau de la couche EBL 46 après application et la température de fusion du métal de base. Dans un mode de réalisation, la température élevée peut être inférieure à la température de fusion du matériau de la couche EBL 46 après application. Dans un environnement de brasage à atmosphère régulée, on peut utiliser de l'alliage d'aluminium 4047 comme matériau de brasage, auquel cas la température de brasage élevée serait de 607 à 618 °C (1125 à 1145 °F). Les désignations d'alliages d'aluminium données ici sont faites conformément à la convention des alliages utilisée par les personnes ayant une connaissance ordinaire du métier de brasage de l'aluminium. Le matériau de brasage fond et forme une liaison métallurgique avec les éléments métalliques adjacents pour donner un coeur d'échangeur de chaleur métallique solide. La couche EBL 46 conserve son intégrité structurelle hautement poreuse. Des résidus de flux peuvent rester à la surface du coeur 20 mais ils disparaissent habituellement ensuite sans affecter le fonctionnement. Après avoir assemblé le coeur 20 par brasage, les collecteurs 18, 28 et les colonnes et collecteurs 22, 30 sont soudés sur le coeur 20 comme montré sur le mode de réalisation de la figure 1. Les conduites 16, 24, 26, 32 sont toutes fixées sur un collecteur ou colonne approprié(e) 18, 28, 22, 30. D'autres équipements d'arrivée, de distribution, de collecte et de récupération que ceux montrés dans le mode de réalisation de la figure 1 peuvent être utilisés. En variante, l'une ou les deux étapes de brasage peuvent avoir lieu dans un four à vide. Le flux devient inutile et on utilise généralement une température inférieure pour le brasage. Cependant, dans le processus de brasage sous vide, le coeur met plus de temps à atteindre la température de brasage, après quoi on le laisse refroidir. Si le coeur empilé est brasé dans un environnement sous vide, on peut utiliser l'alliage d'aluminium 4104 comme matériau de brasage, auquel cas la température de brasage élevée est comprise entre 582 et 593 °C (1080 à 1100 °F).

Dans la présente invention, il est important que les feuilles soient faites d'un alliage d'aluminium revenu plus dur, comme la famille 037x d'Aloca d'alliages d'aluminium à haute résistance ou d'autres alliages qui ont une résistance à la traction et une limite d'élasticité significativement plus grandes que l'alliage d'aluminium 3003-H14 utilisé dans l'art antérieur. L'alliage utilisé doit fournir des propriétés mécaniques après brasage supérieures et dans certains cas il doit aussi apporter des propriétés de durcissement par vieillissement. L'utilisation de ces alliages apporte une résistance améliorée au fluage quand il y a un second cycle de brasage. De plus, ces alliages ont été sélectionnés pour permettre l'adhérence d'un revêtement à "flux élevé" sur ces feuilles pendant le processus de brasage initial. Ces feuilles présentent une tenue en flexion améliorée lors de la manutention et de l'assemblage ainsi qu'une tendance réduite à la flexion ou au fluage pendant le brasage des composants entre eux. Certains des alliages que l'on a trouvés utile contiennent de 0,15 à 0,35 % de titane. I1 est important, aux fins de la présente invention, que la couche EBL soit capable de supporter le traitement thermique du brasage final. Dans un échangeur de chaleur en aluminium brasé, le matériau de brasage, que ce soit une poudre, une feuille mince ou un revêtement, peut comprendre un alliage eutectique comprenant au moins 80 % en poids d'aluminium et de 10 à 15 % en poids de silicium. Dans un mode de réalisation, l'alliage eutectique comprend de 11 à 13 % en poids de silicium et au moins 85 % en poids d'aluminium. Dans un autre mode de réalisation, l'alliage de brasage eutectique peut être de l'alliage d'aluminium 4047 et peut comprendre 12 % en poids de silicium et 88 % en poids d'aluminium. Les autres composants du coeur 20, comme les parois, la tôle à ailettes et les barres d'espacement peuvent comprendre de l'alliage d'aluminium 3003 qui comprend un alliage d'aluminium à forte proportion pouvant descendre jusqu'à 98 % en poids d'aluminium et monter jusqu'à 2 % en poids de manganèse. De petites quantités de magnésium et de fer peuvent aussi être présentes dans l'alliage d'aluminium 3003.

L'expression « à forte proportion » signifie supérieure à 90 %. D'autres composants comprenant de l'aluminium substantiellement pur ou des alliages d'aluminium à forte proportion peuvent être appropriés. Dans les applications de brasage sous vide, il peut y avoir de 1 à 2 % en poids de magnésium dans l'alliage d'aluminium à forte proportion. Le matériau constituant la couche EBL peut comprendre de 0,5 à 1,5 % en poids de silicium et au moins 95 % en poids d'aluminium substantiellement pur ou un alliage d'aluminium à forte proportion. Dans un mode de réalisation, la couche EBL peut comprendre de 5 à 11 % en poids de matériau de brasage et au moins 85 % en poids d'aluminium substantiellement pur ou un alliage d'aluminium à forte proportion. Dans un mode de réalisation, la couche EBL comprend au moins 90 % d'aluminium pur ou à forte proportion et un alliage eutectique comprenant de 11 à 13 % en poids de silicium et au moins 85 % en poids d'aluminium. Dans un mode de réalisation, l'alliage eutectique sous forme de poudre est mélangé à de l'aluminium en poudre substantiellement pur ou à forte proportion. Pour empêcher l'oxydation de l'aluminium dans les fours de brasage qui ne sont pas sous vide, il faut ajouter un flux comprenant de 5 à 10 % en poids de sel minéral en poudre au matériau d'EBL lors de l'application. Sans vouloir être lié à une quelconque théorie particulière, il semble que lors du chauffage d'un mélange de matériau d'EBL en poudre décrit ci-dessus, la poudre d'alliage eutectique de brasage fond et mouille la poudre d'aluminium substantiellement solide et non fondue, en formant ainsi un alliage. On pense qu'après application, l'alliage résultant dans la couche EBL fond à une température plus élevée que l'alliage eutectique de brasage en raison de la plus faible concentration du silicium dans l'alliage d'aluminium. La couche EBL est alors apte à supporter les températures de brasage associées à l'assemblage du coeur de l'échangeur de chaleur empilé qui sont dangereusement proches de la température à laquelle le matériau EBL a été initialement brasé sans perte de performance. Si la couche EBL est frittée, de la poudre d'alliage d'aluminium 3003 pur peut être frittée à 641 °C (1185 °F). Une feuille mince de brasage comprenant l'eutectique de silicium et d'aluminium mentionné plus haut peut être utilisée pour assembler le coeur à une température de brasage de 604 à 613 °C (1120 à 1135 °F) sous une atmosphère inerte régulée et une température de brasage de 566 à 596 °C (1050 à 1105 °F) dans un environnement sous vide.

EXEMPLE

On a testé une famille d'alliages d'aluminium propriétaires (la famille 037x) pour déterminer leur utilisation potentielle dans la présente application. Les quatre alliages qui constituent ce groupe (0370, 0371, 0372 et 0373) contiennent tous notamment 0,15 % de titane et ont la même chimie de base, à l'exception de la teneur en magnésium, qui va de 0,05 % maximum dans l'alliage 0370 à 0,35 % dans l'alliage 0373. La teneur croissante en magnésium se traduit par un degré croissant du durcissement par vieillissement post-brasage qui se produit avec ces alliages, de sorte que la limite d'élasticité et la résistance à la traction augmentent dans le temps à la température ambiante ou avec une vitesse supérieure à une température élevée.

On s'est procuré quatre éprouvettes de 037x (deux de 0370 et deux de 0373) de 152 mm x 203 mm x 1 mm (6 x 8 x 0,040 pouce), toutes de trempe H18. Des essais préliminaires de revêtement à "flux élevé" sur chacun de ces deux échantillons d'alliages ont été prometteurs, le revêtement à flux élevé montrant une bonne adhérence à la fois sur l'échantillon de substrat en alliage 0370 et sur celui en alliage 0373. De plus, des mesures de dureté post-brasage effectuées à l'aide d'un testeur de dureté portable Webster ont montré que la dureté de l'échantillon 0370 restait relativement constante à un niveau Rockwell E de 37 après brasage, et que la dureté de l'échantillon 0373 augmentait d'un niveau Rockwell E de 41 juste après le brasage à un niveau Rockwell E de 58 dix jours après. Les deux échantillons présentaient à la réception une dureté pré-brasage mesurée de 79 sur l'échelle Rockwell E. La dureté des échantillons d'alliage d'aluminium 3003-H14 après brasage était similaire à celle d'un alliage ayant subi un recuit complet, soit une valeur inférieure à 20 sur l'échelle Rockwell E.

Claims

REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (10) comprenant : une pluralité de parois métalliques (44), chaque paroi métallique comprenant deux côtés, un côté ébullition (44a) recouvert d'une couche d'ébullition améliorée (46) poreuse comprenant des particules conductrices de la chaleur brasées comprenant une poudre d'alliage d'aluminium à forte proportion mélangée à un alliage eutectique d'aluminium et de silicium intégralement liés entre eux et liés de façon métallurgique au côté ébullition et à un côté refroidissement (44b), ledit côté ébullition de ladite pluralité de parois métalliques définissant un passage d'ébullition (12) et ledit côté refroidissement de ladite pluralité de parois métalliques définissant un passage de refroidissement (14) et chacune desdites parois métalliques comportant en outre une surface de liaison et dans lequel chacune desdites parois métalliques comprend un alliage d'aluminium ayant des propriétés mécaniques conformes à une valeur de dureté d'au moins 35 sur l'échelle Rockwell E ; un élément d'espacement pour écarter les parois métalliques les unes des autres ; une couche de métal entre lesdites surfaces de liaison desdites parois métalliques et ledit élément d'espacement dans ledit échangeur de chaleur, ladite couche de métal ayant une température de fusion qui est inférieure à une température de fusion de ladite couche d'ébullition améliorée (46) ; une entrée d'ébullition (51) pour envoyer un liquide dans ledit passage d'ébullition ; une entrée de refroidissement (50) pour envoyer un fluide dans ledit passage de refroidissement ; une sortie d'ébullition (49) pour récupérer de la vapeur dudit passage d'ébullition ; et une sortie de refroidissement (64) pour récupérer du fluide dudit passage de refroidissement.
2. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 1, dans lequel ladite couche d'ébullition améliorée (46) comprend de 0,5 à 1,5 % en poids de silicium.
3. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 1, dans lequel l'alliage d'aluminium à forte proportion constitue 92 % en poids de la couche d'ébullition améliorée et l'alliage eutectique constitue 8 % en poids de la couche d'ébullition améliorée.
4. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit côté ébullition (44a) a un coefficient de transfert de chaleur d'ébullition supérieur à 56780 W/m2K (10000 BTU/h/ft2°F).
5. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 1, dans lequel l'alliage eutectique comprend 12 % en poids de silicium et 88 % en poids d'aluminium.
6. Echangeur de chaleur (10) comprenant : une pluralité de parois métalliques (44) comprenant un alliage d'aluminium ayant des propriétés mécaniques conformes à une valeur de dureté d'au moins 35 sur l'échelle Rockwell E, chaque paroi métallique comprenant deux côtés, un côté ébullition (44a) recouvert d'une couche d'ébullition améliorée (46) comprenant des particules conductrices de la chaleur comprenant une poudre d'alliage d'aluminium à forte proportion mélangée à un alliage eutectique d'aluminium et de silicium intégralement liés entre eux et liés de façon métallurgique au côté ébullition et à un côté refroidissement (44b), lesdites particules conductrices de la chaleur comprenant un alliage brasé d'un premier métal et d'un second métal, ledit second métal s'alliant avec ledit premier métal pour donner un alliage ayant une température de fusion qui est inférieure à la température de fusion dudit premier métal, lesdits côtés ébullition de ladite pluralité de parois métalliques définissant des passages d'ébullition (12) et lesdits côtés refroidissement de ladite pluralité de parois métalliques définissant des passages de refroidissement (14) et chacune desdites parois métalliques comprenant en outre une surface de liaison ;une pluralité de barres d'espacement situées chacune entre deux desdites parois métalliques, chacune desdites barres d'espacement comportant une surface de liaison ; une couche de métal entre chacune desdites surfaces de liaison des parois métalliques et une surface de liaison d'une barre d'espacement adjacente de ladite pluralité de barres, ladite couche de métal comprenant un alliage incluant ledit premier métal et une température de brasage élevée de ladite couche de métal est inférieure à une température de fusion de ladite couche d'ébullition améliorée ; une entrée d'ébullition (51) pour envoyer un liquide dans ledit passage d'ébullition ; une entrée de refroidissement (50) pour envoyer un fluide dans lesdits passages de refroidissement ; une sortie d'ébullition (49) pour récupérer de la vapeur desdits passages d'ébullition ; et une sortie de refroidissement (64) pour récupérer du fluide desdits passages de refroidissement.
7. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 6, dans lequel ladite couche de métal comprend un métal supplémentaire avec une plus grande concentration dudit métal supplémentaire qu'une concentration dudit second métal dans ladite couche d'ébullition améliorée.
8. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 6, dans lequel le second métal et le métal supplémentaire sont du silicium.
9. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 6, dans lequel la couche d'ébullition améliorée (46) comprend de 0,5 à 1,5 % en poids de silicium.
10. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 6, dans lequel l'alliage d'aluminium à forte proportion constitue 92 % en poids de la couche d'ébullition améliorée et l'alliage eutectique constitue 8 % en poids de la couche d'ébullition améliorée.
11. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 6, dans lequel ladite couche d'ébullition améliorée est poreuse et lesditesparticules conductrices de la chaleur sont liées de façon métallurgique au côté ébullition.
12. Echangeur de chaleur (10) comprenant : une pluralité de parois métalliques (44) comprenant de l'aluminium ayant des propriétés mécaniques conformes à une valeur de dureté d'au moins 35 sur l'échelle Rockwell E, chaque paroi métallique comprenant deux côtés, un côté refroidissement (44b) et un côté ébullition (44a) recouvert d'une couche d'ébullition améliorée (46) comprenant des particules conductrices de la chaleur, lesdites particules conductrices de la chaleur comprenant une poudre d'alliage d'aluminium à forte proportion mélangée à un alliage eutectique d'aluminium et de silicium, lesdites particules conductrices de la chaleur étant intégralement liées entre elles et liées de façon métallurgique au côté ébullition, ledit côté ébullition de ladite pluralité de parois métalliques définissant un passage d'ébullition et ledit côté refroidissement de ladite pluralité de parois métalliques définissant un passage de refroidissement et chacune desdites parois métalliques comprenant en outre une surface de liaison ; un élément d'espacement pour écarter les parois métalliques les unes des autres ; une couche de métal entre lesdites surfaces de liaison desdites parois métalliques et ledit élément d'espacement dans ledit échangeur de chaleur, ladite couche de métal ayant une température de fusion qui est inférieure à une température de fusion de ladite couche d'ébullition améliorée (46) ; une entrée d'ébullition (51) pour envoyer un liquide dans ledit passage d'ébullition ; une entrée de refroidissement (50) pour envoyer un fluide dans ledit passage de refroidissement ; une sortie d'ébullition (49) pour récupérer de la vapeur dudit passage d'ébullition ; et une sortie de refroidissement (64) pour récupérer du fluide dudit passage de refroidissement.
13. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 12, dans lequel ledit côté ébullition (44a) a un coefficient de transfert de chaleur d'ébullition supérieur à 56780 W/m2K (10000 BTU/h/ft2°F).