FR2970070A1 - Echangeur de chaleur en materiaux polymeres et composites - Google Patents

Abstract

L'objet principal de l'invention est un échangeur de chaleur (10) entre un premier flux de gaz et un deuxième flux de fluide, qui comporte des plaques (12) en matériau polymère parallèles à une direction longitudinale qui délimitent un espace (14) destiné à être traversé par le premier flux de gaz et qui comporte des ailettes (16) en matériau polymère composite agencées dans ledit espace (14) horizontal, caractérisé en ce que chaque plaque (12) comporte une pluralité de conduits (22) longitudinaux qui traversent ladite plaque (12) et qui sont destinés à être traversés par le deuxième flux.

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR EN MATERIAUX POLYMERES ET COMPOSITES

DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE L'invention propose un échangeur de chaleur pour échanger de la chaleur entre un flux de liquide ou de vapeur et un flux gazeux, qui est réalisé à partir 10 de matériaux polymères. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les échangeurs de chaleur réalisés à partir de métal, tel que par exemple en acier inoxydable ou en 15 aluminium, sont bien connus, et il est aussi connu de les réaliser sous multiples formes. Cependant, de tels matériaux sont relativement lourds et sont sensibles à la corrosion, d'autant plus lorsque l'un des liquides qui circule au 20 travers d'un tel échangeur est corrosif. Le document US.6.408.941 et le document US.5.628.363 décrivent chacun un échangeur de chaleur comportant des plaques parallèles en matériau polymère, qui sont séparées par des nervures elles aussi en 25 matériau polymère. L'utilisation d'un matériau polymère permet de réduire la masse et le poids de l'échangeur et permet de rendre celui-ci moins sensible à la corrosion, par rapport à un échangeur métallique. 2 Selon le document US.5.628.363, le matériau utilisé est un matériau polymère composite, c'est-à-dire qui comporte une base en matériau polymère et un additif sous forme de fibres qui est incorporé dit matériau polymère. Les échangeurs de chaleur décrits dans ces documents sont particulièrement adaptés à des échanges de chaleur entre deux flux de fluides de même nature, car les surfaces d'échange entre chaque flux et les plaques ou les nervures, sont sensiblement similaires. Le coefficient d'échange thermique entre un matériau polymère et un liquide ou de vapeur est plus important que le coefficient d'échange thermique entre le matériau polymère et un flux de gaz.

Ainsi, dans le cas d'un échangeur de chaleur entre un flux de liquide ou de vapeur et un flux de gaz, il est préférable d'augmenter la surface d'échange entre le matériau polymère et le flux de gaz. Aussi, en fonction de l'utilisation de l'échangeur de chaleur, la pression du liquide est relativement importante. Cette pression, combinée à une utilisation non continue de l'échangeur, provoquant une succession de cycles de chauffage-refroidissement de l'échangeur, peut provoquer une détérioration de la liaison des plaques et les nervures entre-elles et par conséquent générer des fuites entre les deux flux. L'invention a pour but de proposer un échangeur de chaleur particulièrement adapté à un échange de chaleur entre un premier flux de gaz ou de vapeur, et un deuxième flux de liquide.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'objet principal de l'invention est un échangeur de chaleur entre un premier flux de gaz et un deuxième flux de liquide et/ou de vapeur, qui comporte une pluralité de plaques parallèles à une direction longitudinale réalisées en matériau polymère qui sont superposées les unes au-dessus des autres et à distance les unes des autres, dans lequel deux plaques adjacentes délimitent un espace qui est destiné à être traversé par ledit premier flux, et qui comporte des ailettes réalisées à partir de matériau polymère composite qui sont agencées dans ledit espace de manière telle que chaque ailette est sensiblement parallèle au sens d'écoulement du premier flux dans ledit espace et s'étend entre les faces en vis-à-vis desdites deux plaques adjacentes, caractérisé en ce que chaque plaque comporte une pluralité de conduits longitudinaux parallèles qui traversent ladite plaque et qui sont destinés à être traversés par le deuxième flux. Les conduits longitudinaux permettent à chaque plaque horizontale d'être traversée par le liquide du deuxième flux, et de manière étanche au premier flux de gaz. De préférence, chaque plaque est réalisée d'une seule pièce par extrusion de matériau polymère. De préférence, chaque plaque est réalisée à partir d'un matériau polymère et de fibres d'un autre matériau incorporées dans ledit matériau polymère. 3 4 De préférence, chaque ailette est réalisée à partir d'un matériau polymère et d'un matériau à base de carbone. De préférence, chaque ailette comporte au moins une couche de fibres de carbone pyrolytique et au moins deux couches de matériau polymère de part et d'autre de la couche de matériau à base de carbone. De préférence, les ailettes qui sont agencées dans un dit espace délimité par deux plaques adjacentes, sont réalisées d'une seule pièce à partir d'une plaque gaufrée en matériau polymère composite. De préférence, chaque ailette est raccordée aux deux faces en vis-à-vis des plaques adjacentes associées délimitant ledit espace de manière à permettre un échange de chaleur entre ladite ailette et les plaques horizontales. De préférence, l'échangeur de chaleur comporte une plaque de fermeture qui recouvre une face externe de chacune des deux plaques qui sont situées aux extrémités de l'échangeur, selon la direction d'empilement des plaques. De préférence, chaque espace est obturé à ses extrémités latérales, selon le sens d'écoulement du premier flux dans ledit espace, par des nervures parallèles aux ailettes et dont chacune est fixée aux faces en vis-à-vis des plaques délimitant ledit espace de manière étanche au gaz et/ou à la vapeur. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation 5 schématique en perspective partielle d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; - la figure 2 est une section suivant un plan longitudinal vertical de l'échangeur de chaleur représenté à la figure 1 ; - la figure 3 est une section suivant un plan vertical transversal de l'échangeur de chaleur représenté à la figure 1. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans la description qui va suivre, des éléments identiques, analogues ou similaires seront désignés par les mêmes références. En vue de faciliter la compréhension de la description et des revendications, on adoptera à titre non limitatif et sans référence explicite à la gravité terrestre, les orientations Longitudinale, Transversale et Verticale en référence au repère L, T, V indiqué sur la figure 1. On a représenté à la figure 1 un échangeur de chaleur 10 de type mixte, c'est-à-dire pour échanger de la chaleur entre un premier flux de gaz et un deuxième flux de liquide et/ou de vapeur, par exemple de l'eau. Un tel échangeur permet par exemple de refroidir le premier flux.

Le deuxième flux peut ainsi consister en un liquide, tel que de l'eau, de la vapeur dudit liquide, 6 ou un fluide diphasique comportant le liquide et de la vapeur. L'échangeur 10 comporte une pluralité de plaques 12 parallèles qui sont ici parallèles aux orientations longitudinale L et transversale T horizontales, qui sont empilées selon la direction verticale V à distance les unes des autres. Chaque plaque 12 est réalisée à partir d'un matériau polymère du type PVDF (Polyfluorure de Vinylidène), le PPO (Oxyde de Polyphéniléne), le PP (Polypropylène), le PVCC (Polychlorure de Vinyle surchloré), le PA (Polyamide), le PPS (Polysulfure de phényléne), le PEI (Polyétherimide), le PSU (Polysulfone), le PBI (Polybenzidimazole), le PFA (Perfluoroalkoxy), le PEEK (Polyetheretherketone), PMMA (Polymethacrylate de Méthyle). Selon une variante de réalisation, des charges de matériau composite, par exemple des fibres de carbone ou des fibres de verre, sont incorporées dans le matériau polymère, pour conférer à ce matériau des propriétés de conductivité thermique particulières et aussi pour améliorer les propriétés mécaniques de l'échangeur 10. Par la suite, on appellera matériau polymère composite un tel mélange de matériau polymère avec des charges de matériau composite. L'adjonction de charges au matériau polymère permet de manière générale de conférer à l'élément obtenu à partir du matériau polymère composite, des propriétés isotropiques, c'est-à-dire que le transfert de chaleur est sensiblement uniforme 7 selon toutes les directions, ou anisotropiques, c'est-à-dire que le transfert de chaleur est favorisé dans au moins une direction par rapport à au moins une autre direction.

De préférence, ici, les charges sont mélangées au matériau composite de manière à conférer aux plaques 12 des propriétés isotropiques de transfert de chaleur. L'espace 14 séparant deux plaques 12 adjacentes est destiné à être traversé par le premier flux, c'est-à-dire ici par le flux de gaz. Cet espace 14 reçoit des ailettes 16 qui sont parallèles au sens d'écoulement du premier flux de gaz dans l'échangeur thermique 10, c'est-à-dire ici qu'elles sont parallèles à l'orientation transversale T. Une quantité de chaleur est échangée entre le premier flux et les ailettes 16 d'une part, et une quantité de chaleur similaire est échangée entre les ailettes 16 et les plaques 12 d'autre part. Les ailettes 16 sont réalisées à partir d'un matériau polymère composite. Selon un mode de réalisation préféré, les ailettes 16 sont du type multicouche, c'est-à-dire que chaque ailette comporte au moins une couche en matériau composite qui est intercalée entre deux couches en matériau polymère. La couche de matériau composite consiste en une feuille fibres de carbone, de préférence des fibres de carbone pyrolytique, qui se présente éventuellement 8 sous la forme d'un feutre non tissé à base de graphite, ou un tissu de fibres de graphite tissées. Une telle couche à base de graphite possède une bonne conductivité thermique dans le sens du plan de l'ailette 16, de l'ordre de 1000 W/ (m.K) et une conductivité thermique moindre dans le sens perpendiculaire au plan de l'ailette 16. Les matériaux polymères utilisés pour réaliser les plaques 12 et les ailettes 16 sont généralement hydrophobes. De tels matériaux permettent notamment de favoriser la formation de gouttes du flux d'un gaz humide par condensation, et permettent aussi d'améliorer les performances de l'échangeur.

Aussi, dans le cas ou le premier flux est un flux de vapeur qui peut se condenser sur les ailettes 16, ce liquide condensé peut s'écouler aisément le long des ailettes 16. L'ensemble des ailettes 16 qui sont situées dans un même espace 14 sont réalisées d'une seule pièce à partir d'une plaque unique 18 en matériau polymère composite. Cette plaque unique 18 a été mise en forme, par exemple par gaufrage de manière à présenter un crénelage tel que représenté aux figures 1 et 2.

Ainsi, comme on peut le voir plus en détails à la figure 2, la plaque 18 comporte des tronçons verticaux transversaux correspondant aux ailettes 16 et des tronçons horizontaux 20 supérieurs et inférieurs reliant les ailettes 16 entre elles, alternativement à leurs extrémités supérieures et inférieures. 9 Il sera compris que l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et que la plaque 18 peut être gaufrée différemment. Par exemple, le gaufrage est réalisé de manière telle que les ailettes 16 sont inclinées alternativement d'un côté puis de l'autre en formant un profil en dent de scie. Conformément à l'invention, le deuxième flux de liquide et/ou de vapeur traverse chaque plaque 12.

A cet effet, chaque plaque 12 comporte une pluralité de conduits longitudinaux 22 parallèles qui traversent ladite plaque 12 et qui sont destinés à être traversés par le deuxième flux de liquide et/ou de vapeur.

Chaque plaque 12 est réalisée d'une seule pièce. Selon l'invention, la plaque 12 est réalisée par extrusion au travers d'une filière permettant de former les conduits 22. Ce mode de réalisation des plaques 12 permet d'assurer une bonne étanchéité entre les deux flux, quel que soit le mode d'assemblage des plaques 12 avec les ailettes 16. La section de chaque conduit 22 est relativement faible, ce qui permet de limiter les efforts dans chaque plaque 12 provenant de la pression du liquide sur les parois internes des conduits 22. L'espace 14 entre deux plaques 12 adjacentes est traversé par le premier flux de gaz. Par conséquent, du gaz ou de la vapeur circule de chaque côté de chaque ailette 16. 10 Par conséquent, chaque ailette 16 n'est soumise à aucune contrainte mécanique provenant de la pression du deuxième flux de liquide et/ou de vapeur. De plus, la pression du premier flux de gaz est sensiblement homogène dans tous les espaces 14 de sorte qu'elle est exercée de manière sensiblement identique sur les deux faces horizontales de chaque plaque 12. Ainsi, chaque plaque 12 ne subit pas non 10 plus de contrainte mécanique produite par le premier flux de gaz. Seules les plaques 12 qui sont situées aux extrémités supérieure et inférieure de l'échangeur ne sont soumises à la pression du premier flux de gaz que 15 sur une seule de leurs faces horizontales supérieure ou inférieure. Cette pression sur une seule face risque de provoquer une déformation de ces plaques 12 d'extrémité et de produire des contraintes sur les ailettes 16 20 reliées à ces plaques horizontales. A cet effet, pour empêcher toute déformation de ces plaques 12, l'échangeur 10 comporte des plaques de renfort 24 dont chacune est située aux extrémités de l'empilement vertical de plaques 12, qui 25 recouvrent la face externe supérieure ou inférieure 12a de chacune des plaques 12 situées aux extrémités de l'empilement de plaques, c'est-à-dire ici aux extrémités verticales supérieure ou inférieure, respectivement, de l'échangeur 10. 30 Aussi, chaque espace 14 délimité par deux plaques 12 est fermé à ses extrémités longitudinales 11 par des nervures 26, dont chacune est parallèle au sens d'écoulement du premier flux de gaz, c'est-à-dire ici d'orientation principale transversale et est fixée de manière étanche au gaz et/ou à la vapeur, à chaque face 12a des plaques 12 associées. L'extrémité supérieure et l'extrémité inférieure de chaque ailette 16 est en contact avec la face horizontale inférieure 12a ou supérieure 12a, respectivement, des plaques 12 délimitant l'espace 14 associé. Pour assurer une bonne solidité de l'échangeur de chaleur 10, et aussi pour assurer un bon transfert de chaleur, les extrémités supérieure et inférieure de chaque ailette 16, ou le cas échéant les tronçons horizontaux 20, sont liées aux plaques 12 par tout moyen connu. Cette liaison entre les extrémités des ailettes 16 et les plaques 12 est réalisée de manière à limiter la séparation entre les surfaces en contact pour favoriser la conduction de chaleur entre les ailettes 16 et les plaques 12. La liaison est de préférence réalisée de manière à avoir une continuité de matière, c'est-à-dire aucune séparation entre chaque ailette 16 et une plaque 12. Par exemple la liaison est réalisée par soudage par fusion partielle du matériau polymère constitutif des ailettes 16 ou des plaques 12, par soudage aux ultrasons, par collage au moyen d'une colle ou au moyen d'un solvant provoquant une dissolution locale du matériau polymère. 12 L'échangeur 10 qui a été décrit et représenté est un échangeur du type à flux croisés, c'est-à-dire pour lequel le premier flux de gaz circule selon une première direction, ici la direction transversale T et le deuxième flux de liquide et/ou de vapeur circule selon une deuxième direction orthogonale à la première direction, c'est-à-dire ici la direction longitudinale L. Il sera compris que l'invention n'est pas limitée à ce seul type d'échangeur et que l'échangeur 10 selon l'invention peut être réalisé de manière que les deux flux circulent selon une même direction, et dans des sens opposés, dans quel cas l'échangeur 10 est du type à contre courant, ou selon une même direction et dans le même sens, dans quel cas l'échangeur 10 est du type co-courant. Aussi, l'échangeur 10 peut être traversé par plusieurs flux de gaz ou par plusieurs flux d'eau et/ou de vapeur. Dans un tel mode de réalisation, l'échangeur comporte des boîtiers de distribution des flux (non représentés) agencés aux extrémités de l'échangeur. Un échangeur 10 selon l'invention peut être utilisé dans un grand nombre d'applications du fait de la facilité d'assemblage de ses composants ainsi que de la grande résistance de tels matériaux polymères. A titre d'exemple, l'échangeur selon l'invention peut être utilisé dans le domaine des transports terrestre, maritime ou aéronautique, pour les systèmes de climatisation, pour la condensation de vapeurs avec un gaz, pour le chauffage ou le 13 refroidissement de gaz comprimés, de produits chimiques ou biologiques ou pour des échangeurs pour piles à combustible. Un exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur entre un premier flux d'air chaud et un deuxième flux d'eau de refroidissement est donné ci-après. Les plaques 12 sont réalisées en thermoplastique PPS chargé de fibres de carbone afin d'améliorer ses propriétés thermiques et mécaniques, la conductivité thermique atteint 1 W/(m.K) dans le sens perpendiculaire au plan des plaques. Les plaques 12 sont en outre réalisées par extrusion. Les ailettes 16 sont réalisés à partir d'une structure composite constituée d'un feutre de graphite interposé entre deux couches de PPS chargé de fibres de carbone. La conductivité thermique de chaque ailette 16 est d'environ 10 W/(m.K) dans le sens du plan de l'ailette 16.

Les ailettes 16 sont reliées aux plaques 12 selon un procédé de soudure à plaque chaude. 14

Les dimensions et caractéristiques de l'échangeur selon l'exemple sont les suivantes : Paramètre Valeur Conductivité thermique des plaques 12 1 W/(m.K) Conductivité thermique des ailettes 16 10 W/(m.K) Entre 1 et 100 Largeur x Hauteur x Profondeur 0,42 x 0,25 x 0,26 m Volume 27,3 1 Compacité 3500 kW/m3 Géométrie des ailettes côté air 4,5 x 0,4 x 0,8mm Hauteur x Epaisseur x Passage 4<Hauteur<10 0.2<épaisseur<1 0.5<passage<4 Nombre de plaques alvéolées 39 Epaisseur des plaques alvéolées 1,8 mm Epaisseur de paroi des plaques 0.4<0,5mm<4 Géométrie des canaux côté eau 0,8 x 0,8 x 1,8 mm Hauteur x Largeur x Pas 0.4<hauteur<4 0.4<largeur<4 0.8<pas<8 Puissance nominale 96000 W Débit massique eau 30000 Kg/h Pression entrée eau 400000 Pa abs Perte de pression eau 60000 Pa Débit massique air 4300 Kg/h Pression entrée air 300000 Pa abs Perte de pression air 920 Pa Température entrée d'air 135°C Température sortie d'air 55.7°C Température entrée d'eau 55 Température sortie d'eau 58.1 15 A titre de comparaison, le volume d'un échangeur de chaleur de même puissance, c'est-à-dire ici de 96000 W, pour échanger de la chaleur entre de l'air et de l'eau selon les mêmes caractéristiques que données précédemment, qui est réalisé à partir de tubes en cuivre et d'ailettes en aluminium, est de environ 36 1, ce qui est nettement supérieur au volume de 27.3 1 de l'échangeur réalisé selon les enseignements de l'invention.10

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (10) entre un premier flux de gaz et un deuxième flux de liquide et/ou de vapeur, qui comporte une pluralité de plaques (12) parallèles à une direction longitudinale réalisées en matériau polymère qui sont superposées les unes au-dessus des autres et à distance les unes des autres, dans lequel deux plaques (12) adjacentes verticalement délimitent un espace (14) qui est destiné à être traversé par ledit premier flux, et qui comporte des ailettes (16) réalisées à partir de matériau polymère composite qui sont agencées dans ledit espace (14) de manière telle que chaque ailette (16) est sensiblement parallèle au sens d'écoulement du premier flux dans ledit espace (14) et s'étend entre les faces (12a) en vis-à-vis desdites deux plaques (12) adjacentes, caractérisé en ce que chaque plaque (12) comporte une pluralité de conduits (22) longitudinaux parallèles qui traversent ladite plaque (12) et qui sont destinés à être traversés par le liquide et/ou la vapeur du deuxième flux.
2. 2. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque plaque (12) est réalisée d'une seule pièce par extrusion de matériau polymère.
3. 3. Echangeur de chaleur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 17 en ce que chaque plaque (12) est réalisée à partir d'un matériau polymère et de fibres d'un autre matériau incorporées dans ledit matériau polymère.
4. 4. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque ailette (16) est réalisée à partir d'un matériau polymère et d'un matériau à base de carbone.
5. 5. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque ailette (16) comporte au moins une couche de fibres de carbone pyrolytique et au moins deux couches de matériau polymère de part et d'autre de la couche de matériau à base de fibres de carbone.
6. 6. Echangeur de chaleur (10) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les ailettes (16) qui sont agencées dans un dit espace (14) délimité par deux plaques (12) adjacentes, sont réalisées d'une seule pièce à partir d'une plaque gaufrée (18) en matériau polymère composite.
7. 7. Echangeur de chaleur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque ailette (16) est raccordée aux deux faces (12a) en vis-à-vis des plaques (12) adjacentes associées délimitant ledit espace (14) de manière à permettre un échange de chaleur entre ladite ailette (16) et les plaques (12). 18
8. 8. Echangeur de chaleur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une plaque de fermeture (24) qui recouvre une face externe (12a) de chacune des deux plaques (12) qui sont situées aux extrémités de l'échangeur (10), selon la direction d'empilement des plaques (12).
9. 9. Echangeur de chaleur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque espace (14) est obturé à ses extrémités latérales, selon le sens d'écoulement du premier flux dans ledit espace (14), par des nervures (26) parallèles aux ailettes (16) et dont chacune est fixée aux faces horizontales (12a) en vis-à-vis des plaques (12) délimitant ledit espace (14) de manière étanche au gaz et/ou à la vapeur.