FR2985011A1

FR2985011A1 - Plaque pour echangeur thermique

Info

Publication number: FR2985011A1
Application number: FR1162119A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Bourdin; Pierre Antoine Rouer
Original assignee: ELYT 3
Current assignee: ELYT 3
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-28
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: FR2985011B1; WO2013093375A1; EP2795229A1

Abstract

La présente invention a pour objet une plaque (10, 20) pour un échangeur thermique (1) destiné à l'échange de chaleur entre un premier fluide (fl1) s'écoulant au contact d'une première face (F1) de la plaque (10, 20) et un second fluide (fl2) s'écoulant au contact d'une deuxième face (F2) de la plaque (10, 20), ladite plaque (10, 20) étant caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble (6) d'ondulations (35) formant des cavités (36) s'étendant entre un fond (33) d'un creux et une ouverture (32) définie entre deux sommets (34) consécutifs de l'ensemble (6) d'ondulations (35), le fond (33) et l'ouverture (32) étant séparés d'une distance correspondant à la hauteur (H) de l'ondulation (35), le rapport entre la hauteur (H) et la largeur à mi-hauteur (l) d'une cavité (35) étant supérieur ou égal à trois.

Description

La présente invention concerne le domaine de l'aéraulique et a en particulier pour objet une plaque pour un échangeur thermique destiné à l'échange de chaleur entre deux fluides ayant une faible conductivité thermique, typiquement des gaz.

Il est connu de réaliser un échangeur thermique comprenant un ensemble de plaques superposées en un empilement dont l'espacement des plaques est faible de manière à obtenir un écoulement laminaire. Ladite plaque s'étend sensiblement selon un plan général révélant une première face de plaque et une deuxième face de plaque opposée à la première face de plaque, ladite plaque comprenant une zone dite de coeur destinée à l'écoulement d'un premier fluide sur la première face de la plaque dans un premier sens, et destiné à l'écoulement d'un deuxième fluide sur la deuxième face de la plaque dans un deuxième sens opposé au premier sens. La zone de coeur est l'emplacement où les échanges thermiques 15 sont optimisés. En particulier, la zone de coeur comprend un ensemble d'ondulations présentant la forme d'ondulations augmentant la surface spécifique de la plaque. Ce type de plaque est satisfaisant en ce qu'il permet d'avoir des 20 échanges de chaleur efficaces, malgré le caractère laminaire des écoulements. Cependant, la zone de coeur génère de fortes pertes de charge par frottement visqueux sur les parois des ondulations. La présente invention a pour but de résoudre tout ou partie des inconvénients mentionnés ci-dessus. 25 A cet effet, la présente invention a pour objet une plaque pour un échangeur thermique destiné à l'échange de chaleur, un premier fluide s'écoulant au contact d'une première face de la plaque et un second fluide s'écoulant au contact d'une deuxième face de la plaque, ladite plaque étant caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble d'ondulations formant des 30 cavités s'étendant entre un fond d'un creux et une ouverture définie entre deux sommets consécutifs de l'ensemble d'ondulations, le fond et l'ouverture étant séparés d'une distance correspondant à la hauteur de l'ondulation, le rapport entre la hauteur et la largeur à mi-hauteur d'une cavité étant supérieur ou égal à trois. 35 Cette disposition permet d'inverser l'orientation générale d'une lame de fluide pénétrant dans l'échangeur thermique qui passe ainsi d'une orientation sensiblement horizontale à une orientation sensiblement verticale lors de son passage dans l'ensemble d'ondulations, concentrant les pertes de charge sur la zone de coeur. Selon un aspect de l'invention, l'ensemble d'ondulations est centré 5 sur un même plan général de la plaque. Selon un aspect de l'invention, les ondulations sont symétriques par rapport à un plan transversal au plan général. Selon un aspect de l'invention, la plaque comprend : - une première zone d'entrée/sortie destinée à : 10 - guider le premier fluide sur la première surface de la plaque entre l'extérieur de la plaque et une zone intérieure de la plaque comprenant l'ensemble d'ondulations, - guider le deuxième fluide sur la deuxième surface de plaque entre la zone intérieure comprenant l'ensemble d'ondulations et l'extérieur de la 15 plaque, - une deuxième zone d'entrée/sortie destinée à : - guider le premier fluide sur la première surface de la plaque entre la zone intérieure comprenant l'ensemble d'ondulations et l'extérieur de la plaque, 20 - guider le deuxième fluide sur la deuxième surface de plaque entre l'extérieur de la plaque et la zone intérieure comprenant l'ensemble d'ondulations. Selon un aspect de l'invention, en plus du premier ensemble d'ondulations disposé sur la zone intérieure, la plaque comprend un 25 deuxième ensemble de motifs, formé par une pluralité de nervures et de gorges disposés sur les zones d'entrée/sortie. Selon un aspect de l'invention, la projection de la plaque sur son plan général forme un polygone avec un nombre de côtés pairs, de préférence un hexagone. 30 Selon un aspect de l'invention, la direction d'écoulement du premier fluide sur la première face de la plaque dans la première zone d'entrée/sortie et la deuxième zone d'entrée/sortie forme un angle sensiblement égal à l'angle a formé par les deux côtés de la zone d'entrée/sortie de l'échangeur avec la direction d'écoulement du 35 deuxième fluide sur la deuxième face de la plaque dans la première zone d'entrée/sortie et la deuxième zone d'entrée/sortie.

Selon un aspect de l'invention, la plaque est réalisée en polyéthylène téréphtalate amorphe. La présente invention a également pour objet un échangeur thermique comprenant un ensemble de plaques telles que décrites 5 précédemment superposées en un empilement, caractérisé en ce que ledit ensemble comprend une plaque élémentaire de premier type et une plaque élémentaire de deuxième type différente de celle de premier type, la plaque de premier type étant alternée avec une plaque de deuxième type dans l'empilement de plaques de manière à ce que les 10 sommets des ondulations de la plaque de premier type pénètrent dans les cavités des ondulations de la plaque adjacente de deuxième type au travers les ouvertures joignant deux sommets consécutifs de l'ensemble d'ondulations de la plaque adjacente de deuxième type dans l'empilement de plaques . Cette disposition permet de réaliser l'interpénétration de deux 15 plaques adjacentes dans l'empilement de manière à réduire les échanges de fluide entre cavités et à améliorer l'échange thermique au travers des parois de la plaque. Selon un aspect de l'invention, l'écart latéral entre le milieu d'une ondulation de l'ensemble d'ondulations de la plaque de premier type et le 20 milieu d'une ondulation de l'ensemble d'ondulations de la plaque de deuxième type est compris entre 1 et 3 mm. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une plaque et un échangeur thermique selon 25 l'invention. La figure 1 est une vue générale d'un échangeur thermique selon l'invention. La figure 2 est une représentation de la circulation des flux de fluide de part et d'autre des faces d'une plaque selon l'invention. 30 La figure 3 est une vue d'ensemble d'une plaque selon l'invention. La figure 4 illustre l'interpénétration de la zone de coeur de plaques adjacentes dans un empilement de plaques. La figure 5 détaille une partie de l'empilement de plaques de la figure 4. 35 Comme illustré aux figures 1 et 4, un échangeur thermique 1 comprend une pluralité de plaques 10, 20 superposées en un empilement 2.

Chaque plaque 10, 20 s'étend selon un plan général P. Dans le mode de réalisation présenté, l'empilement 2 est obtenu en alternant une plaque d'un premier type 10 avec une plaque d'un deuxième type 20 dont les spécificités sont décrites plus loin dans le texte.

Dans le mode de réalisation présenté, chaque plaque 10, 20 se présente sous la forme d'un hexagone dont les côtés forment un contour extérieur 3. Hormis les plaques d'extrémité, chaque plaque 10, 20 est supportée ou supporte une autre plaque 10, 20 de type différent par 10 l'intermédiaire de bordures profilées 4 réparties sur le contour 3 de la plaque 10, 20. Comme illustré à la figure 2, chaque plaque 10, 20 comprend une zone intérieure 30 autrement dénommée zone de coeur 30 destinée à l'écoulement d'un premier fluide fil sur une première face F1 de la plaque 10, 15 20, et destiné à l'écoulement d'un deuxième fluide f12 sur une deuxième face F2 de la plaque 10, 20. Généralement, afin de favoriser les échanges de chaleur dans un échangeur thermique 1, le premier fluide fil s'écoule sur la première face F1 dans la zone de coeur 30 selon un premier sens d'écoulement S1 et le 20 deuxième fluide f12 s'écoule sur la deuxième face F2 dans la zone de coeur 30 selon un deuxième sens d'écoulement S2 opposé au premier sens d'écoulement S1. Dans la suite de la description, il sera considéré que le sens d'écoulement du premier fluide fil est opposé au sens d'écoulement du 25 deuxième fluide f12. Bien entendu, ces deux fluides pourraient s'écouler dans un même sens de part et d'autre de la plaque 10, 20 sans sortir du cadre de la présente invention. Ces écoulements sont laminaires dans la zone de coeur 30 de 30 l'échangeur thermique 1, ce qui est habituellement induit par de faibles vitesses d'écoulement. Dans l'exemple présenté, la zone de coeur 30 comprend un ensemble 6 d'ondulations 35 uniformes formant des cavités 36 pour l'écoulement du fluide fil, f12. 35 Ces ondulations 35 sont centrés sur le plan général P de la plaque 10, 20.

L'ensemble 6 d'ondulations 35 est formé par les cavités 36 qui s'étendent entre un fond 33 d'un creux et une ouverture 32 joignant deux sommets 34 consécutifs de l'ensemble 6 d'ondulations 35. L'ouverture 32 de la cavité 36 est disposée de façon alternée en 5 regard de la première face F1 puis de la deuxième face F2 entre deux ondulations 35 adjacentes. Le fond 33 et l'ouverture 32 sont séparés d'une distance correspondant à la hauteur H de l'ondulation 35, le rapport entre la hauteur H et la largeur I à mi-hauteur d'une cavité 36 définissant l'élancement de la cavité 10 36 ou de l'ondulation 35 étant supérieur ou égal à trois. La fonction d'une ondulation 35 ayant un tel élancement est décrite plus loin dans le texte. En outre, chaque plaque 10, 20 comprend également une première zone d'entrée/sortie 41 destinée à guider selon un troisième sens d'écoulement 15 S3, le premier fluide fil sur la première surface F1 de la plaque 10, 20 depuis l'extérieur de la plaque jusqu'à la zone de coeur 30, et à guider selon un quatrième sens d'écoulement S4, le deuxième fluide f12 sur la deuxième surface F2 de plaque 10, 20 depuis la zone de coeur 30 jusqu'à l'extérieur de la plaque 10, 20. 20 Chaque plaque 10, 20 comprend également une deuxième zone d'entrée/sortie 42 destinée à guider selon le troisième sens d'écoulement S3, le premier fluide fil sur la première surface F1 de la plaque 10, 20 depuis la zone de coeur 30 jusqu'à l'extérieur de la plaque 10, 20, et à guider selon le quatrième sens d'écoulement S4, le deuxième fluide f12 sur la deuxième 25 surface F2 de plaque 10, 20 depuis l'extérieur de la plaque 10, 20 jusqu'à la zone de coeur 30. Comme illustré dans la représentation présenté à la figure 2, les directions prises par le troisième sens d'écoulement et le quatrième sens d'écoulement S4 se croisent selon deux directions formant un angle a 30 correspondant à la valeur de l'angle entre les deux côtés de la zone d'entrée/sortie 41, 42 de l'échangeur. Plus généralement, les directions prises par le troisième sens d'écoulement S3 et le quatrième sens d'écoulement S4 se croisent selon deux directions formant un angle correspondant à l'angle entre deux côtés adjacents 35 d'un polygone conférant à une plaque 10, 20 sa forme générale.

Dans le cas d'une plaque ayant une forme générale carrée, le troisième sens d'écoulement S3 et le quatrième sens d'écoulement S4 se croiseraient selon deux directions formant un angle sensiblement égal à 90°. Pour conserver un écoulement laminaire dans les zones 5 d'entrée/sortie 41, 42 dans l'espacement formé entre chaque plaque 10, 20 de l'empilement 2, deux plaques élémentaires 10, 20 sont donc nécessaires : - une première plaque élémentaire 10 ou de premier type dont les zones d'entrée/sortie 41, 42 entrainent un écoulement laminaire selon la direction du troisième sens d'écoulement S3 sur la première face F1 et un 10 écoulement laminaire selon la direction du quatrième sens d'écoulement S4 sur la deuxième face F2, et - une deuxième plaque élémentaire 20 ou de deuxième type dont les zones d'entrée/sortie 41, 42 entrainent un écoulement laminaire selon la direction du quatrième sens d'écoulement S4 sur la première face F1 et un 15 écoulement laminaire selon la direction du troisième sens d'écoulement S3 sur la deuxième face F2. En outre, l'ensemble 6 des ondulations 35 de la zone de coeur 30 de la plaque de premier type 10 et l'ensemble 6 des ondulations 35 de la zone de coeur 30 de la plaque de premier type 20 sont identiques et en phase, les 20 sommets 34 des ondulations 35 d'une plaque de premier type 10 étant alignés avec les sommets 34 des ondulations 35 d'une plaque de deuxième type 20. Ainsi, lors de la superposition d'une plaque de premier type 10 et d'une plaque de deuxième type 20 pour former l'empilement 2 de plaque 10, 20, les sommets 34 des ondulations 35 de la zone de coeur 30 de la plaque de 25 premier type 10 respectivement de la plaque de deuxième type 20, pénètrent dans les cavités 36 des ondulations 35 de la zone de coeur 30 de la plaque adjacente de deuxième type 20 respectivement de la plaque de premier type 10 au travers les ouvertures 32 des cavité 36. Cette interpénétration est permise de par la hauteur des bordures 30 de chaque plaque 10, 20 dont l'encombrement est légèrement inférieur à celui des ondulations 35, comme cela est visible à la figure 4. Afin de former un écoulement laminaire, chaque zone d'entrée/sortie 41, 42 comprend un deuxième ensemble 7 de motifs 45 formé par un ensemble de nervures 43 et de gorges 44. 35 Les nervures 43 peuvent s'étendre depuis une bordure de la plaque 10, 20, jusqu'à la zone de coeur 30.

Une fois sur deux, l'extrémité de ces nervures 43 la plus proche du contour 3 de la plaque 10, 20 peut comprendre un renflement arrondi 46. La disposition des nervures 43 est réalisée de manière à ce que les nervures 43 d'une plaque 10, 20 adjacente dans l'empilement 2 s'appuient ou 5 créent des points d'appui sur ou pour les nervures 43 de la plaque 10, 20 considérée, renforçant ainsi la cohésion de l'empilement 2 de plaques 10, 20. En outre, la hauteur de ces nervures 43 permet également l'appui des bordures de la plaque 10, 20 sur les bordures d'une plaque 10, 20 adjacente afin de réaliser l'étanchéité de l'échangeur thermique 1.

10 La superposition de deux plaques 10, 20 dans l'empilement 2 crée un conduit 5 pour un premier fluide fil entre deux plaques 10, 20 adjacentes. Le premier fluide fil traverse le conduit 5 en pénétrant tout d'abord dans un espace se trouvant entre deux zones d'entrée/sortie 41, 42. Le premier fluide fil prend alors la forme d'une lame de fluide avec 15 une orientation sensiblement horizontale donnée par l'orientation générale des plaques 10, 20. Le fluide fil atteint ensuite un espace se trouvant entre deux zones de coeur 30 de deux plaques adjacentes 10, 20 dans lequel il est réparti dans différents canaux formés par les cavités 36 des zones de coeur 30 de deux 20 plaques adjacentes 10, 20. L'orientation générale de la lame de fluide pénétrant dans l'échangeur thermique s'inverse alors pour passer d'une orientation sensiblement horizontale à une orientation sensiblement verticale dans la zone de coeur 30 permettant ainsi d'augmenter l'espace entre les plaques sur les 25 zones d'entrée/sortie 41, 42 et de concentrer les pertes de charge sur la zone de coeur. Du fait de la superposition de deux plaques ondulées adjacentes, chaque canal d'une des deux plaques 10, 20 est en communication avec deux canaux de l'autre plaque 10, 20.

30 Cependant, l'écart séparant le sommet 34 de l'ondulation 35 d'une plaque de premier type 10 et les deux sommets 34 des deux ondulations 35 consécutives de la deuxième plaque 20 est minimisé de manière à augmenter les pertes de charge dans cette zone. Cette augmentation de pertes de charge réduit sensiblement les 35 passages de fluide depuis une cavité 36 de la zone de coeur de la première plaque 10 vers une cavité 36 de la zone de coeur de la deuxième plaque 20 et inversement. Enfin, en sortie des zones de coeur 30, le premier fluide fil pénètre dans un espace se trouvant entre deux autres zones d'entrée/sortie 41, 42 et 5 retrouve une orientation générale sensiblement horizontale. De même, le deuxième fluide f12 traverse de la même façon un autre conduit 5 formé par l'adjonction d'une plaque 10, 20 aux deux plaques précédentes dans l'empilement 2. Il apparaît bien entendu que les différents modes de réalisations 10 détaillés ci-dessus ne constituent que des exemples de mises en oeuvre de l'invention telle que définie par les revendications ci-jointes. Des variantes de ces différents modes de réalisations peuvent être envisagées et les différents modes de réalisations décrits peuvent être combinés de façon aisée par l'homme du métier. 15

Claims

REVENDICATIONS1. Plaque (10, 20) pour un échangeur thermique (1) destiné à l'échange de chaleur entre un premier fluide (fil) s'écoulant au contact d'une 5 première face (F1) de la plaque (10, 20) et un second fluide (f12) s'écoulant au contact d'une deuxième face (F2) de la plaque (10, 20), ladite plaque (10, 20) étant caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble (6) d'ondulations (35) formant des cavités (36) s'étendant entre un fond (33) d'un creux et une ouverture (32) définie entre deux sommets (34) consécutifs de l'ensemble (6) 10 d'ondulations (35), le fond (33) et l'ouverture (32) étant séparés d'une distance correspondant à la hauteur (H) de l'ondulation (35), le rapport entre la hauteur (H) et la largeur à mi-hauteur (1) d'une cavité (35) étant supérieur ou égal à trois.
2. Plaque (10, 20) selon la revendication 1, dans laquelle 15 l'ensemble (6) d'ondulations (35) est centré sur un même plan général (P) de la plaque (10, 20).
3. Plaque (10, 20) selon la revendication 2, dans laquelle, les ondulations (35) sont symétriques par rapport à un plan (P1) transversal au plan général (P). 20
4. Plaque (10, 20) selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant : - une première zone d'entrée/sortie (41) destinée à : - guider le premier fluide (fil) ) sur la première surface (F1) de la plaque (10, 20) entre l'extérieur de la plaque (10, 20) et une zone 25 intérieure (30) de la plaque (10, 20) comprenant l'ensemble (6) d'ondulations (35), - guider le deuxième fluide (f12) sur la deuxième surface (F2) de plaque (10, 20) entre la zone intérieure (30) comprenant l'ensemble (6) d'ondulations (35) et l'extérieur de la plaque (10, 20), 30 - une deuxième zone d'entrée/sortie (42) destinée à : - guider le premier fluide (fil) ) sur la première surface (F1) de la plaque (10, 20) entre la zone intérieure (30) comprenant l'ensemble (6) d'ondulations (35) et l'extérieur de la plaque (10, 20), - guider le deuxième fluide (f12) sur la deuxième surface (F2) de 35 plaque (10, 20) entre l'extérieur de la plaque (10, 20) et la zone intérieure (30) comprenant l'ensemble (6) d'ondulations (35).
5. Plaque (10, 20) selon la revendication 4, dans laquelle en plus du premier ensemble (6) d'ondulations (35) disposé sur la zone intérieure (30), la plaque (10, 20) comprend un deuxième ensemble (7) de motifs (45), formé par une pluralité de nervures (43) et de gorges (44) disposés sur les zones d'entrée/sortie (41, 42).
6. Plaque (10, 20) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la projection de la plaque (10, 20) sur son plan général (P) forme un polygone avec un nombre de côtés pairs, de préférence un hexagone.
7. Plaque (10, 20) selon la revendication 6, pourvue qu'elle dépende de l'une des revendications 4 ou 5, dans laquelle la direction d'écoulement du premier fluide (fil) sur la première face (F1) de la plaque (10, 20) dans la première zone d'entrée/sortie (41) et la deuxième zone d'entrée/sortie (42) forme un angle sensiblement égal à l'angle (a) formé par les deux côtés de la zone d'entrée/sortie (41, 42) du polygone avec la direction d'écoulement du deuxième fluide (f12) sur la deuxième face (F2) de la plaque (10, 20) dans la première zone d'entrée/sortie (41) et la deuxième zone d'entrée/sortie (42).
8. Plaque (10, 20) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la plaque (10, 20) est réalisée en polyéthylène téréphtalate 20 amorphe.
9. Echangeur thermique (1) comprenant un ensemble de plaques (10, 20) selon l'une des revendications 1 à 8 superposées en un empilement (2), caractérisé en ce que ledit ensemble comprend une plaque 25 élémentaire de premier type (10) et une plaque élémentaire de deuxième type (20) différente de celle de premier type (10), la plaque de premier type (10) étant alternée avec une plaque de deuxième type (20) dans l'empilement (2) de plaques (10, 20) de manière à ce que les sommets (34) des ondulations (35) de la plaque de premier 30 type (10) pénètrent dans les cavités (36) des ondulations (35) de la plaque adjacente de deuxième type (20) au travers les ouvertures (32) joignant deux sommets (34) consécutifs de l'ensemble (6) d'ondulations (35) de la plaque adjacente de deuxième type (20) dans l'empilement (2) de plaques (10, 20).
10. Echangeur thermique (1) selon la revendication 9, dans lequel 35 l'écart latéral entre le milieu d'une ondulation de l'ensemble (6) d'ondulations (35) de la plaque de premier type (10) et le milieu d'uneondulation de l'ensemble (6) d'ondulations (35) de la plaque de deuxième type (20) est compris entre 1 et 3 mm.