FR3075339B1 - Echangeur de chaleur avec elements et plaques a texturation de surface - Google Patents
Echangeur de chaleur avec elements et plaques a texturation de surface Download PDFInfo
- Publication number
- FR3075339B1 FR3075339B1 FR1762417A FR1762417A FR3075339B1 FR 3075339 B1 FR3075339 B1 FR 3075339B1 FR 1762417 A FR1762417 A FR 1762417A FR 1762417 A FR1762417 A FR 1762417A FR 3075339 B1 FR3075339 B1 FR 3075339B1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- plate
- oriented
- intermediate element
- pair
- plates
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D9/0062—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/003—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
- F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
- F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
- F28F13/187—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings especially adapted for evaporator surfaces or condenser surfaces, e.g. with nucleation sites
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
- F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
- F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
- F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
- F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
- F28F3/027—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements with openings, e.g. louvered corrugated fins; Assemblies of corrugated strips
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
L'invention concerne un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasées comprenant une pluralité de plaques agencées parallèlement entre elles de façon à définir une série de passages pour l'écoulement d'un premier fluide à mettre en relation d'échange thermique avec au moins un deuxième fluide, au moins un élément intercalaire (22) étant agencé dans un passage (33) formé entre une première et une deuxième plaque (6, 7) et comprenant au moins une première portion d'assemblage (121) positionnée contre la première plaque (6), ladite première portion d'assemblage (121) comprenant une première paire de surfaces secondaires (121a, 121b) opposées dont l'une (121a) est orientée du côté de la première plaque (6) et l'autre (121b) est orientée du côté de la deuxième plaque (7), au moins une texturation de surface (23) sous la forme d'une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface de l'élément intercalaire (22), plusieurs ailettes ou jambes d'onde (123) délimitant, au sein du passage (33), plusieurs canaux (26) pour l'écoulement du premier fluide, au moins une ailette ou jambe d'onde (123) présentant ladite texturation de surface (23). Selon l'invention, ladite première portion d'assemblage (121) présente la texturation de surface (23) sur au moins celle (121a) des surfaces secondaires de la première paire orientée du côté de la première plaque (6), et la première plaque (6) comprend une première paire de surfaces primaires (6a, 6b) opposées et présente la texturation de surface (23) sur au moins celle (6b) des surfaces primaires (6a, 6b) orientée du côté de l'élément intercalaire (22). Procédé de fabrication associé.
Description
La présente invention concerne un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes comprenant un élément intercalaire à texturation de surface, ainsi qu’un procédé de fabrication d’un tel échangeur.
La présente invention trouve notamment application dans le domaine de la séparation de gaz par cryogénie, en particulier de la séparation d’air par cryogénie (connue sous l’acronyme anglais « ASU » pour unité de séparation d’air) exploitée pour la production d’oxygène gazeux sous pression. En particulier, la présente invention peut s’appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise un débit liquide, par exemple de l’oxygène liquide, de l’azote et/ou de l’argon par échange de chaleur avec un gaz calorigène, par exemple l’air ou l’azote.
Si l’échangeur de chaleur se trouve dans la cuve d’une colonne de distillation, il peut constituer un vaporiseur fonctionnant en thermosiphon pour lequel l’échangeur est immergé dans un bain de liquide descendant la colonne ou un vaporiseur fonctionnant en vaporisation à film alimenté directement par le liquide tombant de la colonne et/ou par une pompe de recirculation.
La présente invention peut également s’appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise au moins un débit de mélange liquide-gaz, en particulier un débit de mélange à plusieurs constituants, par exemple un mélange d’hydrocarbures, par échange de chaleur avec au moins un autre fluide, par exemple du gaz naturel.
La technologie couramment utilisée pour un échangeur est celle des échangeurs en aluminium à plaques et à ailettes ou ondes brasés, qui permettent d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange.
Ces échangeurs comprennent des plaques séparatrices entre lesquelles sont insérées des structures d’échange thermique, généralement des structures ondulées ou ondes, formées d’une succession d’ailettes ou jambes d’onde, constituant ainsi un empilement de passages pour les différents fluides à mettre en relation d’échange thermique.
Les performances d’un échangeur sont liées au coefficient d’échange thermique des structures d’échange thermique se trouvant en contact avec les fluides. Le coefficient d’échange thermique d’une structure dépend notamment de la nature du matériau la constituant, de la porosité de ce matériau, de sa rugosité et du régime d’écoulement des fluides.
Il est possible de modifier le coefficient d’échange thermique d’une structure d’échange en modifiant la géométrie ou les propriétés physicochimiques de sa surface. Ceci permet d’augmenter la surface effective d’échange et/ou de modifier les interactions entre le fluide et la surface, en changeant des propriétés de la surface considérée comme sa mouillabilité ou sa capacité à intensifier l’ébullition d’un fluide. On parle alors de surfaces intensifiées.
Par exemple, on peut réaliser des dépôts de surface de revêtements poreux ou texturés, formant des reliefs à la surface des structures, ou bien créer de tels états de surfaces par des traitements mécaniques ou par attaque chimique.
On connaît du document WO-A-2005/075920 différentes techniques de dépôt de revêtements poreux ou de texturation à la surface d’une onde pour échangeur de chaleur.
Une problématique concerne l’assemblage d’éléments comportant des surfaces intensifiées.
Lors de la fabrication d’un échangeur en aluminium brasé, les éléments constitutifs de l’échangeur sont liés entre eux par brasage avec utilisation d’un métal d’apport, appelé brasure ou agent de brasage, l’assemblage étant obtenu par fusion et diffusion de l’agent de brasage au sein des pièces à braser, sans fusion de celles-ci.
En général, afin de garantir de façon optimale les propriétés mécaniques et/ou thermiques des joints brasés, et ainsi de maximiser la résistance de l’échangeur aux fortes pressions de fluide, on évite de réaliser une texturation de surface sur les portions des structures d’échange au niveau desquelles un joint de brasage doit être formé.
Toutefois, cela implique de modifier localement l’état de surface de ces pièces, ce qui complexifie le procédé de fabrication. On peut par exemple masquer les zones où le brasage doit avoir lieu ou retirer le revêtement de ces zones avant d’opérer le brasage. Mais ces étapes supplémentaires entraînent un surcoût et des difficultés de mise en œuvre.
Une autre possibilité est de réaliser la texturation des structures d’échange thermique après le brasage de ces structures dans l’échangeur.
Toutefois, il est alors difficile d’accéder aux canaux formés par les structures d’échange dans les passages de l’échangeur et il est impossible d’utiliser des techniques de texturation mécanique ou de revêtement par projection thermique. D’autres techniques de traitement de surface sont difficiles à mettre en œuvre. Par exemple, pour les techniques impliquant des étapes préalables de traitement thermique ou de dépôt d’une couche d’imprégnation pour assurer l’adhésion du revêtement, c’est l’échangeur entier qu’il faut traiter. Il y a alors des risques de boucher les canaux, de débraser des pièces de l’échangeur ou de créer des phases métallurgiques fragiles et d’endommager la matrice brasée.
Par ailleurs, il a été proposé de réaliser des texturations de surface sur les plaques séparatrices avant brasage. Le document WO-A-2004/109211 décrit un procédé de dépôt d’un revêtement poreux à la surface d’une plaque séparatrice d’un échangeur de chaleur. Dans ce cas, il n’y a pas de structure d’échange thermique brasée entre les plaques. Or, les structures d’échange ont aussi un rôle d’entretoises. Elles contribuent à la rigidité des passages de l’échangeur et à leur résistance à la compression lors du brasage sous vide de l’échangeur. Il peut alors s’avérer nécessaire d’agencer des barres de renfort supplémentaires dans les passages et de doubler l’épaisseur des plaques.
La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment de faciliter la fabrication d’un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés présentant des structures d’échanges à propriétés thermiques améliorées.
La solution selon l’invention est alors un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasées comprenant une pluralité de plaques agencées parallèlement entre elles de façon à définir une série de passages pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide, au moins un élément intercalaire étant agencé dans un passage formé entre une première et une deuxième plaques et comprenant :
- au moins une première portion d’assemblage positionnée contre la première plaque, ladite première portion d’assemblage comprenant une première paire de surfaces secondaires opposées dont l’une des surfaces de la première paire de surfaces secondaires est orientée du côté de la première plaque et l’autre des surfaces de la première paire de surfaces secondaires est orientée du côté de la deuxième plaque,
- au moins une texturation de surface sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface de l’élément intercalaire,
- plusieurs ailettes ou jambes d’onde délimitant, au sein du passage, plusieurs canaux pour l’écoulement du premier fluide, au moins une ailette ou jambe d’onde présentant ladite texturation de surface, caractérisé en ce que ladite première portion d’assemblage présente la texturation de surface sur au moins celle des surfaces secondaires de la première paire orientée du côté de la première plaque, et la première plaque comprend une première paire de surfaces primaires opposées et présente la texturation de surface sur au moins celle des surfaces primaires orientée du côté de l’élément intercalaire.
Selon le cas, l’élément de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :
- la première portion d’assemblage présente la texturation de surface sur la surface de la première paire orientée du côté de la deuxième plaque.
- l’élément intercalaire présente au moins une deuxième portion d’assemblage positionnée contre la deuxième plaque, ladite deuxième portion d’assemblage comprenant une deuxième paire de surfaces secondaires opposées, l’une des surfaces secondaires de la deuxième paire étant orientée du côté de la première plaque et l’autre des surfaces secondaires de la deuxième paire étant orientée du côté de la deuxième plaque, la deuxième portion d’assemblage présentant la texturation de surface sur la surface de la deuxième paire orientée du côté de la deuxième plaque.
- la deuxième plaque comprend une deuxième paire de surfaces primaires opposées, celle des surfaces primaires orientée du côté de l’élément intercalaire présentant, au moins en partie, la texturation de surface.
- au moins une ailette ou jambe d’onde comprend une troisième paire de surfaces secondaires opposées, l’une et l’autre desdites surfaces de la troisième paire présentant la texturation de surface.
- les ailettes ou jambes d’onde se succèdent suivant une direction latérale et s’étendent dans le passage globalement suivant une direction longitudinale qui est parallèle aux première et deuxième plaques et orthogonale à la direction latérale.
- la texturation de surface est sous la forme d’une structure poreuse ayant une porosité ouverte comprise entre 15 et 60 %, de préférence une porosité ouverte comprise entre 20 et 45 %, % en volume, ou sous la forme de reliefs définissant, en coupe transversale, des cavités ouvertes à la surface des premier et deuxième éléments intercalaires.
un agent de brasage est agencé entre la première plaque et l’élément intercalaire et/ou entre la deuxième plaque et l’élément intercalaire.
l’agent de brasage est sous la forme d’au moins une couche de revêtement agencée entre la surface primaire de la première plaque orientée du côté de l’élément intercalaire et la texturation de surface et/ou entre la surface primaire de la deuxième plaque orientée du côté de l’élément intercalaire et la texturation de surface.
- l’agent de brasage a une épaisseur inférieure à 300 pm, de préférence comprise entre 50 et 200 pm.
- les surfaces primaires des première et deuxième plaques orientées du côté de l’élément intercalaire sont exemptes d’agent de brasage sur leurs portions s’étendant en regard dudit élément intercalaire.
- l’élément intercalaire est assemblé dans le passage par assemblage d’au moins ladite première portion d’assemblage avec la première plaque, ledit assemblage étant réalisée par liaison métallurgique de la texturation de surface présente sur celle des surfaces secondaires de la première portion d’assemblage orientée du côté de la première plaque avec la texturation de surface présente sur celle des surfaces primaires de la première plaque orientée du côté de l’élément intercalaire, lesdites texturations de surface étant liées directement entre elles ou via un agent de brasage.
le passage a une forme globale de parallélépipède délimité par deux bords longitudinaux et deux bords latéraux, au moins une barre de fermeture s’étendant dans la hauteur du passage, définie comme l’écart entre la première plaque et la deuxième plaque mesuré suivant une direction d’empilement perpendiculaire aux plaques, le long d’au moins un des bords longitudinaux et latéraux du passage, les surfaces primaires des première et deuxième plaques orientées du côté de l’élément intercalaire étant exemptes de texturation de surface sur leurs portions s’étendant en regard de la barre de fermeture.
- un agent de brasage est agencé sur les portions des surfaces primaires des première et deuxième plaques orientées du côté de l’élément intercalaire s’étendant en regard de la barre de fermeture.
- l’élément intercalaire présente, avant d’être assemblé dans le passage, une hauteur prédéterminée, mesurée suivant une direction d’empilement perpendiculaire aux première et deuxième plaques, légèrement supérieure à la hauteur du passage, définie comme l’écart entre la première plaque et la deuxième plaque mesuré suivant une direction d’empilement perpendiculaire aux plaques.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- agencement de plusieurs plaques parallèlement entre elles de façon à définir une série de passages pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide,
- agencement d’au moins un élément intercalaire dans un passage formé entre une première et une deuxième plaque,
- formation d’au moins une zone de contact ou quasi-contact entre au moins une première portion d’assemblage de l’élément intercalaire et la première plaque, ladite première portion d’assemblage comprenant une première paire de surfaces secondaires opposées dont l’une des surfaces de la première paire est orientée du côté de la première plaque et la première plaque comprenant une première paire de surfaces primaires opposées dont l’une est orientée du côté de l’élément intercalaire, caractérisé en ce que ladite surface secondaire et ladite surface primaire présentent au moins une texturation de surface sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur des surfaces de la première plaque et de l’élément intercalaire, l’assemblage de la première portion d’assemblage avec la première plaque étant réalisé sans agent de brasage, ledit procédé comprenant en outre les étapes suivantes :
- application d’une force de compression et apport de chaleur au moins au niveau de ladite zone de contact ou quasi-contact de manière à former une liaison métallurgique directement entre lesdites texturations de surface.
La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux schémas ci-annexés, parmi lesquels :
la Figure 1 illustre un exemple d’échangeur de chaleur comportant un élément intercalaire selon l’invention ;
la Figure 2 illustre un exemple d’assemblage d’un élément intercalaire selon l’invention assemblé à une plaque d’échangeur ;
les Figures 3 et 4 illustrent une vue tridimensionnelle et une vue en coupe transversale d’un élément intercalaire selon un mode de réalisation de l’invention ;
les Figures 5 et 6 illustrent différents modes de réalisation d’un élément intercalaire assemblé entre deux plaques d’échangeur.
De façon connue en soi, un échangeur de chaleur comprend un empilement de plaques disposées parallèlement l’une au-dessus de l’autre avec espacement et formant ainsi plusieurs séries de passages de forme parallélépipédique et plate pour l’écoulement d’un premier fluide et d’au moins un deuxième fluide à mettre en relation d’échange de chaleur indirect via les plaques. De préférence, le premier fluide comprend un liquide frigorigène à vaporiser au moins partiellement.
La Figure 1 illustre de façon schématique un exemple de passage 33 d’un échangeur 1 du type vaporiseur-condenseur alimenté en oxygène liquide. Ce vaporiseur-condenseur vaporise l'oxygène liquide OL sous basse pression (typiquement légèrement supérieure à la pression atmosphérique) recueilli en bas d'une colonne, par condensation d'azote moyenne pression (typiquement de 5 à 6 bars absolus) circulant dans des passages adjacents des passages 33 (non illustrés) dédiés à la circulation d'oxygène. L'azote moyenne pression est le plus souvent prélevé à l'état gazeux en tête d'une colonne de distillation d'air à moyenne pression à laquelle la colonne basse pression citée ci-dessus est connectée. Après son passage et sa condensation au moins partielle dans le vaporiseur-condenseur, cet azote est renvoyé dans la colonne moyenne pression.
C'est plus spécifiquement dans le cadre de cette application que l'invention sera décrite par la suite, étant entendu que son application peut être envisagée dans d'autres contextes, notamment avec des fluides d’une autre nature. Ainsi, l’échangeur 1 peut vaporiser au moins un débit de mélange liquide-gaz, en particulier un débit de mélange à plusieurs constituants, par exemple un mélange d’hydrocarbures, par échange de chaleur avec au moins un autre fluide, par exemple du gaz naturel.
En particulier, l’invention peut concerner un procédé d’échange de chaleur entre un premier fluide et au moins un deuxième fluide dans un échangeur de chaleur selon l’invention, ledit premier fluide s’écoulant dans le passage 33 à une pression inférieure ou égale à 5 bar, de préférence une pression comprise entre 1 et 2 bar.
Tout ou partie des passages 33 de l’échangeur 1 sont pourvus d’éléments intercalaires 22 définissant, au sein des passages 33, des canaux 26 pour la circulation de l’oxygène liquide et pouvant revêtir différentes formes.
Les éléments intercalaires 22 peuvent avoir des formes ondulées, comme le montrent les Figures 3 et 4, et comprendre des jambes d’onde 123 reliées alternativement par des sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122. Dans ce cas, on appelle « ailettes » les jambes d’onde qui relient les sommets et les bases successifs de l’onde.
Les éléments intercalaires 22 peuvent revêtir d’autres formes particulières définies selon les caractéristiques d’écoulement de fluide souhaitées. De manière plus générale, le terme « ailettes » couvre des lames ou autres surfaces secondaires d’échange thermique, qui s’étendent entre les surfaces primaires d’échange thermique, c’est-à-dire les plaques de l’échangeur, dans les passages de l’échangeur.
Les éléments intercalaires 22 sont généralement liés par brasage aux plaques séparatrices de l’échangeur. La liaison peut être réalisée par brasage sous vide avec utilisation d’un métal d’apport 30, appelé brasure ou agent de brasage, l’assemblage étant obtenu par fusion et diffusion d’agent de brasage 30 au sein des pièces à braser, c’est-à-dire dans le métal de base, sans fusion de celles-ci.
La Figure 2 est une vue partielle d’un élément intercalaire 22 assemblé à une première plaque 6 adaptée pour définir, en association avec une autre deuxième plaque 7 parallèle directement voisine (non illustrée), un passage 33 de l’échangeur 1.
L’élément intercalaire 22 et la plaque 6 comportent respectivement des portions d’assemblage 121,60 destinées à être assemblées l’une avec l’autre. Les portions d’assemblage 121, 60 sont positionnées l’une contre l’autre, de préférence avec un faible jeu entre elles afin d’y interposer l’agent de brasage 30. Typiquement les portions d’assemblage 121, 60 peuvent être celles où le jeu entre les pièces 22, 6 est le plus faible, typiquement les portions au niveau desquelles les pièces 22, 6 sont en contact l’une avec l’autre ou en quasicontact, c’est-à-dire avec un jeu très faible existant entre tout ou partie desdites portions, l’une avec l’autre.
Comme on le voit en coupe transversale sur la Figure 4, l’élément intercalaire 22 comprend plusieurs ailettes ou jambes d’onde 123 configurées pour délimiter, lorsque l’élément 22 est monté entre la première plaque 6 et la deuxième plaque 7, une pluralité de canaux 26 d’écoulement du premier fluide.
L’élément 22 comprend en outre au moins une première portion d’assemblage 121 configurée pour être assemblée avec la première plaque 6 et comprenant une première paire de surfaces secondaires 121a, 121b opposées, l’une 121a des surfaces secondaires de la première paire étant orientée du côté de la première plaque 6 et l’autre 121b des surfaces secondaires de la première paire étant orientée du côté de la deuxième plaque 7 lorsque l’élément intercalaire 22 est à l’état monté.
L’élément intercalaire 22 comprend en outre au moins une texturation de surface 23 sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface de l’élément intercalaire 22.
Dans le cadre de l’invention, au moins une texturation de surface 23 est présente sur une surface d’au moins une ailette ou jambe d’onde 123 de l’élément intercalaire 22. Il est à noter que l’élément intercalaire peut présenter une ou plusieurs formes prédéterminées de texturation de surface réparties sur différentes zones de sa surface, étant entendu qu’une texturation de surface peut aussi bien être réalisée dans la surface du matériau constitutif de l’élément intercalaire qu’y être déposée, c’est-à-dire résulter d’un apport de matière supplémentaire sur la surface de l’élément intercalaire.
Selon l’invention, ladite première portion d’assemblage 121 présente la texturation de surface 23 sur au moins celle 121a des surfaces secondaires de la première paire orientée du côté de la première plaque 6.
En outre, la première plaque 6 comprend une première paire de surfaces primaires 6a, 6b opposées et présente la texturation de surface 23 sur au moins celle 6b des surfaces primaires 6a, 6b orientée du côté de l’élément intercalaire 22.
Les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que pour certaines applications, l’assemblage d’éléments intercalaires à texturation de surface pouvait être réalisé sans préparation particulière des portions d’assemblage et conduire à des performances satisfaisantes en termes de tenue mécanique. C’est le cas notamment lorsqu’en fonctionnement, les canaux 26 définis entre les pièces 22, 6 canalisent un premier fluide dont la pression est relativement faible, typiquement inférieure ou égale à 5 bar, de préférence une pression comprise entre 1 et 2 bar, comme c’est le cas dans les passages pour l’oxygène du vaporiseur-condenseur précédemment décrit.
En outre, il a été constaté que la texturation de surface pouvait participer de façon bénéfique à la formation d’un joint brasé. En effet, la brasure étant piégée dans la porosité ou les cavités du revêtement par les forces capillaires, elle a moins tendance à diffuser à travers l’élément intercalaire, ce qui limite les risques de dissolution du matériau constitutif de cet élément et permet d’en réduire l’épaisseur. Le comblement des pores ou cavités conduit en outre à de meilleures performances de transfert thermique entre les pièces brasées, ainsi qu’à une meilleure tenue mécanique de l’assemblage.
Grâce à l’invention, on simplifie le procédé de fabrication puisque la texturation de surface 23 peut être formée ou déposée sur la surface de la plaque et de l’élément intercalaire sans nécessiter d’étape supplémentaire de masquage ou de post-traitement visant à éliminer la texturation de surface des portions à assembler. La texturation est formée sur les pièces avant assemblage, ce qui préserve l’intégrité de la matrice de l’échangeur.
De préférence, la première portion d’assemblage 121 présente la texturation de surface 23 sur la surface secondaire 121b de la première paire orientée du côté de la deuxième plaque 7.
En outre, les ailettes ou jambes d’ondes 123 comprennent une troisième paire de surfaces secondaires 123a, 123b opposées. De préférence, la première portion d’assemblage 121 du premier élément intercalaire 221 est agencée entre deux ailettes ou jambes d’ondes 123 successives, la surface 121b orientée du côté de la deuxième plaque 7 ayant deux extrémités reliées chacune à une surface secondaire 123a de chacune des deux ailettes ou jambes d’ondes 123.
De préférence, l’une et l’autre des surfaces 123a, 123b de la troisième paire présentant la texturation de surface 23.
Ainsi, deux ailettes ou jambes d’onde 123 successives délimitent entre elles un canal 26 dont la paroi formée par la première portion d’assemblage, et les parois latérales, formées par les deux ailettes 123, présente des surfaces internes à coefficient d’échange thermique amélioré.
Selon un mode de réalisation particulier, l’élément intercalaire 22 présente au moins une deuxième portion d’assemblage 122 configurée pour être assemblée avec la deuxième plaque 7, ladite deuxième portion d’assemblage 122 comprenant une deuxième paire de surfaces secondaires 122a, 122b opposées, l’une 122a des surfaces secondaires de la deuxième paire étant orientée du côté de la première plaque 6 et l’autre 122b des surfaces secondaires de la deuxième paire étant orientée du côté de la deuxième plaque 7.
On peut ainsi assembler une autre portion de l’élément intercalaire 22 à une portion d’assemblage réciproque sur la première plaque 7 lors de la fabrication de l’échangeur, ce qui améliore encore la solidité et la rigidité du passage 33.
De préférence, la deuxième portion d’assemblage 122 présente la texturation de surface 23 sur ses deux surfaces secondaires 122a, 122b de la deuxième paire orientée du côté de la deuxième plaque 7.
Comme dans l’exemple de la Figure 4, la deuxième portion d’assemblage 122 de l’élément intercalaire 22 peut être agencée entre deux ailettes ou jambes d’ondes 123, la surface 122a de la deuxième paire orientée du côté de la première plaque 6 ayant deux extrémités reliées chacune à une surface secondaire 123b de chacune des deux ailettes ou jambes d’ondes 123, ladite surface 122a de la deuxième paire et lesdites surfaces secondaires 123b présentant la texturation de surface 23.
Ainsi, on simplifie le procédé de fabrication de l’élément intercalaire puisque la texturation de surface peut être formée ou déposée sur la totalité ou la quasi-totalité des surfaces de l’élément intercalaire sans nécessiter d’étape supplémentaire de masquage ou de post-traitement visant à éliminer la texturation de surface des portions à assembler.
Selon un mode de réalisation particulier, la texturation de surface 23 est formée sur la totalité ou la quasi-totalité de l’élément intercalaire 22.
A noter que dans la cadre de la présente invention, la quasi-totalité d’une surface ou d’un élément s’entend d’une portion représentant au moins 90%, de préférence au moins 95%, de préférence encore au moins 98% de la superficie de cette surface ou de la superficie totale de cet élément.
Selon un mode de réalisation particulier, l’élément intercalaire 22 est un produit ondulé comprenant une succession de jambes d’onde 123 reliées alternativement par des sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122. Au moins un sommet d’onde 121 comprend une première portion d’assemblage 121 selon l’invention.
Les explications qui suivent sont faites en référence aux Figures 4 à 6, étant entendu que l’élément intercalaire 22 peut revêtir toute autre forme adéquate et n’inclut pas nécessairement toutes les caractéristiques détaillées ciaprès.
La Figure 4 montre une vue en coupe transversale d’une structure d’échange thermique ondulée 22. Plusieurs jambes d’onde 123 de forme longiligne s’étendent parallèlement entre elles et globalement suivant une direction dite longitudinale z. Les jambes d’onde se succèdent suivant une direction latérale x, qui est perpendiculaire à la direction longitudinale z, et sont reliées alternativement par des sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122.
Selon l’exemple illustré sur la Figure 4, les sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122 sont de forme plane et s’étendent parallèlement entre eux et perpendiculairement aux jambes d’onde 123. Les canaux 26 pour le premier fluide, qui sont formés entre deux jambes d’onde successives et un sommet ou une base agencé entre lesdites jambes d’onde successive, présentent ainsi une section transversale de forme générale rectangulaire.
La Figure 4 illustre une onde droite présentant des jambes d’onde 123 à surface plane. D’autre configurations d’élément intercalaire 22 sont bien sûr envisageables, notamment des configurations du type onde droite perforée, onde à décalage partiel, onde à vagues ou à arête de hareng (« herringbone » en anglais).
Un élément 22 selon la Figure 4 est visible sur les Figures 5 ou 6 à l’état monté, c’est-à-dire monté entre une première et une deuxième plaque 6, 7 directement voisines formant un passage 33. Le passage 33 est de forme globalement parallélépipédique et configuré pour canaliser le premier fluide parallèlement à la direction longitudinale z.
En fonctionnement, le premier fluide s’écoule sur la largeur du passage 33, mesurée suivant la direction latérale x, entre une entrée et une sortie du passage 33 situées à deux extrémités opposées suivant la longueur du passage 33, mesurée suivant la direction longitudinale z. Les jambes d’onde 123 délimitent au sein du passage 33 une pluralité de canaux 26 qui s’étendent parallèlement à la direction longitudinale z.
Comme on le voit sur les Figures 5 ou 6, l’élément 22 s’étend de préférence sur la quasi-totalité, voire la totalité, de la hauteur des passages, mesurée suivant une direction verticale y perpendiculaire aux plaques 6, 7, de manière à être en contact ou quasi-contact avec les plaques 6, 7. Les sommets d’onde 121 et les bases d’onde 122 sont agencés parallèlement aux plaques 6, 7.
De préférence, l’élément intercalaire 22 est disposé en configuration dite « easyway » dans le passage 33, c’est-à-dire que les jambes d’onde 123 s’étendent globalement suivant la direction d’écoulement du premier fluide dans le passage 33. A noter qu’en service, la direction d’écoulement du premier fluide est de préférence verticale, le sens d’écoulement pouvant être ascendant ou descendant.
Avantageusement, on pourra agencer un élément intercalaire 22 selon l’invention dans une zone 3 d’un passage 33 de l’échangeur dans laquelle pénètre l’oxygène montant, l’élément intercalaire présentant ainsi en surface des porosités ou reliefs multipliant les sites d’amorçage pour la formation du bulles d’oxygène gazeux OG.
De préférence, chaque sommet d’onde 121 comprend une première portion d’assemblage 121 selon l’invention. La surface 121a du sommet d’onde positionnée contre la première plaque 6 présente ainsi au moins une texturation de surface 23.
Notons que les termes « positionnée contre », s’entendent d’une portion d’assemblage juxtaposée à une plaque, avec ou sans jeu existant entre tout ou partie de la portion et la plaque.
Avantageusement, chaque base d’onde 122 comprend une deuxième portion d’assemblage 122 configurée pour être assemblée, à l’état monté, avec la deuxième plaque 7.
Comme illustré sur la Figure 4, ladite deuxième portion d’assemblage comprend une deuxième paire de surfaces 122a, 122b opposées, celle 122b des surfaces de la deuxième paire orientée du côté de la deuxième plaque 7 présentant au moins une texturation de surface 23.
De préférence, chaque jambe d’onde 123 comprend une troisième paire de surfaces 123a, 123b opposées, l’une et l’autre des surfaces 123a, 123b de la troisième présentant ladite texturation de surface 23, de préférence sur sa totalité ou sa quasi-totalité.
De préférence, lesdites premières portions d’assemblage 121, les ailettes ou jambes d’onde 123, et lesdites deuxièmes portions d’assemblage 122 si présentes, sont monobloc, i. e. formées d’une seule pièce.
La Figure 5 illustre un exemple où toutes les jambes d’onde 123 présentent au moins une texturation de surface sur leur deux surfaces 123a, 123b. Chaque canal 26 présente ainsi deux parois latérales dont les surfaces internes sont intensifiées.
De préférence, la première portion d’assemblage 121 présente également la texturation de surface 23 sur la surface 121b de la première paire positionnée, à l’état monté, contre la deuxième plaque 7. La deuxième portion d’assemblage 122 peut aussi présenter la texturation de surface 23 sur la surface 122a de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque 6. Cela permet de maximiser la superficie de texturation de surface 23 présente sur l’élément intercalaire 22 et donc de maximiser l’efficacité de transfert thermique au sein des canaux 26 délimités par l’élément intercalaire.
Une telle configuration est illustrée sur les Figures 5 et 6. En fait, chaque canal 26 a une surface interne formée, à l’état monté, alternativement par la surface 122a d’une base d’onde 122 orientée vers la première plaque 6, la surface 6b de la première plaque 6 orientée vers la base d’onde 122 et les surfaces respectives 123a, 123b des deux jambes d’onde 123 reliées aux extrémités de ladite base d’onde 122, et par la surface 121b d’un sommet d’onde 121 orientée vers la deuxième plaque 7, la surface 7a de la deuxième plaque 7 orientée vers le sommet d’onde 121 et les surfaces respectives 123a, 123b des deux jambes d’onde 123 reliées aux extrémités dudit sommet d’onde 121.
En agençant au moins une texturation de surface 23 sur les surfaces de l’élément intercalaire 22 ainsi que sur les surfaces des plaques 6, 7, on intensifie l’échange thermique au sein des canaux 26.
De préférence, le produit ondulé 22 présente la texturation de surface 23 sur la totalité ou la quasi-totalité de ses surfaces.
Avantageusement, le produit ondulé 22 peut être formé à partir d’un produit plat, tel une tôle ou feuillard, présentant deux surfaces opposées 22a, 22b. L’une et l’autre de ces surfaces 22a, 22b présente la texturation de surface
23. Ce produit est ensuite mis en forme mécaniquement, par exemple par un outil de presse, puis agencé dans un passage de l’échangeur.
Avantageusement, on forme au moins une texturation de surface 23 sur l’une et l’autre desdites faces opposées 22a, 22b. De préférence, les faces opposées 22a, 22b sur lesquelles la texturation de surface 23 est formée présentent ladite texturation, sur leur totalité ou leur quasi-totalité. La face 22a donne lieu, après mise en forme, aux surfaces 121a, 123b, 122a du produit ondulé de la Figure 4. La face 22b donne lieu, après mise en forme, aux surfaces 123a, 121b, 122b du produit ondulé de la Figure 4.
A noter que la quasi-totalité d’une face s’entend d’une portion représentant au moins 90%, de préférence au moins 95%, de préférence encore au moins 98% de la superficie de cette face.
Selon ce mode de réalisation, toutes les surfaces du produit 22 situées, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque 7 et toutes les surfaces du produit 22 situées, à l’état monté, du côté de la première plaque 6, présentent donc une texturation de surface 23.
Dans le cadre de l’invention, le produit ondulé 22 est formé de préférence à partir d’un produit plat, tel une tôle ou feuiHard, ayant une épaisseur d’au moins 0,15 mm, de préférence comprise entre 0,2 et 0,4 mm. Cette épaisseur est indiquée par la lettre « t » sur la Figure 3. La mise en œuvre d’une texturation de surface 23 nécessite des flux thermiques importants, en particulier lorsque la fonction de la texturation de surface 23 est d’intensifier l’ébullition du premier fluide. Il est donc avantageux d’utiliser un élément intercalaire relativement épais, afin de conserver un coefficient d’ailette le plus important possible, c’est-à-dire une meilleure aptitude des ailettes à transmettre la chaleur.
Il est également avantageux de travailler avec un élément intercalaire plus épais lorsque, du fait de l’intensification des échanges thermique obtenue grâce à la texturation de surface, on souhaite réduire la densité d’ailettes de l’élément intercalaire afin de réduire les pertes de charges qu’il génère. On préserve alors le coefficient d’échange thermique de l’élément intercalaire en augmentant son épaisseur.
Etant noté que le coefficient d’ailette est un nombre typiquement compris compris entre 0 et 1, celui-ci étant égal à 1 au point de contact avec une plaque adjacente et diminuant sur l’ailette lorsqu’on s’éloigne de la plaque. Le point situé au milieu de l’ailette est le point où le coefficient d’ailette est le plus faible. Travailler avec des ailettes plus épaisses permet de réduire la conduction thermique à travers l’ailette, de la plaque vers le point du milieu de l’ailette, ce qui augmente le coefficient d’ailette.
De préférence, le produit ondulé 22 a une densité, définie comme le nombre de jambes d’onde par unité de longueur mesuré le long de la direction latérale x, inférieure à 18 jambes par 2,54 centimètres, de préférence inférieure à 10 jambes d’onde par 2,54 centimètres, de préférence encore inférieure ou égale à 5 jambes par 2,54 centimètre. Avantageusement, la densité peut être comprise entre 1 et 5 jambes par 2,54 centimètres. A noter que ces valeurs de densités sont applicables à un élément intercalaire qui n’est pas nécessairement un produit ondulé, les ailettes se succédant suivant la direction latérale x et la densité étant alors définie comme le nombre d’ailettes par unité de longueur, mesuré suivant la direction latérale x.
L’utilisation d’une densité relativement faible permet de faciliter la phase de dépôt de la texturation de surface sur les ailettes ou jambes d’onde, leur surface étant plus accessible. En outre, l’utilisation d’un élément intercalaire de densité plus faible facilite l’élimination des bulles créées au niveau de la texturation de surface.
De préférence, l’élément intercalaire 22 comprend un substrat massif, en particulier un substrat non-poreux, sur lequel la texturation 23 est formée. Selon la structure de l’élément intercalaire, le substrat peut comprendre une ou plusieurs premières et/ou deuxièmes portions d’assemblage, les ailettes ou jambes d’onde. De préférence, la texturation de surface 23 recouvre la totalité ou la quasi-totalité du substrat.
A noter que l’élément intercalaire est de préférence monobloc, c’est-àdire formé d’une seule pièce.
Dans le cadre de l’invention, la texturation de surface 23 peut résulter d’un revêtement de surface déposé sur l’élément ou bien d’une modification de l’état de surface dudit élément pièces obtenu par un traitement chimique, mécanique ou équivalent, par exemple par sablage, rainurage....
En particulier, la texturation de surface 23 peut résulter d’un revêtement de surface déposé sur les substrats des éléments intercalaires, en particulier un revêtement déposé par voie liquide, notamment par trempage, pulvérisation ou par voie électrolytique, par voie sèche, notamment par dépôt chimique en phase vapeur (en anglais Chemical Vapor Deposition ou CVD) ou dépôt physique en phase vapeur (en anglais Physical Vapor Deposition ou CVD), ou par projection thermique, en particulier par flamme ou par plasma.
De préférence, la texturation de surface est formée d’aluminium ou d’un alliage d’aluminium comprenant, pour 100% de sa masse, au moins 80% en masse d’aluminium, de préférence au moins 90%, de préférence encore au moins 99% d’aluminium.
Selon un mode préféré de réalisation, la texturation de surface 23 est sous la forme d’une structure poreuse, de préférence une couche poreuse. La structure poreuse peut par exemple être formé d’un dépôt de particules d’aluminium légèrement frittées, de filaments d’aluminium enchevêtrés, de particules d’aluminium semi fondues collées les unes aux autres, telles les particules d’aluminium qui sont obtenues après projection que l’on obtient en projection thermique par flamme.
De préférence, la texturation de surface 23 présente, avant assemblage de l’élément intercalaire, une porosité ouverte comprise entre 15 et 60%, de préférence entre 20 et 45%, de préférence encore une porosité ouverte initiale comprise entre 25 et 35% (% en volume). A noter que la porosité ouverte est définie comme le rapport entre le volume des pores ouverts, c’est-àdire les pores communiquant fluidiquement avec l’environnement extérieur dans lequel se situe l’élément intercalaire considéré, et le volume total de la structure poreuse.
Les pores de la structure poreuse 23 ont de préférence un diamètre compris entre 1 et 200 pm, de préférence compris entre 5 et 100 pm. Etant noté que les pores ne sont pas nécessairement de section circulaire mais peuvent présenter des formes irrégulières. Le terme « diamètre », couvre donc également un diamètre hydraulique équivalent qui peut être calculé à partir de mesure de la perte de charge subit par un écoulement gazeux à travers la structure poreuse et en supposant que les pores ont une forme régulière, notamment sphérique, cylindrique, ...
On pourra également caractériser la dimension des pores par leur volume. De préférence, les pores de la structure poreuse 23 ont un volume compris entre 1000 et 1 000 000 pm3. Le volume des pores pourra par exemple être déterminé par tomographie ou par analyse d’images de sections polies d’échantillons prises dans une multitude de directions dans l’espace.
De façon alternative, la texturation de surface 23 peut être sous la forme de reliefs, ou motifs, imprimés ou réalisés dans ou sur le matériau constitutif du substrat d’un élément intercalaire. De préférence, ces reliefs définissent, en coupe transversale, des cavités ouvertes à la surface de l’élément. Par exemple, des micro-reliefs ou taille ou morphologie diverses, tels des gorges, discrètes ou ininterrompues, des stries, des protubérances, ... pourront être formés ou déposés à la surface de l’élément considéré. En particulier, les reliefs formant la texturation de surface 23 peuvent être réalisés par usinage laser ou mécanique et/ou chimique.
Selon un mode de réalisation illustré en Figure 6, l’élément intercalaire 22 peut être assemblé au moins à la première plaque 6, de préférence aux première et deuxième plaques 6, 7 par brasage.
Selon ce mode de réalisation, l’assemblage de l’élément intercalaire 22 avec les plaques 6, 7 est obtenu par fusion et diffusion de l’agent de brasage 30 au sein des texturations, et éventuellement du métal de base, de l’élément intercalaire et des plaques. Les texturations de l’élément intercalaire et des plaques se retrouvent ainsi liées métallurgiquement par l’intermédiaire de l’agent de brasage 30.
De préférence, le brasage entre les première et deuxième portions d’assemblage 121, 122 de l’élément intercalaire et les plaques 6, 7 est réalisé dans le cadre du brasage global de la matrice de l’échangeur. L’empilement de plaques, les éléments intercalaires et les autres éléments constitutifs de l’échangeur sont plaqués les uns contre les autres grâce à un dispositif de compression. La matrice ainsi formée est placée dans un four sous vide et chauffée à des températures comprises entre 550 et 650 °C, de préférence de l’ordre de 580 à 600 °C. La force de compression appliquée à la matrice est généralement de l’ordre de 20000 à 40000 N/m2.
De préférence, les plaques 6, 7 de l’échangeur sont des plaques colaminées comprenant une feuille centrale 40 dont chaque face est revêtue d’une couche d’agent de brasage 30. Un exemple d’une telle plaque 6 est illustré en Figure 2. Selon un autre mode de réalisation, l’agent de brasage 30 peut prendre la forme d’un feuillard ou d’une couche de revêtement de surface 30. La couche de revêtement 30 peut être déposée par pulvérisation ou par application au pinceau de l’agent de brasage 30 sous forme d’une suspension de poudre contenant la poudre, un dispersant, un liant, des additifs pour contrôler la viscosité.
L’agent de brasage 30 est de préférence formé d’un matériau métallique ayant une température de fusion inférieure à celle des matériaux constitutifs des pièces 6, 22. Les pièces 6, 22 et 30 sont de préférence formées d’alliage d’aluminium. Les plaques 6 et les éléments 22 de l’échangeur sont avantageusement formées d’un premier alliage d’aluminium de la famille 3XXX, de préférence du type 3003 (norme ASME SB-2019 SECTION 2-B). L’agent de brasage 30 est formé d’un deuxième alliage d’aluminium, de préférence un alliage du type 4XXX (norme ASME SB-2019 SECTION 2-B), en particulier du type 4004.
Comme on le voit sur les Figures 5 et 6, les première et deuxième plaques 6, 7 comprennent respectivement une première et une deuxième paire de surfaces primaires 6a, 6b, 7a, 7b opposées. De préférence, les première et deuxième plaques 6, 7 présentent, au moins sur les portions de leurs surfaces primaires 6b, 7a s’étendant en regard de l’élément 22, la texturation de surface 23.
De préférence, chacune des première et deuxième plaques 6, 7 forme avec une autre plaque adjacente un autre passage de fluide (non illustré). D’autres éléments intercalaires 22 sont également agencés dans ces autres passages conformément à l’invention. De préférence, les surfaces primaires 6a, 7b des première et deuxième plaques orientées du côté de ces autres éléments et s’étendant en regard desdits autres éléments présentent aussi au moins une texturation de surface.
De préférence, les première et deuxième plaques 6, 7 présentent respectivement un agent de brasage 30 sous la forme d’une couche de revêtement agencée entre la surface primaire 6b de la première plaque 6 orientée du côté de l’élément intercalaire 22 et la texturation de surface formée sur ladite surface primaire 6b, un agent de brasage 30 sous la forme d’une couche de revêtement agencée la surface primaire 7a de la deuxième plaque 7 orientée du côté de l’élément intercalaire 22 et la texturation de surface 23 sur ladite surface primaire 7a.
Avantageusement, l’agent de brasage 30 a une épaisseur inférieure à 300 pm, de préférence comprise entre 50 et 200 pm. Ainsi, on évite un excès de brasure qui serait préjudiciable aux performances de l’échangeur puisqu’en s’écoulant en dehors de la zone du joint brasé, la brasure pourrait modifier la microstructure du revêtement ou de la texturation de surface et donc ses performances, en comblant les porosités ou cavités ou en favorisant la fermeture de la porosité ouverte de l’élément à surface intensifiée.
Selon un mode de réalisation particulier, on peut adapter la hauteur de l’élément 22 à la hauteur du passage 33 de sorte qu’il existe un jeu d’une valeur prédéterminée, tel qu’indiqué par la référence « d » sur la Figure 6, entre les sommets d’onde 121 et la première plaque 6 et entre les bases d’onde 122 et la deuxième plaque 7. Ceci permet d’empêcher des remontées capillaires d’agent de brasage en dehors de la zone du joint brasé durant l’étape de brasage sous vide, ce qui peut être préjudiciable aux performances de l’échangeur puisqu’en s’écoulant, la brasure peut modifier la microstructure de la texturation de surface en comblant les porosités ou cavités présents en surface. De préférence, le jeu d est compris entre 0 et 0,1 mm, de préférence entre 0 et 0,05 mm.
Selon une variante de réalisation illustrée sur la Figure 5, l’élément intercalaire 22 peut être assemblé au moins à la première plaque 6, non pas par brasage, mais par liaison métallurgique obtenue directement entre la texturation de surface 23 présente sur celle 121a des surfaces secondaires de la première portion d’assemblage 121 orientée du côté de la première plaque 6 et la texturation de surface 23 présente sur celle 6b des surfaces primaires de la première plaque 6 orientée du côté de l’élément intercalaire 22.
Ainsi, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence qu’en mettant en contact des portions de texturation de surface de l’élément intercalaire et de la plaque adjacente, celles-ci pouvaient se lier entre elles du fait de leur chauffage à forte température combiné à l’effet de la force de compression exercée pendant le brasage sous vide de l’ensemble de l’échangeur.
Cela permet de réduire, voire d’éviter le risque de modifier les caractéristiques de la texturation de surface en-dehors des portions d’assemblage. Ce mode d’assemblage est particulièrement avantageux lorsque les passages 33 ne sont pas mis en surpression, ou bien à une pression faible, c’est-à-dire inférieure ou égale à 5 bar, lors du fonctionnement de l’échangeur, les exigences en termes de tenue mécanique de l’échangeur étant alors moins importante.
En particulier, la liaison métallurgique directe peut être réalisée par un procédé de frittage des texturations conduisant à leur densification par diffusion de matière. Selon une variante alternative ou complémentaire, la liaison métallurgique directe peut être réalisée par un procédé d’interdiffusion métallique, également appelé soudage par diffusion, qui conduit au collage des texturations entre elles par diffusion mutuelle de matière.
Le même type de liaison peut être réalisé entre la texturation de surface 23 présente sur celle 122b des surfaces secondaires de la deuxième portion d’assemblage 122 orientée du côté de la deuxième plaque 7 et la texturation de surface 23 présente sur celle 7a des surfaces primaires de la deuxième plaque 7 orientée du côté de l’élément intercalaire 22.
Selon ce mode d’assemblage, les surfaces primaires 6b, 7a des première et deuxième plaques 6, 7 orientées du côté de l’élément intercalaire 22 sont exemptes d’agent de brasage 30 sur leurs portions s’étendant en regard dudit élément intercalaire 22.
De préférence, la liaison métallurgique directe entre les premières et deuxième portions d’assemblage 121, 122 de l’élément intercalaire et les plaques 6, 7 est réalisée dans le cadre du brasage global de la matrice de l’échangeur. L’empilement de plaques, les éléments intercalaires et les autres éléments constitutifs de l’échangeur sont plaqués les uns contre les autres grâce à un dispositif de compression. Des zones de contact sont ainsi formées entre au moins une première plaque et une ou plusieurs premières portions d’assemblage des éléments intercalaires et/ou entre au moins une deuxième plaque et une ou plusieurs deuxièmes portions d’assemblage des éléments intercalaires. La matrice ainsi formée est placée dans un four sous vide et chauffée à des températures comprises entre 550 et 650 °C, de préférence entre 580 et 600 °C. La force de compression appliquée à la matrice est de préférence comprise entre 20000 et 40000 N/m2 La matrice est soumise à un cycle thermique de brasage d’une durée totale comprise entre 10 et 30 heures.
A titre d’exemple, un cycle thermique avec lequel on peut lier métallurgiquement des texturations de surfaces directement entre elles consiste en une première rampe de température correspondant à une montée progressive en température jusqu’à la température de solidus de l’alliage 4004, soit 565 °C, en 4h43min, un maintien à une température supérieure à 565 °C pendant 3h30min et une deuxième rampe de température correspondant à une évolution progressive de la température de 565 °C à 585 °C pendant une durée de 2h30min.
Généralement, le passage 33 a la forme d’un parallélépipède délimité par deux bords longitudinaux et deux bords latéraux. Des barres de fermeture sont agencée entre la première et la deuxième plaque et s’étendent le long de chaque bord du passage de manière à l’obturer sur toute sa hauteur et à assurer son étanchéité. La tenue mécanique de l’empilement de plaques est assurée par brasage des plaques avec les barres de fermeture.
Selon un mode de réalisation particulier, l’élément intercalaire 22 présente, avant d’être assemblé dans le passage 33, une hauteur prédéterminée h, mesurée suivant une direction d’empilement y perpendiculaire aux plaques 6, 7, légèrement supérieure à la hauteur H du passage 33. De préférence,la hauteur h de l’élément intercalaire 22 est supérieur à celle H du passage 33 d’une facteur multiplicateur compris entre 1,01 et 1,07. Ainsi, il se produit un écrasement des texturations de surface qui favorise leur imbrication l’une dans l’autre au niveau de leur zone de mise en contact, de manière à ce qu’il n’y ait plus ou quasiment plus de pores ou de cavités ouverts dans cette zone. La conductivité thermique entre la plaque et l’élément 22 s’en trouve améliorée.
Les Figures 5 et 6 montre une barre de fermeture 16 qui sal’étend dans la hauteur H du passage 33 le long d’un bord longitudinal.
De préférence, les surfaces primaires 6b, 7a des première et deuxième plaques 6, 7 orientées du côté de l’élément intercalaire 22 sont exemptes de texturation de surface 23 sur leurs portions s’étendant en regard de la barre de fermeture 16. Un agent de brasage 30 est agencé entre lesdites portions et la barre de fermeture 16. Ainsi, la barre de fermeture peut être brasée plus solidement aux plaques 6, 7, ce qui assure une plus grande résistance mécanique à l’échangeur.
De préférence, après liaison directe ou par brasage de la première portion d’assemblage avec la première plaque 6, la texturation de surface 23 est modifiée au niveau de ladite première portion d’assemblage 121 et de la portion respective 60 de la plaque 6 positionnée contre la première portion d’assemblage 121. En particulier, dans le cas d’un assemblage par brasage, au moins partie de la texturation de surface 23 est infiltrée par l’agent de brasage 30 au niveau des portions d’assemblage 220, 60. Cet effet est lié à la force de compression appliquée aux pièces brasées et à l’ecoulement de l’agent de brasage 30 dans la texturation
Selon le cas, la porosité ouverte ou les cavités de la texturation de surface 23 peuvent être en tout ou partie comblée par l'agent de brasage 30 ou par imbrication mutuelle de texturations au niveau de la première portion d’assemblage 121 et de la portion respective 60 de la plaque 6.
De préférence, après formation de la liaison directe ou par brasage, la texturation de surface 23 présente au niveau de la première portion d’assemblage 121 et de la portion respective 60 de la plaque 6, une porosité ouverte résiduelle comprise entre 0% et 90%, de préférence entre 10% et 50%, de la porosité ouverte initiale, c’est-à-dire avant formation de la liaison (0% indiquant que la porosité ouverte initiale est totalement comblée suite au brasage ou à la liaison directe).
Plus généralement, la texturation de surface 23 peut présenter avant liaison, au niveau des portions d'assemblage 220, 60, un volume initial de pores ou de cavités ouverts. Après liaison, la texturation de surface 23, au niveau de la première portion d’assemblage 121 et de la portion respective 60 de la plaque
6, un volume résiduel de pores ou de cavités ouverts représentant de 0% à 90%, de préférence de 10% à 50%, du volume initial de pores ou de cavités ouverts.
Avantageusement, après liaison, la texturation de surface 23 est conservée en-dehors de la première portion d’assemblage 121 et de la portion 5 respective 60 de la plaque 6. En particulier, la texturation de surface 23 présente, en-dehors des portions d’assemblage 121,60, une porosité ouverte identique ou quasi-identique à la porosité ouverte initiale et/ou un volume de pores ou de cavités ouverts identique ou quasi-identique au volume de pores ou de cavités ouverts initial.
Claims (16)
- REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasées comprenant une pluralité de plaques agencées parallèlement entre elles de façon à définir une série de passages pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide, au moins un élément intercalaire (22) étant agencé dans un passage (33) formé entre une première et une deuxième plaque (6, 7) et comprenant :- au moins une première portion d’assemblage (121) positionnée contre la première plaque (6), ladite première portion d’assemblage (121) comprenant une première paire de surfaces secondaires (121a, 121b) opposées dont l’une (121a) est orientée du côté de la première plaque (6) et l’autre (121b) est orientée du côté de la deuxième plaque (7),- au moins une texturation de surface (23) sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface de l’élément intercalaire (22) ,- plusieurs ailettes ou jambes d’onde (123) délimitant, au sein du passage (33), plusieurs canaux (26) pour l’écoulement du premier fluide, au moins une ailette ou jambe d’onde (123) présentant ladite texturation de surface (23) , caractérisé en ce que ladite première portion d’assemblage (121) présente la texturation de surface (23) sur au moins celle (121a) des surfaces secondaires de la première paire orientée du côté de la première plaque (6), et la première plaque (6) comprend une première paire de surfaces primaires (6a, 6b) opposées et présente la texturation de surface (23) sur au moins celle (6b) des surfaces primaires (6a, 6b) orientée du côté de l’élément intercalaire (22).
- 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première portion d’assemblage (121 ) présente la texturation de surface (23) sur la surface (121b) de la première paire orientée du côté de la deuxième plaque (7).
- 3. Echangeur selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l’élément intercalaire (22) présente au moins une deuxième portion d’assemblage (122) positionnée contre la deuxième plaque (7), ladite deuxième portion d’assemblage (122) comprenant une deuxième paire de surfaces secondaires (122a, 122b) opposées, l’une (122a) des surfaces secondaires de la deuxième paire étant orientée du côté de la première plaque (6) et l’autre (122b) des surfaces secondaires de la deuxième paire étant orientée du côté de la deuxième plaque (7), la deuxième portion d’assemblage (122) présentant la texturation de surface (23) sur la surface (122b) de la deuxième paire orientée du côté de la deuxième plaque (7).
- 4. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième plaque (7) comprend une deuxième paire de surfaces primaires (7a, 7b) opposées, celle (7a) des surfaces primaires (7a, 7b) orientée du côté de l’élément intercalaire (22) présentant, au moins en partie, la texturation de surface (23).
- 5. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que qu’au moins une ailette ou jambe d’onde (123) comprend une troisième paire de surfaces secondaires (123a, 123b) opposées, l’une et l’autre desdites surfaces (123a, 123b) de la troisième paire présentant la texturation de surface (23).
- 6. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes ou jambes d’onde (123, 223) se succèdent suivant une direction latérale (x) et s’étendent dans le passage (33) globalement suivant une direction longitudinale (z) qui est parallèle aux première et deuxième plaques (6, 7) et orthogonale à la direction latérale (x).
- 7. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la texturation de surface (23) est sous la forme d’une structure poreuse ayant une porosité ouverte comprise entre 15 et 60 %, de préférence une porosité ouverte comprise entre 20 et 45 % (% en volume), ou sous la forme de reliefs définissant, en coupe transversale, des cavités ouvertes à la surface des premier et deuxième éléments intercalaires (221,222).
- 8. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un agent de brasage (30) est agencé entre la première plaque (6) et l’élément intercalaire (22) et/ou entre la deuxième plaque (7) et l’élément intercalaire (22).
- 9. Echangeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’agent de brasage (30) est sous la forme d’au moins une couche de revêtement agencée entre la surface primaire (6b) de la première plaque (6) orientée du côté de l’élément intercalaire (22) et la texturation de surface (23) et/ou entre la surface primaire (7a) de la deuxième plaque (7) orientée du côté de l’élément intercalaire (22) et la texturation de surface (23).
- 10. Echangeur selon l’une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que l’agent de brasage (30) a une épaisseur inférieure à 300 pm, de préférence comprise entre 50 et 200 pm.
- 11. Echangeur selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les surfaces primaires (6b, 7a) des première et deuxième plaques (6, 7) orientées du côté de l’élément intercalaire (22) sont exemptes d’agent de brasage (30) sur leurs portions s’étendant en regard dudit élément intercalaire (22).
- 12. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément intercalaire (22) est assemblé dans le passage (33) par assemblage d’au moins ladite première portion d’assemblage (121) avec la première plaque (6), ledit assemblage étant réalisée par liaison métallurgique de la texturation de surface (23) présente sur celle (121a) des surfaces secondaires de la première portion d’assemblage (121) orientée du côté de la première plaque (6) avec la texturation de surface (23) présente sur celle (6b) des surfaces primaires de la première plaque (6) orientée du côté de l’élément intercalaire (22), lesdites texturations de surface (23) étant liées directement entre elles ou via un agent de brasage (30).
- 13. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le passage (33) a une forme globale de parallélépipède délimité par deux bords longitudinaux et deux bords latéraux, au moins une barre de fermeture (16) s’étendant dans la hauteur (H) du passage (33), définie comme l’écart entre la première plaque (6) et la deuxième plaque (7) mesuré suivant une direction d’empilement (y) perpendiculaire aux plaques (6, 7), le long d’au moins un des bords longitudinaux et latéraux du passage (33), les surfaces primaires (6b, 7a) des première et deuxième plaques (6, 7) orientées du côté de l’élément intercalaire (22) étant exemptes de texturation de surface (23) sur leurs portions s’étendant en regard de la barre de fermeture (16).
- 14. Echangeur selon la revendication 13, caractérisé en ce qu’un agent de brasage (30) est agencé sur les portions des surfaces primaires (6b, 7a) des première et deuxième plaques (6, 7) orientées du côté de l’élément intercalaire (22) s’étendant en regard de la barre de fermeture (16).
- 15. Echangeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément intercalaire (22) présente, avant d’être assemblé dans le passage (33), une hauteur prédéterminée (h), mesurée suivant une direction d’empilement (y) perpendiculaire aux première et deuxième plaques (6, 7), légèrement supérieure à la hauteur (H) du passage (33), définie comme l’écart entre la première plaque (6) et la deuxième plaque (7) mesuré suivant une direction d’empilement (y) perpendiculaire aux plaques (6, 7).
- 16. Procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :- agencement de plusieurs plaques (6, 7) parallèlement entre elles de façon à définir une série de passages pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide,- agencement d’au moins un élément intercalaire (22) dans un passage (33) formé entre une première et une deuxième plaque (6, 7),- formation d’au moins une zone de contact ou quasi-contact entre au moins une première portion d’assemblage de l’élément intercalaire (22) et la première plaque (6), ladite première portion d’assemblage (121) comprenant une première paire de surfaces secondaires (121a, 121b) opposées dont l’une (121a) des surfaces de la première paire est orientée du côté de la première plaque (6) et la première plaque (6) comprenant une première paire de surfaces primaires (6a, 6b) opposées dont l’une (6b) est orientée du côté de l’élément intercalaire (22), caractérisé en ce que ladite surface secondaire (121a) et ladite surface primaire (6b) présentent au moins une texturation de surface (23) sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur des surfaces de la première plaque (6) et de l’élément intercalaire (22), l’assemblage de la première portion d’assemblage (121) avec la première plaque (6) étant réalisé sans agent de brasage, ledit procédé comprenant en outre les étapes suivantes :- application d’une force de compression et apport de chaleur au moins au niveau de ladite zone de contact ou quasi-contact de manière à former une liaison métallurgique directement entre lesdites texturations de surface (23).
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1762417A FR3075339B1 (fr) | 2017-12-19 | 2017-12-19 | Echangeur de chaleur avec elements et plaques a texturation de surface |
| PCT/FR2018/053333 WO2019122655A1 (fr) | 2017-12-19 | 2018-12-17 | Echangeur de chaleur avec elements et plaques a texturation de surface |
| EP18833697.8A EP3728977B1 (fr) | 2017-12-19 | 2018-12-17 | Echangeur de chaleur avec elements et plaques a texturation de surface |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1762417A FR3075339B1 (fr) | 2017-12-19 | 2017-12-19 | Echangeur de chaleur avec elements et plaques a texturation de surface |
| FR1762417 | 2017-12-19 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3075339A1 FR3075339A1 (fr) | 2019-06-21 |
| FR3075339B1 true FR3075339B1 (fr) | 2019-11-22 |
Family
ID=61132752
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1762417A Expired - Fee Related FR3075339B1 (fr) | 2017-12-19 | 2017-12-19 | Echangeur de chaleur avec elements et plaques a texturation de surface |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP3728977B1 (fr) |
| FR (1) | FR3075339B1 (fr) |
| WO (1) | WO2019122655A1 (fr) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3114378B1 (fr) * | 2020-09-18 | 2022-12-23 | Higel Francois | Système de chauffage solaire |
| CN112696949A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-23 | 江苏卓然恒泰低温科技有限公司 | 一种铝制板翅式换热器两相流均布装置 |
| JP2024146238A (ja) * | 2023-03-31 | 2024-10-15 | ダイキン工業株式会社 | 熱交換器及び熱交換器の製造方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5514248A (en) * | 1990-08-20 | 1996-05-07 | Showa Aluminum Corporation | Stack type evaporator |
| FR2834783B1 (fr) * | 2002-01-17 | 2004-06-11 | Air Liquide | Ailette d'echange thermique, son procede de fabrication et echangeur de chaleur correspondant |
| US20040251008A1 (en) | 2003-05-30 | 2004-12-16 | O'neill Patrick S. | Method for making brazed heat exchanger and apparatus |
| FR2865027B1 (fr) | 2004-01-12 | 2006-05-05 | Air Liquide | Ailette pour echangeur de chaleur et echangeur de chaleur muni de telles ailettes |
| CN102322765A (zh) * | 2011-09-19 | 2012-01-18 | 无锡市冠云换热器有限公司 | 一种具有球形凹凸的矩形波状翅片 |
| JP6225042B2 (ja) * | 2014-02-14 | 2017-11-01 | 住友精密工業株式会社 | プレートフィン熱交換器、及び、熱交換器用コルゲートフィンの製造方法 |
-
2017
- 2017-12-19 FR FR1762417A patent/FR3075339B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
2018
- 2018-12-17 EP EP18833697.8A patent/EP3728977B1/fr active Active
- 2018-12-17 WO PCT/FR2018/053333 patent/WO2019122655A1/fr unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2019122655A1 (fr) | 2019-06-27 |
| EP3728977B1 (fr) | 2021-08-04 |
| EP3728977A1 (fr) | 2020-10-28 |
| FR3075339A1 (fr) | 2019-06-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3728977B1 (fr) | Echangeur de chaleur avec elements et plaques a texturation de surface | |
| EP3728976A1 (fr) | Element intercalaire a texturation de surface, echangeur de chaleur et procede de fabrication associes | |
| WO2007042698A1 (fr) | Procede de vaporisation et/ou de condensation dans un echangeur de chaleur | |
| EP3662222B1 (fr) | Echangeur de chaleur comprenant un element de distribution a canaux multiples | |
| EP3553445A1 (fr) | Caloduc a pompage capillaire a rainures reentrantres offrant un fonctionnement ameliore | |
| FR2865027A1 (fr) | Ailette pour echangeur de chaleur et echangeur de chaleur muni de telles ailettes | |
| EP3615877A1 (fr) | Echangeur de chaleur à jonction d'ondes améliorée, installation de séparation d'air associée et procédé de fabrication d'un tel échangeur | |
| WO2019122663A1 (fr) | Element intercalaire a texturation de surface, echangeur de chaleur comprenant un tel element | |
| FR3075335B1 (fr) | Echangeur de chaleur avec elements intercalaires superposes | |
| FR3075341A1 (fr) | Echangeur de chaleur avec elements intercalaires a texturation de surface | |
| FR3075080A1 (fr) | Procede de brasage de pieces a texturation de surface, procede de fabrication d’un echangeur de chaleur incorporant lesdites pieces | |
| EP1068481B1 (fr) | Dispositif d'echanges thermiques a fluide biphasique actif et procede de fabrication d'un tel dispositif | |
| FR3140420A1 (fr) | Echangeur de chaleur à structure d’échange thermique améliorée | |
| FR3133077A3 (fr) | Echangeur de chaleur à structure d’échange thermique améliorée | |
| WO2016166473A1 (fr) | Échangeur de chaleur présentant des éléments de microstructure et unité de séparation comprenant un tel échangeur de chaleur | |
| FR3140673A1 (fr) | Procédé de fabrication d’un élément intercalaire pour un échangeur de chaleur | |
| FR3088996A1 (fr) | Procédé de fabrication d’un échangeur comprenant une zone à supporter et échangeur fabriqué par un tel procédé | |
| EP4155647B1 (fr) | Echangeur comprenant au moins une structure d échange thermique à surface striée | |
| EP4325155A1 (fr) | Caloduc à section transversale non cylindrique, comprenant un évaporateur à structure d'interface vapeur/liquide améliorée afin d'augmenter la limite d'ébullition | |
| EP4325156A1 (fr) | Caloduc de type à pompage capillaire, à rainures réentrantes intégrant au moins un substrat poreux à l'évaporateur | |
| FR3134733A1 (fr) | Procédé de fabrication d’une pièce poreuse par fusion laser sur lit de poudre | |
| EP4244500A1 (fr) | Rondelle ressort offrant une tenue en temperature amelioree | |
| EP4166881A1 (fr) | Module pour la fabrication d'un caloduc a pompe capillaire a rainures réentrantes | |
| FR2942657A1 (fr) | Echangeur de chaleur a plaques |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20190621 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 5 |
|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20230808 |