FR3128520A1 - Paire de plaques d’échangeur de chaleur avec rainures et creux - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne une paire de plaques d’échangeur de chaleur. Chaque plaque (A, B) comporte un panneau central pourvu d’au moins une rainure (101, 102) en saillie dans un canal défini par un volume interne (V) entre les plaques. Au sein de la paire de plaques (A, B), chaque rainure (101) de la première plaque (A) est parallèle à chaque rainure (102) de la deuxième plaque (B). Figure 1 à publier

Description

Paire de plaques d’échangeur de chaleur avec rainures et creux
La présente invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur à plaques, utilisés notamment pour l'échange de chaleur entre deux gaz, mais également entre deux liquides ou entre un liquide et un gaz.
Les échangeurs de chaleur particulièrement intéressants pour l'invention sont les échangeurs gaz-gaz qui fonctionnent avec de grands ou de petits volumes d'écoulement à des pressions relativement basses, par exemple de 0,01 à 1,5 MPa. Ils peuvent être utilisés par exemple sous forme de préchauffeurs d'air pour des fours ou peuvent faire partie d'installations de réduction des NOx (dispositifs « DeNOx »).
Les échangeurs de chaleur ont pour fonction de mettre en œuvre un échange thermique entre un fluide à haute température et un fluide à basse température sans les mélanger. Les échangeurs de chaleur à plaques ont de bonnes performances thermiques grâce à leur grande surface d'échange, tout en étant compacts.
Les échangeurs de chaleur à plaques récupèrent la chaleur en disposant une pluralité de plaques empilées parallèlement les unes aux autres à intervalles prédéterminés. Lesdites plaques sont espacées de telle sorte que l'espace entre deux plaques adjacentes forme un canal à travers lequel peut s'écouler un fluide. Un fluide à haute température et un fluide à basse température sont fournis en alternance aux canaux successifs de manière à effectuer un transfert thermique entre le fluide à haute température et le fluide à basse température par le biais de chaque plaque.
L’efficacité des échangeurs de chaleur à plaques est principalement déterminée par les échanges thermiques entre les fluides les parcourant. La géométrie de la plaque d’échangeur influe sur les échangeurs thermiques. Les plaques peuvent, notamment, être sensiblement planes, ou bien comprendre des parties en relief.
La demande de brevet FR3086742 (WO2020/069880) ainsi que dans la demande de brevet FR 3108714 (WO2021/190879) décrivent un échangeur de chaleur à plaques, au sein duquel, on forme des paires de plaques. Pour cet échangeur à plaques, chaque plaque comporte un panneau central. Les panneaux centraux des deux plaques étant parallèles et espacés l’un de l’autre de manière à former un canal pour un fluide. De plus, la paire de plaques comporte au moins un panneau de jonction entre les panneaux centraux des plaques de manière à les assembler et à les espacer. Les panneaux de jonction sont inclinés par rapport aux panneaux centraux. Au sein de cet échangeur de chaleur, les échanges de chaleur sont réalisés notamment au travers de plaques planes, éventuellement sans relief. Bien que donnant satisfaction, l’efficacité thermique de cet échangeur de chaleur à plaques peut être amélioré.
Afin de permettre le brassage de ces fluides pour augmenter les échanges thermiques, les plaques des échangeurs de chaleur peuvent être équipées de dispositifs de perturbation de l’écoulement des fluides.
Pour des raisons économiques et pratiques, l’agencement de ces dispositifs de perturbation est généralement le même pour toutes les plaques.
La demande de brevet FR3003637 décrit un échangeur de chaleur à plaques comprenant au moins une paire de plaques similaires espacées sensiblement parallèles. Lesdites plaques peuvent comporter des rainures espacées s’étendant dans une direction orientée à 45° par rapport aux côtés de chaque plaque. La deuxième plaque est de forme invariante par rotation de 90 degrés par rapport à un axe normal au panneau principal. De cette manière, les rainures de la première plaque sont perpendiculaires aux rainures de la deuxième plaque. Ainsi, les rainures forment un relief permettant le brassage des fluides permettant d’augmenter les échanges thermiques. Toutefois, les performances des échanges thermiques peuvent être améliorées, et cet échangeur de chaleur permet uniquement les échanges de chaleur à co-courant, mais ne permet pas les échanges de chaleur à contre-courant ou à courants croisés.
L’invention a pour but de construire un échangeur de chaleur à plaques ayant des performances thermiques optimisées et avec une perte de charge limitée. Pour cela, l’invention concerne une paire de plaque d’échangeur de chaleur. Chaque plaque comporte un panneau central pourvu d’au moins une rainure en saillie dans un canal défini par un volume interne entre les plaques. Au sein de la paire de plaques, chaque rainure de la première plaque est parallèle à chaque rainure de la deuxième plaque. Les rainures sur les deux plaques forment un relief permettant le brassage des fluides assurant une augmentation des échanges thermiques avec une perte de charge limitée. De plus, cette conception peut être utilisée pour des échanges de chaleur à co-courant, à contre-courant ou à courants croisés.
L’invention concerne en outre un empilement de paires de plaques, un échangeur de chaleur comprenant une telle paire de plaques. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un tel empilement de paires de plaques ou d’un tel échangeur de chaleur.
L’invention concerne une paire de plaques d’échangeur de chaleur comprenant une première plaque et une deuxième plaque d’échangeur de chaleur, disposées en vis-à-vis et espacées l’une de l’autre de manière à définir un volume interne apte à former un canal pour un écoulement d’un premier fluide, chaque plaque comprenant un panneau central, lesdits panneaux centraux desdites première et deuxième plaques étant préférentiellement sensiblement quadrilatéraux avec optionnellement des bords tronqués, coupés ou arrondis, et lesdits panneaux centraux desdites première et deuxième plaques étant plans et parallèles entre eux. Ledit panneau central de chaque plaque comporte au moins une rainure, de préférence une rainure sensiblement rectiligne, en saillie dans ledit volume interne, et chaque rainure de ladite première plaque est parallèle à chaque rainure de ladite deuxième plaque.
Selon un mode de réalisation, chaque rainure est inclinée d’un angle α non nul et non droit par rapport à un côté dudit panneau central, l’angle α est supérieur ou égal à 10°, de préférence est compris entre 10 et 80° bornes incluses, et de manière préférentielle entre 30 et 70° bornes incluses, et de manière préférée entre 40 et 50° bornes incluses.
Conformément à une mise en œuvre, chaque rainure de ladite deuxième plaque est décalée par rapport à chaque rainure de ladite première plaque dans une direction perpendiculaire auxdites rainures desdites première et deuxième plaques.
Selon une option de réalisation, chaque panneau central de chaque plaque comporte une pluralité de rainures parallèles entre elles, et préférentiellement régulièrement espacées.
Avantageusement, l’espacement régulier entre lesdites rainures de ladite première plaque est identique à l’espacement régulier entre lesdites rainures de ladite deuxième plaque.
De préférence, le décalage dans la direction perpendiculaire auxdites rainures a une distance comprise entre un tiers et deux tiers dudit espacement régulier, et vaut de préférence la moitié dudit espacement régulier.
De manière avantageuse, l’espacement régulier entre deux rainures successives est compris entre 10 et 80 mm bornes incluses, de préférence entre 20 et 60 mm bornes incluses.
Selon un aspect, chaque rainure a une section transversale dont la forme est choisie parmi un arc de cercle, un demi-cercle, un U, un V, une ellipse, une aile d’avion, un fer de lance, de préférence la forme est choisie parmi un arc de cercle et une aile d’avion.
Selon une caractéristique, la largeur de chaque rainure est comprise entre 4 et 30 mm bornes incluses, de préférence entre 6 et 25 mm bornes incluses.
Conformément à un mode de réalisation, la hauteur de saillie de chaque rainure est comprise entre 1,5 et 6 mm bornes incluses, de préférence entre 2 et 5 mm bornes incluses.
Selon une mise en œuvre, toutes les rainures des première et deuxième plaques possèdent la même section transversale, la même largeur et la même hauteur de saillie.
Conformément à une option de réalisation, ladite première plaque et ladite deuxième plaque sont reliées au moyen d’un ou deux panneau(x) de jonction agencé(s) sur un ou deux côté(s) d’un panneau central.
De plus, l’invention concerne un empilement de paires de plaques d’échangeur de chaleur comprenant au moins deux paires de plaques selon l’une des caractéristiques précédentes, lesdites paires de plaques étant empilées de telle sorte que lesdites paires de plaques successives soient espacées. Pour deux paires de plaques successives désignées respectivement première paire de plaques et deuxième paire de plaques :
  1. Ladite première paire de plaques et ladite deuxième paire de plaques sont disposées parallèlement l’une à l’autre et en regard l’une de l’autre, l’espace entre les plaques de chaque paire de plaques formant un canal pour l’écoulement d’un premier fluide,
  2. L’espace entre ladite première paire de plaques et ladite deuxième paire de plaques forme un canal pour l’écoulement d’un deuxième fluide, ladite deuxième paire de plaques étant préférentiellement identique à ladite première paire de plaques, ou étant une image en miroir de ladite première paire de plaques.
Selon un mode de réalisation, ledit canal pour l’écoulement du deuxième fluide est perpendiculaire audit canal pour l’écoulement du premier fluide.
L’invention concerne également un échangeur de chaleur à plaques comprenant des paires de plaques selon l’une des caractéristiques précédentes ou un empilement de paires de plaques selon l’une des caractéristiques précédentes, lesdites paires de plaques ou ledit empilement de paires de plaques étant disposés dans un châssis.
En outre, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un empilement de paires de plaques selon l’une des caractéristiques précédentes, ou d’un échangeur de chaleur selon l’une des caractéristiques précédentes. Pour ce procédé, on met en œuvre les étapes suivantes :
  1. On prépare au moins quatre plaques comportant chacun un panneau central ;
  2. Pour une première moitié desdites plaques, on forme ladite au moins une rainure dans le panneau central de chaque plaque, notamment par emboutissage ;
  3. Pour une deuxième moitié desdites plaques, on forme ladite au moins une rainure dans le panneau central de chaque plaque, notamment par emboutissage ;
  4. On assemble au moins deux paires de plaques, pour chaque paire de plaques, on agence une première plaque de ladite première moitié desdites plaques parallèlement à une deuxième plaque de ladite deuxième moitié desdites plaques, de telle sorte que les rainures soient parallèles et en saillie dans le volume interne entre lesdites plaques, et éventuellement avec un décalage de chaque rainure de la première plaque par rapport à chaque rainure de la deuxième plaque selon une direction perpendiculaire auxdites rainures ; et
  5. On empile lesdites au moins deux paires de plaques parallèlement et espacées les unes des autres.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures
La illustre deux panneaux centraux d’une paire de plaques selon un mode de réalisation de l’invention.
La illustre une vue en coupe de deux panneaux centraux d’une paire de plaques selon un mode de réalisation de l’invention.
La illustre une section transversale (profil) d’une rainure selon une première variante de réalisation de l’invention.
La illustre une section transversale (profil) d’une rainure selon une deuxième variante de réalisation de l’invention.
La illustre une paire de plaques selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La illustre une paire de plaques selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La illustre une paire de plaques selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
La illustre une paire de plaques selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.
La illustre une portion d’un empilement de paires de plaques.
La illustre trois conceptions d’une paire de plaques utilisées pour l’exemple comparatif.
La illustre des courbes d’un paramètre thermique en fonction du nombre de Reynolds, respectivement pour deux exemples de paires de plaques selon l’art antérieur, et pour une paire de plaque selon un mode de réalisation de l’invention.
Pour des raisons de clarté, les figures ne représentent pas nécessairement les plaques dans la position spatiale dans laquelle elles peuvent être assemblées, ni selon leur position d’utilisation. Les plaques sont en effet dans l’ensemble des figures, représentées toutes selon différents plans. Les figures restent des représentations schématiques, l’ensemble des composants représentés n’est pas forcément à l’échelle, et ont été simplifiés pour en faciliter la lecture.

Claims (16)

  1. Paire de plaques d’échangeur de chaleur comprenant une première plaque (A) et une deuxième plaque (B) d’échangeur de chaleur, disposées en vis-à-vis et espacées l’une de l’autre de manière à définir un volume (V) interne apte à former un canal pour un écoulement d’un premier fluide (F), chaque plaque (A, B) comprenant un panneau central, lesdits panneaux centraux desdites première et deuxième plaques étant préférentiellement sensiblement quadrilatéraux avec optionnellement des bords tronqués, coupés ou arrondis, et lesdits panneaux centraux desdites première et deuxième plaques (A, B) étant plans et parallèles entre eux, caractérisée en ce que ledit panneau central de chaque plaque (A, B) comporte au moins une rainure (101, 102), de préférence une rainure sensiblement rectiligne, en saillie dans ledit volume interne (V), et en ce que chaque rainure (101) de ladite première plaque (A) est parallèle à chaque rainure (102) de ladite deuxième plaque (B).
  2. Paire de plaques selon la revendication 1, dans laquelle chaque rainure (101, 102) est inclinée d’un angle α non nul et non droit par rapport à un côté dudit panneau central, l’angle α est supérieur ou égal à 10°, de préférence est compris entre 10 et 80° bornes incluses, et de manière préférentielle entre 30 et 70° bornes incluses, et de manière préférée entre 40 et 50° bornes incluses.
  3. Paire de plaques selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle chaque rainure (102) de ladite deuxième plaque (B) est décalée par rapport à chaque rainure (101) de ladite première plaque (A) dans une direction perpendiculaire (DD) auxdites rainures (101, 102) desdites première et deuxième plaques (A, B).
  4. Paire de plaques selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle chaque panneau central de chaque plaque (A, B) comporte une pluralité de rainures (101, 102) parallèles entre elles, et préférentiellement régulièrement espacées.
  5. Paire de plaques selon la revendication 4, dans laquelle l’espacement régulier (p) entre lesdites rainures (101) de ladite première plaque (A) est identique à l’espacement régulier (p) entre lesdites rainures (102) de ladite deuxième plaque (B).
  6. Paire de plaques selon les revendications 3 et 5, dans laquelle le décalage (s) dans la direction (DD) perpendiculaire auxdites rainures (101, 102) a une distance comprise entre un tiers et deux tiers dudit espacement régulier (p), et vaut de préférence la moitié dudit espacement régulier (p).
  7. Paire de plaques selon l’une des revendications 4 à 6, dans laquelle l’espacement régulier (p) entre deux rainures successives est compris entre 10 et 80 mm bornes incluses, de préférence entre 20 et 60 mm bornes incluses.
  8. Paire de plaques selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle chaque rainure (101, 102) a une section transversale dont la forme est choisie parmi un arc de cercle, un demi-cercle, un U, un V, une ellipse, une aile d’avion, de préférence la forme est choisie parmi un arc de cercle et une aile d’avion.
  9. Paire de plaques selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la largeur (w) de chaque rainure (101, 102) est comprise entre 4 et 30 mm bornes incluses, de préférence entre 6 et 25 mm bornes incluses.
  10. Paire de plaques selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la hauteur (e) de saillie de chaque rainure est comprise entre 1,5 et 6 mm bornes incluses, de préférence entre 2 et 5 mm bornes incluses.
  11. Paire de plaques selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle toutes les rainures (101, 102) des première et deuxième plaques (A, B) possèdent la même section transversale, la même largeur (w) et la même hauteur (e) de saillie.
  12. Paire de plaques selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite première plaque (A) et ladite deuxième plaque (B) sont reliées au moyen d’un ou deux panneau(x) de jonction agencé(s) sur un ou deux côté(s) d’un panneau central.
  13. Empilement de paires de plaques d’échangeur de chaleur comprenant au moins deux paires de plaques (A, B) selon l’une des revendications précédentes, lesdites paires de plaques (A, B) étant empilées de telle sorte que lesdites paires de plaques (A, B) successives soient espacées, dans lequel, pour deux paires de plaques successives désignées respectivement première paire de plaques et deuxième paire de plaques :
    1. Ladite première paire de plaques et ladite deuxième paire de plaques sont disposées parallèlement l’une à l’autre et en regard l’une de l’autre, l’espace (V) entre les plaques de chaque paire de plaques formant un canal pour l’écoulement d’un premier fluide (F1),
    2. L’espace (Z) entre ladite première paire de plaques et ladite deuxième paire de plaques forme un canal pour l’écoulement d’un deuxième fluide (F2), ladite deuxième paire de plaques étant préférentiellement identique à ladite première paire de plaques, ou étant une image en miroir de ladite première paire de plaques.
  14. Empilement de paires de plaques selon la revendication 13, dans lequel ledit canal pour l’écoulement du deuxième fluide (F2) est perpendiculaire audit canal pour l’écoulement du premier fluide (F1).
  15. Echangeur de chaleur à plaques comprenant des paires de plaques selon l’une des revendications 1 à 12 ou un empilement de paires de plaques selon l’une des revendications 13 ou 14, lesdites paires de plaques ou ledit empilement de paires de plaques étant disposés dans un châssis.
  16. Procédé de fabrication d’un empilement de paires de plaques selon l’une des revendications 13 ou 14, ou d’un échangeur de chaleur selon la revendication 15, caractérisé en ce qu’on met en œuvre les étapes suivantes :
    1. On prépare au moins quatre plaques (A, B) comportant chacun un panneau central ;
    2. Pour une première moitié desdites plaques (A), on forme ladite au moins une rainure (101) dans le panneau central de chaque plaque, notamment par emboutissage ;
    3. Pour une deuxième moitié desdites plaques (B), on forme ladite au moins une rainure (102) dans le panneau central de chaque plaque, notamment par emboutissage ;
    4. On assemble au moins deux paires de plaques, pour chaque paire de plaques, on agence une première plaque (A) de ladite première moitié desdites plaques parallèlement à une deuxième plaque (B) de ladite deuxième moitié desdites plaques, de telle sorte que les rainures (101, 102) soient parallèles et en saillie dans le volume interne (V) entre lesdites plaques (A, B), et éventuellement avec un décalage de chaque rainure (101) de la première plaque (A) par rapport à chaque rainure (102) de la deuxième plaque (B) selon une direction (DD) perpendiculaire auxdites rainures (101, 102) ; et
    5. On empile lesdites au moins deux paires de plaques parallèlement et espacées les unes des autres.
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