WO1993022608A1 - Echangeur de chaleur a plaques soudees - Google Patents

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WO1993022608A1
WO1993022608A1 PCT/FR1993/000434 FR9300434W WO9322608A1 WO 1993022608 A1 WO1993022608 A1 WO 1993022608A1 FR 9300434 W FR9300434 W FR 9300434W WO 9322608 A1 WO9322608 A1 WO 9322608A1
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WO
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plates
heat exchanger
welded
gutters
exchanger
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PCT/FR1993/000434
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English (en)
Inventor
Jean-Noël FERNANDEZ
Original Assignee
Fernandez Jean Noel
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Priority to EP93910087A priority patent/EP0639258B1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/001—Casings in the form of plate-like arrangements; Frames enclosing a heat exchange core
    • 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
    • F28D9/0031—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 paired plates touching each other
    • F28D9/0037—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 paired plates touching each other the conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
    • 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
    • F28D9/02—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 heat-exchange media travelling at an angle to one another
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2240/00—Spacing means

Definitions

  • the present invention relates to a welded plate heat exchanger, comprising generally stamped metal plates, assembled in pairs by welding and forming stacked modular elements, defining two independent circuits, c ' that is to say without communication with each other, respectively for a first fluid and for a second fluid having to exchange heat with each other.
  • the latter can themselves be classified into two types: a first type in which the exchange surface is produced, as for plate and joint exchangers, from seasoned plates, the multitude of contact points of a plate stacked on top of another, arranged in opposite directions, ensuring here the mechanical strength of the assembly; and a second type in which a circuit element belonging to the first circuit is produced by the assembly by welding of two previously stamped plates, while the second circuit of the exchanger results from the assembly of two modular elements defining the first circuit , or simply intervals between these elements of the first circuit.
  • This latter type of exchanger, to which the present invention relates is known for example from the documents EP-A-0165179 and EP-A-0186592.
  • the heat exchange surface being either grooved or supplemented by profiled elements inserted in the channels defined between the plates, does not allow mechanical cleaning of the exchanger and does not avoid obstruction of circuits, in the case of fluids loaded with fibers or other suspended materials.
  • the present invention aims to eliminate all these drawbacks, by providing a heat exchanger with welded plates, of the type concerned, easily mechanically cleanable in all its internal parts therefore usable for the exchange of heat between two charged and / or dirtying fluids, and removing all constraints differential expansion, while being achievable relatively simple and economical without altering the original properties of the material of the plates.
  • a heat exchanger with welded plates according to the invention all of the plates, joined together so as to form an exchange block of rectangular section, is assembled by welding to four parallel gutters arranged in correspondence with the four angles of said rectangular section, the four corner gutters partially surrounding four respective uprights belonging to the frame of the exchanger, each upright being produced in one or more pieces capable of sliding in the corresponding corner gutter.
  • the frame includes not only the four uprights, but also two end bases, to which the opposite ends of the uprights are assembled. This frame is completed on the lateral faces by four removable doors, which are fixed on their periphery, in particular by screwing, against the portions of the uprights not covered by the corner gutters, as well as against the edges of the two end bases.
  • the stacked modular elements of the exchange block are each made from two rectangular elementary plates each having, at each of its four angles, a rectangular cutout having a buttonhole its internal angle, the edges of each elementary plate being bent at 90 ° alternately in one direction and in the other to form four generatrices on which are welded, respectively, the four corner gutters.
  • This advantageous precut, characterized by buttonholes allows in each corner of the exchange block the obtaining of a continuous generator in particular vertical, while respecting the maximum hardening rates imposed by the building codes, generator on which can then be welded, by simple butt welding, the corresponding corner gutter. This minimizes the tensions associated with manufacturing (forming, welding), in addition to the constraints linked to use (differential expansion).
  • the four angle gutters are distributed in two pairs of gutters in each of which two gutters are joined to one another by a wall in which are formed parallel transverse openings , on the edges of which the ends of the elements of a first circuit are welded by docking, each consisting of two elementary plates assembled together by welding, while the free spaces between these circuit elements define the second circuit of the exchanger .
  • the exchange block also comprises two cruciform end plates which, in combination with the faces of the four corner gutters, delimit four lateral distribution boxes, with a first pair of opposite distribution boxes associated with the first circuit, and another pair of opposite distribution boxes associated with the second heat exchanger circuit.
  • the exchange block has superimposed channels, delimited by the plates, the channels emerging alternately in the first pair of distribution boxes and in the second pair of boxes. of distribution. These channels are free passage, and are all accessible from the four lateral faces of the exchanger, after dismantling the doors, for their mechanical cleaning.
  • the distribution boxes being made directly from the corner gutters, the invention also solves the problem posed by the welding between the exchange block and the distribution boxes, the whole “exchange block - distribution chambers "being uniform in thickness (which basically differentiates the invention from the state of the art according to the aforementioned document EP-A-0186592).
  • the exchanger according to the invention has the advantages of the various known types of plate exchangers, but also offers: • - a better guarantee in terms of corrosion-fatigue (reduced work hardening rates);
  • the exchange block being homogeneous in thickness and expanding axially in a free manner relative to the frame;
  • FIG. 1 is a plan view of a plate elementary, before stamping, allowing a exchanger according to the invention according to a first embodiment;
  • Figure 2 is a perspective view showing the configuration of the plate of Figure 1, after stamping;
  • FIG. 3 is an illustration of the assembly operation by welding of two elementary plates according to Figures 1 and 2;
  • Figure 4 is a perspective representation of a modular element, obtained by the assembly according to Figure 3;
  • Figure 5 is an exploded perspective representation of the elementary plates of an exchanger according to a second embodiment of the invention
  • Figure 6 is a cross-sectional view of a circuit element obtained from the elementary plates of Figure 5;
  • Figure 7 is a plan view of a sheet for making the end plates of the exchanger, in one or the other of the two embodiments;
  • Figure 8 is a horizontal sectional view showing the attachment of the modular elements to the vertical gutters, in the first embodiment of the exchanger according to the invention
  • Figure 9 is a partial perspective view of the second embodiment of the exchanger according to the invention, illustrating the docking of the circuit elements on the vertical gutters;
  • Figure 10 is an overall view, in elevation, of an exchanger according to the invention, according to one or the other of the two embodiments;
  • Figure 11 is a vertical sectional view of the exchanger, along XI-XI of Figure 10;
  • Figure 12 is a horizontal sectional view of this exchanger, along XII-XII of Figure 10;
  • Figure 13 is an exploded perspective representation of the first embodiment of the exchanger according to the invention;
  • Figure 14 is an exploded perspective representation of the second embodiment of the exchanger according to the invention.
  • the heat exchanger according to the invention is, in general, an exchanger with two independent circuits, of the type consisting of superposed modular elements, produced so as to constitute sections substantially rectangular with free passage.
  • this exchanger there will be described below, alternately, two embodiments of this exchanger, so as to highlight their common points and their differences, while following the order of the manufacturing operations.
  • the modular elements are made from metal plates 1, stamped and assembled two by two in opposition ( Figures 1 to 4).
  • Each plate is a precut sheet, comprising square cutouts 2 at its four angles; each of the four cut-outs 2 itself has a buttonhole 3 at its internal angle - see Figure 1.
  • the four cutouts 2 and their buttonholes 3 allow, as illustrated in FIG. 2, the shaping of the plate 1 by stamping.
  • two parallel folds 4 are produced at 90 °, so that the opposite edges 5 adjacent to these folds 4 are turned upwards.
  • two other parallel folds 6 are produced at 90 °, so that the opposite edges 7 adjacent to these folds 6 are turned downwards.
  • the respective adjacent ends 8 and 9 of the edges 5 and 7, turned one up and the other down, are located on the same vertical generator 10.
  • Two elementary plates 1, stamped as just indicated, are arranged in opposite directions, and assembled to each other by welding to form a modular element 12 of the exchanger.
  • the two plates 1 are placed in opposition, so that their respective stamped bosses 11 are brought together and matched, and an electric resistance welding operation is carried out by means of opposite welding electrodes 13 and 14, for securing by their flat bottoms the two bosses 11 of each pair of bosses brought into correspondence.
  • the modular base elements 17 are also produced, each by two plates 18 and 19 made of sheet metal, assembled together.
  • the first plate 18, of square shape remains flat.
  • the second plate 19, generally square in shape, is deformed by stamping, so as to have two opposite edges 20 folded at a certain inclination, and a series of ribs 21, parallel to each other and to the folded edges 20.
  • the first plate 18 is applied to the second plate 19, and spot welded or to the wheel on the latter. More particularly, two opposite sides 22 of the first plate 18 are thus welded to the folded edges 20 of the second plate 19, and one face of the first plate 18 is welded to the tops of the ribs 22 of the second plate 19.
  • Basic elements 17 (FIG. 6) are thus obtained which are circuit elements, with a plurality of parallel passages 23 open at their two ends. These basic elements 17, arranged one above the other with the same orientation, are also welded to vertical gutters.
  • two vertical gutters 16 proper located at two consecutive angles of the exchanger, are joined to each other by a vertical wall 24, in which are arranged horizontal lights 25 superimposed, generally trapezoidal in shape, extending practically over the entire width of the wall 24.
  • the ends of the basic elements 17 are welded by docking on the edges of the openings 25.
  • the vertical pitch of these openings 25 determines the spacing between two basic elements 17 consecutive.
  • the set of circuit elements 17 forms a first circuit of the exchanger, and the set of free spaces between these elements 17 defines the second circuit of the exchanger.
  • the four outer edges 27 of the two end plates 26, located respectively at the base and at the top of the exchanger, are folded to be placed in vertical planes.
  • the gutters 16, produced at the four angles of the exchanger, are each presented as a vertical profile, the horizontal section of which is inscribed in a square.
  • Each gutter 16 has two adjacent faces 28 and 29 corresponding to an entire side of this square, and two other faces 30 and 31, extending the previous ones and corresponding to a fraction of the side of said square - see in particular Figure 8, and also the figures 9, 12, 13 and 14.
  • the two consecutive gutters 16, belonging to the same lateral face of the exchanger, are connected to each other at their base and at their top by parts belonging to the two end plates 26, and in particular by the folded edges 27 of these plates. end 26, the assembly being carried out by welding.
  • the four gutters 16 and the two end plates 26 thus delimit, on the four lateral faces of the exchanger, four distribution boxes 32, 33, 34 and 35, opposite in pairs - see FIG. 12
  • a first pair of opposite distribution boxes 32 and 33 ensures the distribution of a fluid in the first circuit of the exchanger, and its collection at the outlet of this first circuit.
  • the second pair of opposing distribution boxes 34 and 35 distributes another fluid in the second circuit of the exchanger, independent of the first, and collects it at the outlet of this second circuit.
  • the structure of the exchanger further comprises four vertical uprights 36, of square horizontal section, respectively arranged at its four angles.
  • Each upright 36 is received in a vertical gutter 16, which partially surrounds it.
  • the base of each upright 36 is assembled at an angle to a lower base 37 of square shape, and the top of each upright 36 is assembled to an angle of an upper base 38 of corresponding square shape.
  • the four side faces of the exchanger are closed, respectively, by four doors 39, 40, 41 and 42, screwed on the vertical uprights 16 and on the two lower 37 and upper 38 bases - see Figures 10 to 14.
  • an exchanger is thus obtained composed on the one hand of a generally parallelepipedal exchange block, including in particular the circuit elements 12 or 17 joined to the gutters 16, and on the other hand of a frame formed by the uprights 36 and the lower 37 and upper 38 bases.
  • the closure of the distribution boxes 32 to 35 by respective screwed doors 39 to 42 easily removable, allows rapid maintenance, in particular for cleaning the two fluid circuits, and access to all the welds. Thanks to its qualities mentioned above, 1 • heat exchanger according to the invention can easily receive very charged fluids or requiring mechanical cleaning of the exchange surfaces.
  • Heat exchangers according to the invention can receive gases or liquids, and they find applications in many fields: chemical industry, heating of residential or other premises, food industry, stationery, etc ... and especially in cases where the nature of the fluids requires mechanical cleaning of the exchange surfaces, for example: diffusion juice in candy, black liquors in stationery, fermentation must in distillery or brewery, ...
  • the invention is not limited to the only two embodiments of this welded plate heat exchanger which have been described above, by way of examples; it embraces, on the contrary, all the variants of implementation and application respecting the same spirit. It is thus, in particular, that one would not depart from the framework of the invention: - by modifications of detail of the shapes, such as those of the elementary plates, or of the configuration of the exchange surface properly said, or even forms of distribution boxes, the square horizontal sections being in particular replaceable by rectangular sections; - by the use of forming and welding techniques, in particular for said plates, other than those mentioned;

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Abstract

Cet échangeur de chaleur comporte deux circuits de fluide indépendants, à libre passage, délimités par des plaques métalliques (18, 19) préalablement embouties, et assemblées par paires par soudure pour former des éléments de circuit modulaires (17). Les éléments de circuit (17) sont empilés, et assemblés par soudage à des gouttières d'angle verticales (16) pour former un bloc d'échange. Les gouttières d'angle (16) entourent partiellement des montants (36), réalisés en une ou plusieurs pièces et appartenant au bâti de l'échangeur qui comprend encore des socles inférieur (37) et supérieur, recevant comme les montant (36) des portes (39) vissées. Le coulissement des montants (36) relativement aux gouttières d'angle (16) supprime toutes contraintes dues aux dilatations différentielles.

Description

"ECHANGEUR DE CHALEUR A PLAQUES SOUDEES" La présente invention concerne un échangeur de chaleur à plaques soudées, comprenant de façon généralement connue des plaques métalliques préalablement embouties, assemblées par paires par soudure et formant des éléments modulaires empilés, définissant deux circuits indépendants, c'est-à-dire sans communication l'un avec l'autre, respectivement pour un premier fluide et pour un deuxième fluide devant échanger de la chaleur 1'un avec l'autre.
L'industrie a maintenant, déjà depuis plusieurs années, tiré de nombreux avantages de l'utilisation des échangeurs de chaleur dits "à plaques", notamment en termes de performances, d'encombrement et de prix. On peut distinguer, de façon générale, les échangeurs à plaques et joints d'une part, et les échangeurs à plaques soudées d'autre part. Ces derniers peuvent être classés eux-mêmes en deux types : un premier type dans lequel la surface d'échange est réalisée, comme pour les échangeurs à plaques et joints, à partir de plaques chevronnées, la multitude de points de contact d'une plaque empilée sur une autre, disposée en sens inverse assurant ici la tenue mécanique de l'ensemble ; et un deuxième type dans lequel un élément de circuit appartenant au premier circuit est réalisé par l'assemblage par soudure de deux plaques préalablement embouties, tandis que le second circuit de l'échangeur résulte de l'assemblage de deux éléments modulaires définissant le premier circuit, ou simplement des intervalles entre ces éléments du premier circuit. Ce dernier type d'echangeur, auquel se rattache la présente invention, est connu par exemple par les documents EP-A- 0165179 et EP-A-0186592.
Quoiqu'apportant chacun de nombreux avantages, les deux types d1échangeurs précédemment définis souffrent tous deux des inconvénients suivants : - Les plaques subissent, du fait de leur formage par emboutissage, un taux d'écrouissage important, donc une altération des propriétés mécaniques et chimiques initiales de leur métal. - Il est impossible d'utiliser des fluides chargés sur leurs deux circuits, ceux-ci n'étant pas l'un et l'autre à libre passage.
- Les contraintes thermiques de dilatation sont mal évacuées ; en particulier, dans le cas du deuxième type d'échangeurs ci-dessus défini, les réalisations des boîtes de distribution des fluides, ou "calandres", avec de fortes épaisseurs, gêne la dilatation et engendre des coûts importants.
Ces inconvénients sont en particulier constatables dans le cas des réalisations connues typiques décrites dans les deux documents précités. Ainsi, dans le document EP-A-0165179, l'échangeur est réalisé à partir de plaques élémentaires horizontales, de forme générale rectangulaire, dont le formage effectué aux quatre angles retourne leurs bords alternativement vers le haut et vers le bas, pour reconstituer une arête verticale. Le matériau de base voit donc déjà ses propriétés fortement altérées à chaque angle. Par ses quatre arêtes verticales ainsi formées, chaque plaque élémentaire est directement soudée sur des montants rigides, appartenant à un bâti constitué de quatre montants et de deux fonds ou socles, respectivement . inférieur et supérieur. Une dilatation différentielle entre le bloc d'échange constitué par l'ensemble des plaques empilées, d'une part, et le bâti d'autre part, n'est alors pas possible et les contraintes de dilatation en résultant peuvent être très importantes, et conduire à une défaillance de l'échangeur. De plus, la surface d'échange thermique étant soit rainurée, soit complétée par des éléments profilés insérés dans les canaux définis entre les plaques, ne permet pas le nettoyage mécanique de l'échangeur et n'évite pas l'obstruction des circuits, dans le cas de fluides chargés de fibres ou d'autres matériaux en suspension.
Dans l'échangeur selon le document PE-A-0186592, des dépressions aménagées dans les plaques permettent de maintenir un écartement entre ces plaques, et de les souder l'une à l'autre, en évitant le gonflement sous l'effet de la pression du canal, appartenant à l'un des circuits de l'échangeur, dans lequel dépassent ces dépressions. Le même canal est en outre fermé par des cordons de soudure, ce qui rend impossible .l'accès à la surface d'échange du côté de ce circuit. L'échangeur est donc utilisable seulement avec un seul fluide chargé, parcourant l'autre circuit, le fluide parcourant le premier circuit devant obligatoirement être propre. Par ailleurs, les plaques assemblées de cet échangeur forment un ensemble monobloc, auquel sont associés des collecteurs d'entrée et de sortie, tandis que cet ensemble est.enserré par des panneaux reliés au moyen de tirants vissés. Cette structure rend possible la dilatation axiale du faisceau d'échange. Par contre, les collecteurs d'entrée et de sortie rapportés doivent résister par leur seule épaisseur à la pression, et ainsi un faisceau en tôles de faible épaisseur doit être soudé à des boîtes de forte épaisseur. Ce genre de soudures est d'une réalisation très délicate, et elles sont le. lieu d'une concentration de contraintes importante. De plus, ces boîtes de forte épaisseur ne se dilatent pas de manière homogène avec le faisceau d'échange dans le sens transversal, et l'on voit ici apparaître d'autres contraintes de tension, en cours d'utilisation.
La présente invention vise à éliminer tous ces inconvénients, en fournissant un échangeur de chaleur à plaques soudées, du genre concerné, facilement nettoyable mécaniquement dans toutes ses parties internes donc utilisable pour l'échange de chaleur entre deux fluides chargés et/ou salissants, et supprimant toutes contraintes de dilatation différentielle, tout en étant réalisable de manière relativement simple et économique sans altération des propriétés d'origine du matériau constitutif des plaques. A cet effet, dans l'échangeur de chaleur à plaques soudées selon l'invention, l'ensemble des plaques, réunies de manière à former un bloc d'échange de section rectangulaire, est assemblé par soudage à quatre gouttières parallèles disposées en correspondance avec les quatre angles de ladite section rectangulaire, les quatre gouttières d'angle entourant partiellement quatre montants respectifs appartenant au bâti de l'échangeur, chaque montant étant réalisé en une ou plusieurs pièces aptes à coulisser dans la gouttière d'angle correspondante. Ainsi, l'ensemble des plaques soudées forme, avec les gouttières qui lui sont liés par soudage, un bloc d'échange qui peut se dilater librement en direction axiale par glissement relatif des montants dans les gouttières d'angle. Le bâti comprend non seulement les quatre montants, mais aussi deux socles extrêmes, auxquels sont assemblées les extrémités opposées des montants. Ce bâti est complété sur les faces latérales par quatre portes amovibles, qui sont fixées sur leur pourtour, notamment par vissage, contre les portions des montants non recouvertes par les gouttières d'angle, ainsi que contre les bords des deux socles extrêmes.
Selon - un premier mode de réalisation de l'invention, les éléments modulaires empilés du bloc d'échange sont réalisés, chacun, à partir de deux plaques élémentaires rectangulaires présentant chacune, à chacun de ses quatre angles, une découpe rectangulaire présentant une boutonnière à son angle intérieur, les bords de chaque plaque élémentaire étant plies à 90° alternativement dans un sens et dans l'autre pour former quatre génératrices sur lesquelles sont soudées, respectivement, les quatre gouttières d'angle. Cette prédécoupe avantageuse, caractérisée par des boutonnières, permet dans chaque angle du bloc d'échange 1'obtention d'une génératrice continue notamment verticale, tout en respectant les taux d•écrouissage maximum imposés par les codes de construction, génératrice sur laquelle pourra ensuite être soudée, par simple soudure bout à bout, la gouttière d'angle correspondante. On minimise ainsi les tensions liés à la fabrication (formage, soudage) , en plus des contraintes liées à l'utilisation (dilatation différentielle) .
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, les quatre gouttières d'angle.se répartissent en deux paires de gouttières dans chacune desquelles deux gouttières sont réunies l'une à l'autre par une paroi dans laquelle sont ménagées des lumières transversales parallèles, sur les bords desquelles sont soudés par accostage les extrémités des éléments d'un premier circuit constitués, chacun, par deux plaques élémentaires assemblées entre elles par soudage, tandis que les espaces libres entre ces éléments de circuit définissent le second circuit de l'échangeur.
Dans ce mode de réalisation également, faisant appel à un soudage par accostage, les taux d'écrouissage sont réduits. Avantageusement, le bloc d'échange comprend encore deux plaques d'extrémité cruciformes qui, en combinaison avec des faces des quatre gouttières d'angle, délimitent quatre boîtes de distribution latérales, avec une première paire de boîtes de distribution opposées associées au premier circuit, et une autre paire de boîtes de distribution opposées associées au second circuit de 1'échangeur.
Globalement, le bloc d'échange présente des canaux superposés, délimités par les plaques, les canaux débouchant alternativement dans la première paire de boîtes de distribution et dans la seconde paire de boîtes de distribution. Ces canaux sont à libre passage, et sont tous accessibles depuis les quatre faces latérales de l'échangeur, après démontage des portes, pour leur nettoyage mécanique. Les boîtes de distribution étant directement réalisées à partir des gouttières d'angle, l'invention résoud aussi le problème posé par la soudure entre le bloc d'échange et les boîtes de distribution, l'ensemble "bloc d'échange - chambres de distribution" étant homogène en épaisseur (ce qui différencie fondamentalement l'invention de l'état de la technique selon le document précité EP-A-0186592) .
Dans l'ensemble, l'échangeur selon l'invention présente les avantages des différents types connus d'échangeurs à plaques, mais offre en outre : • - une meilleure garantie en termes de corrosion- fatigue (taux d'écrouissage réduits) ;
- une fiabilité accrue, toutes les soudures étant visibles et contrôlables ;
- une souplesse fortement améliorée, le bloc d'échange étant homogène en épaisseur et se dilatant axialement de manière libre par rapport au bâti ;
- une amélioration en matière de maintenance, grâce à l'accès offert par les quatre côtés aux deux circuits internes ; - une universalité d'application, grâce à la suppression des "contraintes thermiques qui permet un fonctionnement satisfaisant en discontinu, et grâce aux canaux à libre passage autorisant la circulation de tout fluide même chargé. De -toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, deux modes de réalisation de cet échangeur de chaleur à plaques soudées : Figure 1 est une vue en plan d'une plaque élémentaire, avant emboutissage, permettant de réaliser un échangeur conforme à 1'invention selon un premier mode de réalisation ;
Figure 2 est une vue en perspective montrant la configuration de la plaque de figure 1, après emboutissage ;
Figure 3 est une illustration de l'opération d'assemblage par soudure de deux plaques élémentaires selon les figures 1 et 2 ;
Figure 4 est une représentation en perspective d'un élément modulaire, obtenu par l'assemblage selon la figure 3 ;
Figure 5 est une représentation en perspective éclatée des plaques élémentaires d'un échangeur selon un deuxième mode de réalisation de 1'invention ; Figure 6 est une vue en coupe transversale d'un élément de circuit obtenu à partir des plaques élémentaires de la figure 5 ;
Figure 7 est une vue en plan d'une tôle permettant la réalisation des plaques d'extrémité de l'échangeur, dans l'un ou l'autre des deux modes de réalisation ;
Figure 8 est une vue en coupe horizontale montrant la fixation des éléments modulaires aux gouttières verticales, dans le premier mode de réalisation de 1'échangeur selon 1'invention ; Figure 9 est une représentation partielle en perspective relative au deuxième mode de réalisation de l'échangeur selon l'invention, illustrant l'accostage des éléments de circuit sur les gouttières verticales ;
Figure 10 est une vue d'ensemble, en élévation, d'un échangeur conforme à l'invention, selon l'un ou l'autre des deux modes de réalisation ;
Figure 11 est une vue en coupe verticale de l'échangeur, suivant XI-XI de figure 10 ;
Figure 12 est une vue en coupe horizontale de cet échangeur, suivant XII-XII de figure 10 ; Figure 13 est une représentation en perspective éclatée du premier mode de réalisation de l'échangeur conforme à l'invention ;
Figure 14 est une représentation en perspective éclatée du deuxième mode de réalisation de l'échangeur conforme à l'invention.
Si l'on se reporte aux figures annexées, l'échangeur de chaleur selon l'invention est, d'une manière générale, un échangeur à deux circuits indépendants, du type constitué d'éléments modulaires superposés, réalisés de manière à constituer des sections sensiblement rectangulaires à libres passages. On décrira ci-après, en alternance, deux modes de réalisation de cet échangeur, de manière à mettre en évidence leurs points communs et leurs différences, tout en suivant l'ordre des opérations de fabrication.
Selon un premier mode de réalisation, les éléments modulaires sont réalisés à partir de plaques métalliques 1, embouties et assemblées deux par deux en opposition (figures 1 à 4) .
Chaque plaque 1, d'allure générale carrée, est une tôle prédécoupée, comportant des découpes carrées 2 à ses quatre angles ; chacune des quatre découpes 2 présente elle-même, à son angle intérieur, une boutonnière 3 - voir figure 1.
Les quatre découpes 2 et leurs boutonnières 3 permettent, comme l'illustre la figure 2, la mise en forme de la plaque 1 par emboutissage. Le long de deux côtés opposés de la plaque 1, sont réalisés deux plis parallèles 4 à 90°, de sorte que les bords opposés 5 voisins de ces plis 4 soient tournés vers le haut. Le long des deux autres côtés opposés de la plaque 1, sont réalisés deux autres plis parallèles 6 à 90°, de sorte que les bords opposés 7 voisins de ces plis 6 soient tournés vers le bas. A chaque angle de la plaque 1, les extrémités adjacentes respectives 8 et 9 des bords 5 et 7, tournés l'un vers le haut et l'autre vers le bas, sont situés sur une même génératrice verticale 10.
Dans la région centrale carrée de la plaque 1, délimitée par les plis 4 et 6, sont formés par emboutissage des bossages 11 en forme de cuvettes tronconiques à fond plat, disposées selon une répartition régulière. La profondeur des bossages 11 est égale à la hauteur des bords plies 5 et 7.
Deux plaques élémentaires 1, embouties comme il vient d'être indiqué, sont disposées en sens opposés, et assemblées l'une à l'autre par soudure pour constituer un élément modulaire 12 de l'échangeur. Comme l'illustre la figure 3, les deux plaques 1 sont placées en opposition, de sorte que leurs bossages emboutis 11 respectifs soient rapprochés et mis en correspondance, et l'on procède à une opération de soudage électrique par résistance, au moyen d'électrodes de soudage opposées 13 et 14, pour solidariser par leurs fonds plats les deux bossages 11 de chaque paire de bossages amenés en correspondance. Une fois cette opération de soudage réalisée, on obtient l'élément modulaire 12 représenté à la figure 4, de section horizontale carrée, dont les génératrices 10 situées aux quatre angles contiennent les extrémités de tous les bords plies 5 et 7 des deux plaques élémentaires 1. Les premiers bords plies 5 s'étendent en sens opposés, de manière à former entre eux deux ouvertures rectangulaires allongées 15, sur deux côtés opposés de l'élément modulaire 12. Les autres bords plies 7 s'étendent les uns vers les autres, de manière à fermer l'élément modulaire 12 sur ses deux autres côtés. D'une manière décrite en détail plus bas, les éléments modulaires 12 tels que définis ci-dessus sont empilables, leurs génératrices 10 venant en coïncidence, et des gouttières verticales 16 (figures 8 et suivantes) sont soudées à ces éléments modulaires, aux quatre angles, suivant ces génératrices 10. Selon un deuxième mode de réalisation de l'échangeur conforme à l'invention (figures 5 et 6), les éléments de base modulaires 17 sont aussi réalisés, chacun, par deux plaques 18 et 19 en tôle, assemblées entre elles. La première plaque 18, de forme carrée, reste plane. La seconde plaque 19, d'allure générale carrée, est déformée par emboutissage, de manière à présenter deux bords opposés 20 plies selon une certaine inclinaison, et une série de nervures 21, parallèles entre elles et aux bords plies 20. La première plaque 18 est appliquée sur la seconde plaque 19, et soudée par points ou à la molette sur cette dernière. Plus particulièrement, deux côtés opposés 22 de la première plaque 18 sont ainsi soudés sur les bords plies 20 de la seconde plaque 19, et une face de la première plaque 18 est soudée sur les sommets des nervures 22 de la seconde plaque 19.
On obtient ainsi des éléments de base 17 (figure 6) qui sont des éléments de circuit, avec une pluralité de passages parallèles 23 ouverts à leurs deux extrémités. Ces éléments de base 17, disposés les uns au-dessus des autres avec la même orientation, sont également soudés à des gouttières verticales.
Plus particulièrement, comme l'illustre la figure 9, deux gouttières verticales 16 proprement dites, situées à deux angles consécutifs de l'échangeur, sont réunies l'une à l'autre par une paroi verticale 24, dans laquelle sont ménagées des lumières horizontales 25 superposées, d'allure générale trapézoïdale, s'étendant pratiquement sur toute la largeur de la paroi 24. Les extrémités des éléments de base 17 sont soudées par accostage sur les bords des lumières 25. Le pas vertical de ces lumières 25 détermine l'espacement entre deux éléments de base 17 consécutifs. L'ensemble des éléments de circuit 17 forme un premier circuit de l'échangeur, et l'ensemble des espaces libres entre ces éléments 17 définit le deuxième circuit de l'échangeur. Pour constituer cet échangeur, on prévoit encore, dans les deux modes de réalisation, des plaques d'extrémité horizontales 26 réalisées à partir de tôles ayant une allure de croix potencée (figure 7) . Les quatre bords extérieurs 27 des deux plaques d'extrémité 26, situées respectivement à la base et au sommet de l'échangeur, sont plies pour être mis dans des plans verticaux.
Les gouttières 16, réalisées aux quatre angles de l'échangeur, se présentent chacune comme un profilé vertical, dont la section horizontale s'inscrit dans un carré. Chaque gouttière 16 possède deux faces adjacentes 28 et 29 correspondant à un côté entier de ce carré, et deux autres faces 30 et 31, prolongeant les précédentes et correspondant à une fraction du côté dudit carré - voir notamment la figure 8, et aussi les figures 9, 12, 13 et 14.
Les deux gouttières 16 consécutives, appartenant à une même face latérale de 1'échangeur, sont raccordées entre elles à leur base et à leur sommet par des parties appartenant aux deux plaques d'extrémité 26, et notamment par les bords plies 27 de ces plaques d'extrémité 26, l'assemblage étant réalisé par soudage. Dans l'ensemble, les quatre gouttières 16 et les deux plaques d'extrémité 26 délimitent ainsi, sur les quatre faces latérales de l'échangeur, quatre boîtes de distribution 32,33,34 et 35, opposées deux à deux - voir figure 12. Une première paire de boîtes de distribution opposées 32 et 33 assure la répartition d'un fluide dans le premier circuit de l'échangeur, et sa collecte à la sortie de ce premier circuit. La seconde paire de boîtes de distribution oposées 34 et 35 assure la répartition d'un autre fluide dans le deuxième circuit de l'échangeur, indépendant du premier, et sa collecte à la sortie de ce deuxième circuit. Cette description des boîtes de distribution 32 à 35 s'applique aux deux modes de réalisation. En se référant aux figures 8 et 12 à 14, la structure de l'échangeur comprend encore quatre montants verticaux 36, de section horizontale carrée, disposés respectivement à ses quatre angles. Chaque montant 36 est reçu dans une gouttière verticale 16, qui l'entoure partiellement. La base de chaque montant 36 est assemblée à un angle d'un socle inférieur 37 de forme carrée, et le sommet de chaque montant 36 est assemblé à un angle d'un socle supérieur 38 de forme carrée correspondante. Les quatre faces latérales de l'échangeur sont fermées, respectivement, par quatre portes 39, 40, 41 et 42, vissées sur les montants verticaux 16 et sur les deux socles inférieur 37 et supérieur 38 - voir figures 10 à 14. Certaines portes 39 et 40 sont traversées par des tubulures respectives 43 et 44 d'entrée et de sortie de fluide, pour l'arrivée dans l'échangeur et le départ, des fluides appelés à parcourir les deux circuits internes de l'échangeur. Les dispositions nécessaires à 1*étanchéité, notamment au niveau des portes, ne sont pas décrites ici mais doivent naturellement être prévues, selon les techniques usuelles.
Dans l'ensemble, on obtient ainsi un échangeur composé d'une part d'un bloc d'échange globalement parallélèpipédique, incluant notamment les éléments de circuits 12 ou 17 réunis aux gouttières 16, et d'autre part d'un bâti formé par les montants 36 et les socles inférieur 37 et supérieur 38. L'absence de liaison par soudure entre le bloc d'échange et le bâti, notamment entre les gouttières 16 et les montants 36, permet d'éviter toutes contraintes de dilatation différentielle. La fermeture des boîtes de distribution 32 à 35 par des portes respectives 39 à 42 vissées, facilement démontables, permet une maintenance rapide, notamment pour le nettoyage des deux circuits de fluide, et un accès à toutes les soudures. Grâce à ses qualités précédemment mentionnées, 1•échangeur de chaleur selon 1'invention peut recevoir aisément des fluides très chargés ou imposant des nettoyages mécaniques des surfaces d'échange. Le formage des plaques élémentaires en général, comme l'accostage de ces plaques sur d'autres parois dans le deuxième mode de réalisation, se faisant sans altérer les caractéristiques mécaniques de base du matériau (taux d*écrouissage inférieur à 15%), il est possible d'utiliser cet échangeur en milieu fortement chloruré, ceci en toute sécurité et sans faire appel à • des techniques métallurgiques de détensionnement, telles que recuit ou trempe.
Des échangeurs de chaleur selon 1'invention peuvent recevoir des gaz ou des liquides, et ils trouvent des applications dans de nombreux domaines : industrie chimique, chauffage de locaux d'habitation ou autres, industrie agro-alimentaire, papeterie, etc... et tout particulièrement dans des cas où la nature des fluides impose un nettoyage mécanique des surfaces d'échange, par exemple : jus de diffusion en sucrerie, liqueurs noires en papeterie, moût de fermentation en distillerie ou en brasserie, ...
Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux deux seuls modes de réalisation de cet échangeur de chaleur à plaques soudées qui ont été décrits ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même esprit. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de 1•invention : - par des modifications de détail des formes, telles que celles des plaques élémentaires, ou de la configuration de la surface d'échange proprement dite, ou encore des formes des boîtes de distribution, les sections horizontales carrées étant notamment remplaçables par des sections rectangulaires ; - par l'utilisation de techniques de formage et de soudage, notamment pour lesdites plaques, autres que celles mentionnées ;
- par la réalisation des montants en deux ou plusieurs pièces, notamment pour accompagner la dilatation axiale du bloc d'échange ;
- par une utilisation non pas verticale, mais horizontale, de cet échangeur de chaleur, les termes "vertical" et "horizontal" employés dans la description précédente n'ayant qu'une valeur indicative, en relation avec les figures décrites.

Claims

REVENDICATIONS
1. Echangeur de chaleur à plaques soudées, comprenant des plaques métalliques (1 ; 18,19) préalablement embouties, assemblées par paires par soudure et formant des éléments modulaires (12,17) empilés définissant deux circuits. indépendants respectivement pour un premier fluide et pour un deuxième fluide, caractérisé en ce que l'ensemble des plaques (1 ; 18,19) réunies de manière à former un bloc d'échange de section rectangulaire, est assemblé par soudage à quatre gouttières (16) parallèles disposées en correspondance avec les quatre angles de ladite section rectangulaire, les quatre gouttières d'angles (16) entourant partiellement quatre montants (36) respectifs appartenant au bâti de l'échangeur, chaque montant (36) étant réalisé en une ou plusieurs pièces aptes à coulisser dans la gouttière d'angle (16) correspondante.
2. Echangeur de chaleur à plaques soudées selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments modulaires empilés (12) du bloc d'échange sont réalisés, chacun, à partir de deux plaques élémentaires rectangulaires (1) présentant chacune, à chacun de ses quatre angles, une découpe rectangulaire (2) présentant une boutonnière (3) à son angle intérieur, les bords (5,7) de chaque plaque élémentaire (1) étant plies (en 4,6) à 90° alternativement dans un sens et dans l'autre pour former quatre génératrices (10) sur lesquelles sont soudées, respectivement, les quatre gouttières d'angle (16).
3. Echangeur de chaleur à plaques soudées selon la revendication 2, caractérisé en ce que des bossages (11) en forme de cuvettes à fond plat sont formés par emboutissage dans la région centrale des plaques élémentaires (1) , les bossages emboutis (11) respectifs de deux plaques élémentaires (l) , placées en opposition pour former un élément modulaire (12) , étant solidarisés par leurs fonds plats, par une opération de soudage, pour assembler les deux plaques élémentaires (1) l'une à 1'autre.
4. Echangeur de chaleur à plaques soudées selon la revendication 1, caractérisé en ce que les quatre gouttières d'angle (16) se répartissent en deux paires de gouttières, dans chacune desquelles deux gouttières (16) sont réunies l'une à l'autre par une paroi (24) dans laquelle sont ménagées des lumières transversales (25) parallèles, sur les bords desquelles sont soudés par accostage des éléments (17) d'un premier circuit constitués, chacun, par deux plaques élémentaires (18,19) assemblées entre elles par soudage, tandis que les espaces libres entre ces éléments de circuit (17) définissent le second circuit de l'échangeur.
5. Echangeur de chaleur à plaques soudées selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque élément de circuit (17) se compose d'une plaque élémentaire plane (18) et d'une seconde plaque élémentaire (19) déformée par emboutissage, avec deux bords opposés plies (20) et une série de nervures (21) parallèles entre elles et aux bords plies (20), les deux plaques élémentaires (18,19) étant assemblées l'une à 1'autre par soudage au niveau des bords plies (20) et des sommets des nervures (21) .
6. Echangeur de chaleur à plaques soudées selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le bloc d'échange comprend encore deux plaques d'extrémité cruciformes (26,27) qui, en combinaison avec des faces (28,29) des quatre gouttières d'angle (16), délimitent quatre boîtes de distribution (32,33,34,35) latérales, avec une première paire de boîtes de distribution opposées (32,33) associées au premier circuit, et une seconde paire de boîtes de distribution opposées (34,35) associées au second circuit de l'échangeur.
7. Echangeur -de chaleur à plaques soudées selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les quatre montants (36) de son bâti présentent chacun une section carrée, et en ce que chaque gouttière d'angle (16), se présentant comme un profilé dont la section s'inscrit dans un carré, possède deux faces adjacentes (28,29) correspondant à un côté entier de ce carré, et deux autres faces (30, 31) , prolongeant les précédentes et correspondant à une fraction du côté dudit carré.
8. Echangeur de chaleur à plaques soudées selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que son bâti comporte, outre les quatre montants (36) , deux socles extrêmes (37,38) auxquels sont assemblées les extrémités opposées des montants (36) , ce bâti étant complété sur les faces latérales par quatre portes (39,40,41,42) amovibles fixées sur leur pourtour, notamment par vissage, contre les portions des montants (36) non recouvertes par les gouttières d'angle (16), ainsi que contre les bords des deux socles extrêmes (37,38) .
9. Echangeur de chaleur à plaques soudées selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les deux circuits de fluide indépendants sont à libre passage et nettoyables mécaniquement après démontage des portes (39,40,41,42), les deux circuits étant aptes à être parcourus l'un et l'autre par des fluides chargés.
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