WO2002001135A9 - Echangeur spirale multiecartement - Google Patents

Echangeur spirale multiecartement

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WO2002001135A9
WO2002001135A9 PCT/FR2001/002045 FR0102045W WO0201135A9 WO 2002001135 A9 WO2002001135 A9 WO 2002001135A9 FR 0102045 W FR0102045 W FR 0102045W WO 0201135 A9 WO0201135 A9 WO 0201135A9
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sheet
external
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Jean-Marie Gueguen
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Jean-Marie Gueguen
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    • 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
    • F28D9/04—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 being formed by spirally-wound plates or laminae
    • 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
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element

Definitions

  • the present invention relates to exchangers and in particular exchangers intended to ensure a heat exchange between two fluids to be separated from each other. It relates more particularly to spiral type exchangers produced by winding sheets, in particular of metal sheets.
  • exchangers of this type generally consist of two sheets of sheet metal, held apart by pins, which are wound, the spacing of each of the successive turns of this winding also being obtained by means of pins, these pins being formed by a deformation of metal, such as in particular a stamping. After winding, the edges of the sheets are welded so as to create two independent fluid circuits, namely a first circuit between the two sheets and a second circuit between the various turns of the winding. It is understood that the spacing generated by the pins defines the respective pressure losses of the two fluid circuits of the exchanger. For certain applications, it is advantageous to reduce this pressure drop, which can be obtained by increasing the spacing of the sheets and the turns of the winding.
  • the present invention aims to provide a means for reducing the pressure drop circuits of a coil type exchanger and this by increasing the spacing of the two sheets 1 and / or 1 'spacing of consecutive turns of one heat exchanger and this without increasing the base diameter of the spacer pins used.
  • the present invention thus relates to a spiral-type exchanger, consisting of two nested fluid circuits, namely a first circuit formed by the space between two separated sheets which are wound on themselves and a second circuit formed by 1 space between the successive turns of this winding, characterized in that: the two sheets comprise, on their opposite faces, internal spacer elements and / or on their opposite faces, external spacer elements, - These internal and external spacer elements are arranged, along the longitudinal axis of the sheets, in such a way that once the sheets are wound, the internal and external spacer elements of a sheet come to bear on the internal and external spacer elements corresponding to the other sheet, the end face of at least one of two supporting spacer elements is generally flat.
  • the spacer elements will be formed on the sheets by a deformation process such as in particular a stamping process.
  • the exchanger will comprise, between the internal and / or external spacer elements, corrugations arranged substantially transversely along at least part of the width of the sheets.
  • the exchanger may be most of the time of frustoconical shape, the respective small bases of these truncated cones coming into contact with each other and the surface of these allowing to compensate for the positioning errors of the spacer elements thus produced.
  • the small base of the truncated cone element will be inclined at an angle relative to the plane of the sheet before it is rolled up. Such an arrangement enables self-adjusting of the height of the spacer elements as described below.
  • the angle of inclination of the end faces of the spacer elements with respect to the plane of the sheet will be such that, during winding, the tension which is exerted on an external sheet will have the effect of causing the end face to slide. spacer elements of this sheet on the corresponding end faces of the spacer elements of an inner sheet.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a folded sheet of sheet provided with spacer pins according to the prior art, before the winding step.
  • FIG. 1a is an alternative embodiment of the invention in which the sheets are provided with transverse corrugations arranged between the spacer elements.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view of the sheet metal sheet according to the prior art shown in Figure 1 after the winding step.
  • Figure 3 is a longitudinal sectional perspective view of two sheets intended to constitute a heat exchanger according to the invention before the winding step.
  • Figure 3a is a longitudinal sectional perspective view of two sheets intended to constitute a heat exchanger according to the invention before the winding step and which are provided with the corrugations shown in Figure la.
  • FIG. 4 is a schematic view in cross section of an exchanger according to the invention produced from the metal sheets, shown in FIG. 3.
  • FIG. 4a is an enlarged partial sectional view of an alternative embodiment of part of the winding shown in FIG. 4.
  • Figure 5 is a variant in longitudinal section of two sheets before winding illustrating an alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 5a is an enlarged cross-sectional view of the variant embodiment of the invention shown in FIG. 5.
  • FIG. 6 is an enlarged partial section view of an alternative embodiment of part of the winding shown in FIG. 4.
  • FIG. 1 there is shown schematically, respectively before and after winding, a sheet metal strip intended to constitute an exchanger according to one prior art.
  • This sheet metal strip is cut to length and folded at one of its ends, along its transverse axis xx ′, so that it appears in FIG. 1 as being formed from two sheets, namely an upper sheet 1 and a lower sheet 2.
  • On the upper sheet 1 a series of pins 3a have been produced which are formed by stamping, from the inside to the outside, and on the lower sheet 2, a series has been formed in the same way pins 5b which extend from the outside inwards. Under these conditions, when this assembly of the two sheets 1 and 2 is wound, as shown in FIG. 2, the pins 5b provide the necessary spacing between the sheets 1 and 2 and the pins 3a provide the necessary spacing between the different successive turns.
  • the exchanger according to the invention takes up the general basic principle, as shown in FIGS. 3, 4 and 4a, that is to say that it is also made from a top sheet 1 and a lower sheet 2 on which are formed, also by stamping, pins intended to also ensure well the spacing of the upper sheet 1 and the lower sheet 2 than the spacing between the turns. Is thus achieved, from the sheet 1 two sets of spikes, namely the pins 3a of height h which extend from one inside to one outside and the pins 3b of height h b which extend from one 'outside to inside'.
  • the spacer pins preferably have the shape of truncated cones, that is to say that they extend from the base of the sheets 1 and 2, inwards and / or inwards. outside of these and terminate in a plate 6, namely plates 6a and 6b as regards the pins produced on the sheet 1 and plates 6a 1 and 6b ′ as regards the pins produced on the sheet 2.
  • the respective spacings 1 of the pins along the longitudinal axis yy 1 of the sheets 1 and 2 to be wound up will be determined, either by calculation or by experience, so that, during the phase of winding, the pins 3b of the upper sheet and the pins 5b of the lower sheet are facing each other so that the spacing e of the sheets 1 and 2 is equal to the sum of the height h b and H b of the pins 3b and 5b which extend inwards and that the distance E between the turns is equal to the sum of the height h a and H has pins which extend outwards.
  • the present invention is also advantageous in that 'It ensures self-adjustment correcting variations in the diameter of the turns, the height of the pins, the pitch, which manifests during winding.
  • the pins 3b and 5b are also formed by deformation of the sheet in particular by stamping.
  • the pins thus produced are also of overall frustoconical shape, the small base 6b, 6b 'thereof, that is to say the contact face of the pins with each other, being however inclined at an angle i relative to the plane of the sheet before winding, as shown in Figure 5.
  • the pins belonging to the outer surface of two consecutive turns come into contact, by their respective inclined bases 6b and 6b '.
  • the spacing of the sheets increases the diameter of the winding also increases, so that the top of the pin of the outer sheet 2 is offset from the apex of the pin of the lower plate 1 due to the increase in circumference.
  • the outer sheet 2 then approaches the lower sheet 1 until the spacing becomes equal to that which existed at the start of winding.
  • the slope i formed by the small base of the pins, is large enough to quickly correct the manufacturing tolerances.

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Abstract

La présente invention concerne un échangeur de type spiralé, constitué de deux circuits de fluide imbriqués, un premier circuit formé par l'espace compris entre deux feuilles (1, 2) écartées qui sont enroulées sur elles-mêmes et un circuit formé par l'espace compris entre les spires successives de cet enroulement. Cet échangeur est caractérisé en ce que les deux feuilles (1, 2) comportent, sur leurs faces en regard, des éléments écarteurs, ces éléments écarteurs sont disposés, suivant l'axe longitudinal des feuilles (1, 2), de façon telle, qu'une fois les feuilles enroulées, les éléments écarteurs d'une feuille (1) viennent en appui sur les éléments écarteurs correspondants de l'autre feuille (2), la face extrême d'au moins l'un de deux éléments écarteurs étant en appui est globalement plane.

Description

ECHANGEUR SPIRALE MULTIECARTEMENT
La présente invention concerne les échangeurs et notamment les échangeurs destinés à assurer un échange thermique entre deux fluides devant être séparés l'un de l'autre. Elle concerne plus particulièrement les échangeurs de type spirale réalisés par enroulement de feuilles notamment de tôles métalliques.
On sait que les échangeurs de ce type sont généralement constitués à partir de deux feuilles de tôle, maintenues écartées par des picots, qui sont enroulées, l' ecartement de chacune des spires successives de cet enroulement étant également obtenu au moyen de picots, ces picots étant formés par une déformation de métal, telle que notamment un emboutissage. Après enroulement, on procède à la soudure des bords des feuilles de façon à créer ainsi deux circuits de fluide indépendants, à savoir un premier circuit compris entre les deux feuilles et un second circuit compris entre les diverses spires de l'enroulement. On comprend que 1 ' ecartement généré par les picots définit les pertes de charge respectives des deux circuits de fluide de l' échangeur. Pour certaines applications, il est intéressant de diminuer cette perte de charge , ce que 1 ' on peut obtenir en augmentant 1 ' ecartement des feuilles et des spires de l'enroulement. Cette augmentation de 1 ' ecartement ne peut être obtenue que par une augmentation de la hauteur des picots. Or cette dernière est limitée par la déformabilité du métal utilisé qui, elle-même, est bien entendu fonction de la nature du matériau constitutif des feuilles, de leur épaisseur et du diamètre de base du picot formé. On peut bien entendu augmenter le diamètre de base du picot afin d'augmenter du même coup la hauteur de celui-ci. Cependant, un tel mode de mise en oeuvre présente 1 ' inconvénient d ' augmenter 1 ' importance des obstacles créés et s ' opposant à la circulation du fluide dans les deux circuits, ce qui a pour effet d'augmenter la perte de charge de l' échangeur.
La présente invention a pour but de proposer un moyen permettant de diminuer la perte de charge des circuits d'un échangeur de type spirale et ceci en augmentant l1 ecartement des deux feuilles et/ou 1 ' ecartement des spires consécutives de 1 ' échangeur et ceci sans augmenter pour autant le diamètre de base des picots écarteurs utilisés.
La présente invention a ainsi pour objet un échangeur de type spirale, constitué de deux circuits de fluide imbriqués, à savoir un premier circuit formé par 1 ' espace compris entre deux feuilles écartées qui sont enroulées sur elles-mêmes et un second circuit formé par 1 ' espace compris entre les spires successives de cet enroulement caractérisé en ce que : - les deux feuilles comportent, sur leurs faces respectivement en regard, des éléments écarteurs internes et/ou sur leurs faces opposées, des éléments écarteurs externes, - ces éléments écarteurs internes et externes sont disposés, suivant l'axe longitudinal des feuilles, de façon telle, qu'une fois les feuilles enroulées, les éléments écarteurs internes et externes d'une feuille viennent en appui sur les éléments écarteurs internes et externes correspondants de l'autre feuille, la face extrême d'au moins l'un de deux éléments écarteurs en appui est globalement plane.
Préférentiellement, les éléments écarteurs seront formés sur les feuilles par un procédé de déformation tel que notamment un procédé d'emboutissage.
Dans un mode de mise en oeuvre particulièrement intéressant de l'invention, l' échangeur comportera, entre les éléments écarteurs internes et/ou externes, des ondulations disposées sensiblement transversalement suivant au moins une partie de la largeur des feuilles. Une telle disposition permet, dans l'hypothèse où, notamment pour des raisons de fabrication, deux éléments écarteurs disposés sur un axe transversal de la feuille ne seraient pas rigoureusement d'une même hauteur, ce qui entraînerait une variation de longueur de la feuille lors de 1 ' enroulement , de compenser cette variation de longueur par une déformation de 1 ' ondulation dans le sens longitudinal . Les éléments écarteurs pourront être la plupart du temps de forme tronconique, les petites bases respectives de ces troncs de cône venant en contact l'une avec l'autre et la surface de celles-ci permettant de compenser les erreurs de positionnement des éléments écarteurs ainsi réalisés.
Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, la petite base de l'élément de tronc de cône sera inclinée d'un angle par rapport au plan de la feuille avant son enroulement. Une telle disposition permet de réaliser un autoréglage de la hauteur des éléments écarteurs ainsi qu'exposé ci-après.
Préférentiellement l'angle d'inclinaison des faces extrêmes des éléments écarteurs par rapport au plan de la feuille sera tel que, lors de l'enroulement, la tension que 1 ' on exerce sur une feuille externe aura pour effet de faire glisser la face extrême des éléments écarteurs de cette feuille sur les faces extrêmes correspondantes des éléments écarteurs d'une feuille interne .
On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue schématique en perspective d'une feuille de tôle pliée pourvue de picots écarteurs suivant l'état antérieur de la technique, avant l'étape d'enroulement.
La figure la est une variante de mise en oeuvre de l'invention dans laquelle les feuilles sont pourvues d'ondulations transversales disposées entre les éléments écarteurs. La figure 2 est une vue schématique en coupe transversale de la feuille de tôle suivant l'état antérieur de la technique représentée sur la figure 1 après 1 ' étape d' enroulement. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale et perspective de deux feuilles destinées à constituer un échangeur suivant 1 ' invention avant 1 ' étape d' enroulement.
La figure 3a est une vue en coupe longitudinale et perspective de deux feuilles destinées à constituer un échangeur suivant 1 ' invention avant 1 ' étape d' enroulement et qui sont pourvues des ondulations représentées sur la figure la.
La figure 4 est une vue schématique en coupe transversale d'un échangeur suivant l'invention réalisé à partir des feuilles métalliques, représentées sur la figure 3.
La figure 4a est une vue en coupe partielle agrandie d'une variante de mise en oeuvre d'une partie de 1 ' enroulement représenté sur la figure 4.
La figure 5 est une variante en coupe longitudinale de deux feuilles avant enroulement illustrant une variante de mise en oeuvre de l'invention.
La figure 5a est une vue en coupe transversale agrandie de la variante de mise en oeuvre de 1 ' invention représentée sur la figure 5. La figure 6 est une vue en coupe partielle agrandie d'une variante de mise en oeuvre d'une partie de l'enroulement représenté sur la figure 4.
Sur les figures 1 et 2 on a représenté de façon schématique, respectivement avant et après enroulement, un ruban de tôle destiné à constituer un échangeur suivant 1 ' état antérieur de la technique. Ce ruban de tôle est mis à longueur et plié à l'une de ses extrémités, suivant son axe transversal xx' , si bien qu'il se présente sur la figure 1 comme étant formé de deux feuilles, à savoir une feuille supérieure 1 et une feuille inférieure 2. Sur la feuille supérieure 1 on a réalisé une série de picots 3a qui sont formés par emboutissage, de l'intérieur vers l'extérieur, et sur la feuille inférieure 2 on a formé, de la même façon, une série de picots 5b qui s ' étendent de 1 ' extérieur vers l'intérieur. Dans ces conditions, lorsque l'on enroule cet ensemble des deux feuilles 1 et 2, ainsi que représenté sur la figure 2 , les picots 5b assurent 1' ecartement nécessaire entre les feuilles 1 et 2 et les picots 3a assurent 1 ' ecartement nécessaire entre les différentes spires successives.
L' échangeur suivant 1 ' invention reprend le principe général de base, ainsi que représenté sur les figures 3, 4 et 4a, c'est-à-dire qu'il est également constitué à partir d'une feuille supérieure 1 et d'une feuille inférieure 2 sur lesquelles on forme, également par emboutissage, des picots destinés à assurer aussi bien 1 ' ecartement de la feuille supérieure 1 et de la feuille inférieure 2 que l' ecartement entre les spires. On réalise ainsi, à partir de la feuille 1 deux séries de picots, à savoir des picots 3a de hauteur hâ qui s ' étendent de 1 ' intérieur vers 1 ' extérieur et des picots 3b de hauteur hb qui s ' étendent de 1 ' extérieur vers 1 ' intérieur.
De même on a réalisé à partir de la feuille 2 deux séries de picots, à savoir des picots 5a de hauteur Ha qui s'étendent de l'intérieur vers l'extérieur et des picots 5b de hauteur Hb s'étendent de l'extérieur vers l'intérieur. Suivant l'invention les picots écarteurs ont préférentiellement la forme de troncs de cône, c'est-à- dire qu'ils s'étendent à partir de la base des feuilles 1 et 2, vers l'intérieur et/ou vers l'extérieur de celles- ci et se terminent par un plateau 6 à savoir des plateaux 6a et 6b en ce qui concerne les picots réalisés sur la feuille 1 et des plateaux 6a1 et 6b' en ce qui concerne les picots réalisés sur la feuille 2. Ces plateaux sont intéressants dans la mesure où ils permettent de compenser un décalage qui se produirait, aussi bien dans le sens transversal que dans le sens longitudinal des feuilles, entre les picots en regard de deux feuilles adjacentes. En effet, suivant l'invention, on déterminera, soit par le calcul soit par l'expérience, les écartements respectifs 1 des picots suivant 1 ' axe longitudinal yy1 des feuilles 1 et 2 à enrouler pour que, lors de la phase d'enroulement, les picots 3b de la feuille supérieure et les picots 5b de la feuille inférieure se trouvent bien en regard 1 ' un de 1 ' autre si bien que l' ecartement e des feuilles 1 et 2 est égal à la somme de la hauteur hb et Hb des picots 3b et 5b qui s ' étendent vers 1 ' intérieur et que 1 ' ecartement E entre les spires est égal à la somme de la hauteur ha et Ha des picots qui s'étendent vers l'extérieur.
Bien entendu, en fonction de l'application dévolue à l' échangeur considéré, on peut prévoir un ecartement E entre les spires qui soit différent de l' ecartement e qui existe entre chacune des deux feuilles 1 et 2 , en donnant en conséquence aux hauteurs h et H de ces picots respectifs les valeurs souhaitées.
Ainsi que représenté sur les figures la et 3a on peut prévoir, dans le sens transversal des feuilles 1 et 2, des ondulations 4 qui sont orientées dans le même sens que les picots par rapport au plan des feuilles.
Ces ondulations sont destinées à donner aux feuilles une capacité de déformation suivant leur axe longitudinal, qui permet de compenser toute variation de longueur des feuilles susceptible d'intervenir lors de l'enroulement, et notamment celles provoquées par des variations de hauteurs des différents picots situés sur un même axe sensiblement transversal. Les ondulations peuvent n'être réalisées que sur l'une des deux feuilles, et elles peuvent ne s ' étendre que sur une partie de la largeur d celles-ci. Bien que dans le mode de réalisation décrit, 1 ' ecartement des tôles et des enroulements soit respectivement déterminé par des picots, cet ecartement pourrait être obtenu à l'aide d'autres moyens, et notamment à l'aide d'inserts ou de butées qui seraient fixées sur les feuilles 1 et 2, notamment par soudage dans le cas où ces feuilles seraient en métal ou par collage dans le cas où elles seraient en matière plastique. On pourrait également, suivant l'invention, prévoir entre les feuilles 1 et 2 des protubérances doubles, et prévoir des protubérances simples entre chacune des spires de 1 ' enroulement ainsi que représenté sur la figure 6. La présente invention est également intéressante en ce qu'elle permet d'assurer un autoréglage corrigeant les variations de diamètre des spires, de hauteur de picots, de pas, qui se manifestent en cours d'enroulement. Dans un tel mode de mise en oeuvre, qui est représenté sur les figures 5 et 5a, les picots 3b et 5b sont également formés par déformation de la feuille notamment par emboutissage. Les picots ainsi réalisés sont également de forme globale tronconique, la petite base 6b, 6b' de ceux-ci, c'est-à-dire la face de contact des picots entre eux, étant toutefois inclinée d'un angle i par rapport au plan de la feuille avant son enroulement, ainsi que représenté sur la figure 5. Dans ces conditions, lorsque l'on procède à l'enroulement des différentes spires on constate, ainsi que représenté sur la figure 5a, que les picots appartenant à la surface externe de deux spires consécutives viennent en contact, par leur bases inclinées respectives 6b et 6b'. Dans ces conditions, si par suite de problèmes liés à la fabrication, notamment 1 ' ecartement des tôles augmente le diamètre de l'enroulement augmente également, si bien que le sommet du picot de la tôle extérieure 2 se trouve décalé en retrait par rapport au sommet du picot de la tôle inférieure 1 en raison de 1 ' augmentation de la circonférence. Suivant la présente invention, la feuille extérieure 2 se rapproche alors de la feuille inférieure 1 jusqu'à ce que 1 * ecartement devienne égal à celui qui existait en début d'enroulement. On notera que la pente i, formée par la petite base des picots, est suffisamment importante pour corriger rapidement les tolérances de fabrication.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Echangeur de type spirale, constitué de deux circuits de fluide imbriqués, à savoir un premier circuit formé par l'espace compris entre deux feuilles (1,2) écartées qui sont enroulées sur elles-mêmes et un second circuit formé par 1 ' espace compris entre les spires successives de cet enroulement caractérisé en ce que :
- les deux feuilles (1,2) comportent, sur leurs faces respectivement en regard, des éléments écarteurs internes (3b, 5b) et/ou sur leurs faces opposées, des éléments écarteurs externes (3a, 5a),
- ces éléments écarteurs internes (3b, 5b) et externes (3a, 5a) sont disposés, suivant l'axe longitudinal (yy' ) des feuilles (1,2), de façon telle, qu'une fois les feuilles enroulées, les éléments écarteurs internes (3b) et externes (3a) d'une feuille (1) viennent en appui sur les éléments écarteurs internes (5b) et externes (5a) correspondants de l'autre feuille ( 2 ) ,
- la face extrême d ' au moins 1 ' un de deux éléments écarteurs en appui est globalement plane.
2.- Echangeur suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte entre les éléments écarteurs internes (3b, 5b) et/ou externes (3a, 5a), des ondulations (4) disposées sensiblement transversalement suivant au moins une partie de la largeur des feuilles (1,2).
3.- Echangeur suivant l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les éléments écarteurs (3a, 3b, 5a, 5b) sont formés sur les feuilles (1,2) par un procédé de déformation tel que notamment un emboutissage.
4. - Echangeur suivant 1 ' une des revendications précédentes caractérisé en ce que les faces extrêmes des éléments écarteurs sont inclinées par rapport au plan de la feuille sur laquelle ils sont implantés.
5. - Echangeur suivant la revendication 4 caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison (i) des faces extrêmes des éléments écarteurs (3b, 5b) par rapport au plan de la feuille est tel que, lors de l'enroulement, la tension que 1 ' on exerce sur une feuille externe a pour effet de faire glisser la face extrême (6b, 6b') des éléments écarteurs (3b, 5b) de cette feuille (1) sur les faces extrêmes correspondantes des éléments écarteurs d'une feuille interne (2).
6.- Echangeur suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les éléments écarteurs (3a, 3b, 5a, 5b) sont de forme globale tronconique.
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