WO2019025691A1 - Echangeur de chaleur comprenant un element de distribution a canaux multiples - Google Patents

Echangeur de chaleur comprenant un element de distribution a canaux multiples Download PDF

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WO2019025691A1
WO2019025691A1 PCT/FR2018/051804 FR2018051804W WO2019025691A1 WO 2019025691 A1 WO2019025691 A1 WO 2019025691A1 FR 2018051804 W FR2018051804 W FR 2018051804W WO 2019025691 A1 WO2019025691 A1 WO 2019025691A1
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fluid
distribution
exchanger according
channels
flow
Prior art date
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PCT/FR2018/051804
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Frederic Crayssac
Sebastien Cadalen
Marc Wagner
Quentin SANIEZ
Original Assignee
L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements

Definitions

  • the present invention relates to a distribution element configured to be arranged in a distribution zone of a plate and fin type heat exchanger, and an exchanger comprising such a distribution element and at least one set of passages for a fluid to be in heat exchange relationship with at least one other fluid.
  • the element according to the invention allows a more homogeneous distribution of the fluid over the width of said passages.
  • the present invention finds particular application in the field of gas separation by cryogenics, in particular the separation of air by cryogenics (known by the acronym "ASU" for air separation unit) exploited for the production of oxygen gas under pressure.
  • ASU air separation unit
  • the present invention can be applied to a heat exchanger which vaporizes a liquid flow, for example oxygen, nitrogen and / or argon by heat exchange with a gas.
  • the present invention can also be applied to a heat exchanger which vaporises at least one liquid-gas mixture flow rate, in particular a multi-component mixing flow rate, for example a mixture of hydrocarbons, by heat exchange with at least one another fluid, for example natural gas.
  • a heat exchanger which vaporises at least one liquid-gas mixture flow rate, in particular a multi-component mixing flow rate, for example a mixture of hydrocarbons, by heat exchange with at least one another fluid, for example natural gas.
  • the technology commonly used for a heat exchanger is that of brazed plate and finned aluminum exchangers, which make it possible to obtain very compact devices with a large exchange surface.
  • These exchangers comprise plates between which are inserted heat exchange waves, formed of a succession of fins or wave legs, thereby constituting a stack of passages for the different fluids to be in heat exchange relationship.
  • Distribution zones are fluidly connected to collectors semi-tubulars configured to distribute the different fluids selectively in the different passages, as well as for discharging said fluids from said passages.
  • these distribution zones generally comprise distribution waves, arranged in the form of corrugated sheets between two successive plates.
  • the distribution waves are generally perforated straight waves cut in the shape of triangles or trapezoids. They ensure the diversion of the fluid from the inlet manifold of the exchanger to distribute it over the width of the heat exchange zones, as well as the recovery of the fluid from said heat exchange zone.
  • the distribution waves also act as spacers to ensure the mechanical resistance to brazing and operation of the passage distribution area.
  • Such distribution waves are known from US-B-6044902 and EP-A-0507649.
  • EP-A-3150952 is a plate heat exchanger in which the distribution elements are formed by the plates themselves which are stamped.
  • the distribution zones are occupied by at least two wave mats in order to optimize the falls of the cut-outs, thus increasing the risk of play between the mats.
  • the assembly of the wave mats can also cause accidents along the flow path of the fluid, which contributes to increase the pressure losses of the distribution areas. Because of these imperfections of the distribution zones, it can occur flow variations of an amplitude of the order of 10%, harmful to the proper operation of the exchanger.
  • the distribution area of a passage extends typically over a length, measured in a longitudinal direction corresponding to the direction of flow of the fluid in the heat exchange zone of the same passage, of the order of 200 to 600 mm, and over a width, measured perpendicular to said longitudinal direction, of the order of 500 to 1500 mm.
  • the distribution zones constituting parts of less good mechanical strength than the heat exchange zones, it is desirable to limit as much as possible their longitudinal extent to ensure a better resistance of the exchanger during the circulation of high pressure fluids within the passages.
  • the aim of the present invention is to solve all or part of the problems mentioned above, in particular to propose a heat exchanger in which the distribution of the fluid or fluids in the heat exchange zones is as uniform as possible, and which Furthermore, it has smaller footprint distribution areas than in the prior art.
  • a plurality of plates arranged parallel to each other so as to define at least one set of passages for the flow of a fluid intended to exchange heat with at least one other fluid, the passages extending in a longitudinal direction and a lateral direction perpendicular to said longitudinal direction,
  • each passage being divided, in the longitudinal direction, into at least one distribution zone and a heat exchange zone
  • At least one distribution zone of a passage comprising a dispensing element, said dispensing element comprising a plurality of partition walls arranged so as to divide said dispensing zone into a plurality of channels for the flow of the fluid, said channels defining flow paths of different lengths and having variable fluid flow sections along said flow paths.
  • the element of the invention may comprise one or more of the following technical characteristics:
  • the separating walls of the distribution element are secured to each other by means of a support, the support is brazed with an adjacent plate.
  • the dividing walls project from the support in the passage.
  • the support comprises a flat bottom, the dividing walls projecting perpendicularly to the bottom.
  • the element comprises a first end forming an inlet or an outlet for the fluid and a second end in fluid communication with the heat exchange zone when the distribution element is arranged in a distribution zone, each separating wall being formed of the same piece and extending continuously from the first end to the second end.
  • each channel is provided with a first opening and a second opening at the first and second ends respectively.
  • At least one first opening has a different fluid passage section of the fluid passage section of another first opening and / or at least one second opening has a different fluid passage section of the fluid passage section of another second opening.
  • the first openings and / or the second openings of the same channel have fluid passage sections all the greater that the flow path defined by said channel is long.
  • one or more channels comprise means for modifying the linear resistance to the flow of said channels.
  • said means comprise a conformation of the inner profiles of said channels.
  • said means comprise partitions arranged within said channels.
  • said means comprise porous structures, for example metal foams, arranged within said channels.
  • the separating walls have, in longitudinal section, rectilinear profiles.
  • the separating walls have, in longitudinal section, predetermined curvilinear profiles.
  • said predetermined curvilinear profiles comprise at least one inflection point.
  • the distribution element extends along a length in a longitudinal direction and a width in a lateral direction, the ratio between a length and the width being less than 20%, preferably between 5 and 10%.
  • the distribution element extends over a length of less than 500 mm, preferably between 50 and 200 mm.
  • the distribution element has a height, measured in a vertical direction orthogonal to the plates, of at least 2 mm, preferably at least 5 mm, preferably a height of between 2 and 15 mm.
  • the distribution element is a monolithic element, preferably manufactured by an additive manufacturing method or by foundry.
  • Figure 1 is a schematic three-dimensional view of a plate-and-fin type exchanger
  • Figure 2 is a partial schematic view, in longitudinal section of a distribution zone according to one embodiment of the invention.
  • FIGS. 5A and 5B are diagrammatic views, in longitudinal and three-dimensional section respectively, of a distribution zone according to another embodiment of the invention.
  • a heat exchanger 1 of the plate and fin type comprises a stack of plates 2 which extend in two dimensions, length and width respectively according to the longitudinal direction z and the lateral direction y.
  • the plates 2 are arranged parallel to each other spacially and thus form several sets of passages 3, 4, 5 for fluids F1, F2, F3 to put in indirect heat exchange relationship via the plates 2.
  • the lateral direction is orthogonal to the longitudinal direction z and parallel to the plates 2.
  • the longitudinal axis is vertical when the exchanger 1 is in operation.
  • each passage has a parallelepipedal and flat shape.
  • the passages extend in length in the longitudinal direction z and in width in the lateral direction y.
  • the gap between two successive plates is small in front of the length and the width of each successive plate.
  • Each passage 3, 4, 5 is divided along the longitudinal direction z into at least one distribution zone 20 and a heat exchange zone 21.
  • the flow of fluids within the distribution zones takes place globally parallel to the longitudinal direction z.
  • the heat exchange and exchange zones 20, 21 are preferably juxtaposed along the longitudinal axis z.
  • the exchanger 1 comprises collectors of semi-tubular shape 7, 9 provided with openings 10 for introducing the fluids into the exchanger 1 and the evacuation of the fluids out of the exchanger 1. These collectors have smaller openings than the passages.
  • the distribution zones 20 serve to distribute the fluids introduced through the openings of the collectors over the entire width of the passages.
  • the distribution element confers structural rigidity on the distribution zone of the exchanger since the spacer function can be provided by the separating walls.
  • the exchanger is of the type with brazed plates and fins, that is to say that the separate elements constituting the exchanger are secured, directly or indirectly by brazing.
  • the distribution element according to the invention is distinct from the plates 2.
  • brazed support is meant that the support is bonded or joined by brazing with an adjacent plate of the exchanger via at least a portion of their respective surfaces.
  • fluid passage section means the surface through which the fluid flows in the channel, the latter being measured in a plane perpendicular to the direction of movement of the fluid F1 in said channel, i. e. perpendicular to the running lines of the fluid F1 in motion.
  • the length of the flow paths refers to the distance to be traveled for the fluid F1 between the inlet and the outlet of the channel in question.
  • the distribution element further comprises a support
  • FIG. 5B An example of such an element is shown in Figure 5B. It is then understood that the distribution element is not a corrugated product as is the case with the distribution waves conventionally arranged in the distribution zones of a brazed plate and fin exchanger. The walls 25 are joined together via the same support 27, which gives greater rigidity to the distribution element. This also makes it possible to simplify brazing operations. In addition, such a configuration provides greater freedom of construction of the distribution element and geometry of its channels.
  • the walls 25 of a relatively large height in the passages, typically at least 2 mm, preferably at least 5 mm, more preferably up to 15 mm or more, which is not This is not the case with the exchangers in which the walls result from stamping the separating plates.
  • the channels are preferably isolated fluidly from each other.
  • the flow parameters of each channel are thus controlled independently of those of the neighboring channels, which makes it possible to adjust specifies the distribution of the fluid over the width of the passages at the outlet of the distribution zone.
  • the separating walls 25 are erected perpendicularly to the plates 2.
  • the number of channels 26 is at least 6, more preferably between 5 and 50. Indeed, the number of channels 26 must, on the one hand, be sufficient to give the element 22 its rigidity mechanical and on the other hand not be excessive in order to leave free a sufficient volume for the flow of the fluid and to limit the pressure losses.
  • the distribution element 22 comprises a first end 23 forming an inlet or an outlet for the fluid F1 and a second end 24 in fluid communication with the heat exchange zone 21.
  • the passages 3 to 5 are bordered by closure bars 6 which do not completely close the passages but leave free openings 23, 24 for the entry or exit of the corresponding fluids.
  • FIG. 2 partially diagrammatically the "input" part of a passage 3 of an exchanger according to one embodiment of the invention.
  • a fluid collector 7 is arranged in the left corner of the exchanger, the first end 23 being fluidly connected to the collector 7 and forming an inlet for the fluid F1, whose flow is shown schematically by dashed arrows.
  • the first and second ends 23, 24 preferably extend in a plane parallel to the lateral direction y and perpendicular to the longitudinal direction z.
  • the partition walls 25 extend between the first and second ends 23, 24 and form channels 26 opening at the second end 24 and configured to uniformly distribute, in the lateral direction y, the fluid F1 so as to obtain a distribution homogeneous or quasi-homogeneous to or from the entire width of the heat exchange zone 21 when the other of said first and second ends 23, 24 is supplied with fluid F1.
  • the openings 26a, 26b of the channels 26 may have identical or variable fluid passage sections along the channels 26 considered.
  • the fluid passage sections of the openings 26a and 26b correspond to the internal surfaces of the channels 26 measured at the first and second ends 23, 24 in a plane parallel to the lateral direction y.
  • first openings 26a and / or the second openings 26b of the same channel 26 have fluid passage sections all the greater that the flow path defined by said channel 26 is long, i. e. that the distance to travel for the fluid F1 between the first opening 26a and the second opening 26b is large.
  • the first end 23 is subdivided into a first series of first openings 26a having increasing fluid passage sections in the lateral direction y.
  • the supply of the channels configured to distribute the fluid F1 of the collector 7 to the portion of the second end 23 diagonally opposite said extreme edge is favored.
  • the first openings 26a arranged, preferably symmetrically, on either side of the plane M have increasing fluid passage sections as one moves away from said median plane M. This compensates for the natural tendency of the fluid to pass into the region of the distribution zone situated opposite the collector rather than the zones farther away from the collector, and thus to homogenize the distribution of the fluid in the width of the passage 3 of the exchanger.
  • all or part of the channels 26 comprise means 28 for modifying the linear resistance to the flow of said channels 26.
  • the linear resistance to the flow of each channel can thus be adjusted according to the desired flow characteristics in each channel 26, in particular flow rate and fluid velocity.
  • the linear resistance to channel flow can be adjusted so that each channel 26 has a similar overall flow resistance.
  • the characteristics of the fluid at the outlet of the channels 26 are thus homogenized in the lateral direction y, which allows a uniform distribution to or from the heat exchange zone 21.
  • flow resistance is meant the ability of the channel to generate on the one hand viscous friction and on the other hand to deflect the flow (pressure force normal to the wall). This resistance is expressed in the form of a reaction force of the solid structure on the flow in Newton, which is translated in the fluid by a loss of charge in Pascals. This force depends on the first order of the kinetic energy of the fluid (rho * u 2 ) and the second order of the Reynolds number (rho * u * D / mu). The resistance to linear flow corresponds to the channel flow resistance expressed per unit length.
  • a channel 26 will comprise modifying means 28 configured to produce an increase in the linear resistance to the flow all the more important that the opening 26a of said channel is close, in terms of the distance to be traveled for the fluid F1, from the other opening 26b.
  • the channels 26 comprise modifying means 28 configured to produce an increase of the linear resistance to the increasingly weaker flow in the lateral direction y.
  • this makes it possible to compensate the natural preferential passage of the fluid in the axis rather than the side of the exchanger, and thus to obtain a good distribution of the fluid.
  • the collector 7 is centered with respect to the median plane M of the exchanger, as represented in FIG. 5A, the fluid resistance of a channel will be greater as it is close to the median plane. Mr.
  • the channels 26 may have shaped internal profiles to produce different variations in flow resistance.
  • partitions 28 may be arranged in one or more channels 26 so as to create an additional dividing stage of the distribution zone 22. This makes it possible to vary the linear resistance to the flow. and to control even more finely the flow parameters of the fluid dispensed to or recovered from the heat exchange zone 21.
  • additional partitions 28 is particularly advantageous when the first end 23 of the distribution element has a width too small to be divided into a sufficient number of channels 26.
  • the separating walls 25 and / or the partitions 28 may, in longitudinal section, have rectilinear profiles, as shown in FIGS. 2 and 4, or curvilinear, as illustrated in FIGS. 3A, 3B and 5A, 5B. .
  • the separating walls 25 have predetermined curvilinear profiles comprising at least one P-point of inflection.
  • Such a geometry makes it possible to divert the fluid more rapidly, that is to say over a shorter distance L1, over a large width of the passage of the exchanger. It is thus possible to reduce the longitudinal extent of the distribution zone 20, and consequently to increase the mechanical strength of the exchanger since the compactness of the so-called "weak" zone of the exchanger is increased.
  • the first end 23 forming an inlet or outlet of the distribution element 22 has, in the lateral direction y, a width L3 of between 50 and 1000 mm, more preferably between 100 and 500 mm.
  • the distribution element 22 has, parallel to the longitudinal direction z, a length L1 less than 500 mm, preferably between 50 and 200 mm, more preferably between 80 and 100 mm.
  • the length L1 of the distribution element 22 represents less than 20% of the length of the exchange zone 21.
  • the distribution element 22 has, parallel to the lateral direction y, a width L2, the ratio between a length L1 and the width L2 being less than 20%, preferably between 5 and 10%.
  • the width L2 is preferably between 500 and 1500 mm.
  • the dispensing element 22 is advantageously formed of a metallic material, preferably aluminum or an aluminum alloy.
  • the element may be formed in particular of a porous material, preferably with non-through pores, for example a metal foam.
  • the dispensing element 22 is monolithic, which makes it possible to minimize accidents along the fluid flow paths.
  • the element 22 can be manufactured by an additive manufacturing method, preferably by thermal spraying, which makes it possible to produce pieces of complex geometries as a single unit.
  • thermal spraying a cold projection method called "cold spray”.
  • additive manufacturing process can also be designated by the terms “3D printing” or "three-dimensional printing”.
  • Additive manufacturing is used to produce a real object, using a specific printer that deposits and / or solidifies the material, layer by layer, to obtain the final piece. Stacking these layers creates a volume.
  • Element 22 can also be manufactured by the following additive manufacturing processes:
  • stereolithography a process in which ultraviolet radiation solidifies a layer of liquid plastic
  • the dispensing member 22 may be made by casting. This manufacturing process makes it possible to produce pieces of complex geometries at a relatively low cost compared to additive manufacturing.
  • the element 22 is formed of a cast aluminum alloy, that is to say an alloy whose main constituent is aluminum, of lower density to be converted by foundry.
  • these advantageously comprise heat exchange structures 8 arranged between the plates 2, as shown in FIG. 1.
  • These structures have the function of increasing the heat exchange surface of the exchanger and act as spacers between the plates 2, especially during assembly by brazing of the exchanger, to avoid any deformation of the plates during the implementation of fluids under pressure.
  • these structures comprise heat exchange waves 8 which advantageously extend along the width and the length of the passages of the exchanger, parallel to the plates 2.
  • These waves 8 can be formed in the form of corrugated sheets.
  • we call “fins” the wave legs that connect the vertices and successive bases of the wave.
  • the exchange structures 8 may also take on other particular shapes defined according to the desired fluid flow characteristics. More generally, the term “fins” covers blades or other secondary surfaces of heat exchange, which extend from the primary heat exchange surfaces, that is to say the plates of the heat exchanger, in the passages of the exchanger.
  • the distribution element 22 according to the invention and the heat exchange structure 8 are preferably juxtaposed along the longitudinal axis z, that is to say positioned end to end. It is noted that a small clearance can exist between these elements, so as not to clog the channels of the exchange zone 21 which are opposite the walls 25 of the channels of the distribution zone 22.
  • the first end 23 of the element 22 is arranged end-to-end with at least a portion of the collector 7 while the second end 24 is arranged end-to-end with at least a portion of the structure 8.
  • the structure 8 , the collector 7 and / or the element 22 are soldered to the plates 2 and are connected indirectly to one another via their respective connections with the plates 2.
  • the element 22 is assembled to the plates 2 by brazing the support 27 to the plates 2, the support or bottom 27 comprising at least one face coated with a soldering agent.
  • This face is positioned facing a plate 2 so as to form a connecting surface with said plate 2.
  • the plates 2 have in whole or in part at least one face coated at least in part with a layer of brazing agent.
  • the dimensional characteristics of the distribution element 22 were as follows:
  • the height of the element 22 9.5 mm (the walls 25 having a height, in the vertical direction x of 7.5 mm and the bottom 27 having a thickness of 2 mm),
  • FIGS. 6A, 6B and 6C show the maps of the velocities, pressures and temperatures of the fluid flowing within channels 26 of the distribution element. 22. There is a quasi-homogeneous distribution of the fluid at the outlet of the channels 26.
  • FIG. 7 indicates the evolution of the so-called axial velocity values ("axial velocity"), that is to say in the longitudinal direction z, obtained at the outlet of the element 22, as a function of the position along the lateral direction y. We thus start from the center of the distribution element 22 (0 mm position) to the edge of the second end 23 (position at 485 mm).
  • the distribution of velocity values along the lateral direction y is characterized by a standard deviation (or standard deviation) of 0.9% and a maximum deviation of 2.8% from the mean value of the velocity in the d-zone. exchange, which is well below the variations observed with conventional distribution elements for which the standard deviations are of the order of 3%. Thanks to the invention, therefore, the speed variations are reduced along the lateral direction at the outlet of the distribution zone, which makes it possible to distribute the fluid as homogeneously as possible over the entire width of the exchange zone. heat.
  • a distribution element according to the invention can thus be arranged in any distribution zone of the exchanger, in one or more passage series 3, 4, 5 of the exchanger, upstream and / or downstream of one or several of the collectors of the exchanger.
  • Figure 5B illustrates the case where a heat exchanger passage comprises two distribution element according to the invention arranged on either side of the heat exchange zone 21 (shown schematically with a deliberately shortened length). It should also be noted that passages 3, 4, 5 of the exchanger may be formed between two successive plates 2 as well as between a closing bar 6 of the exchanger and a plate 2 immediately adjacent.

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Abstract

L'invention concerne un échangeur comprenant un élément de distribution (22) configuré pour être agencé dans au moins une zone de distribution (20) d'un échangeur de chaleur (1) du type à plaques et ailettes, ledit élément de distribution (22) comprenant une pluralité de parois séparatrices (25) agencées de sorte que, lorsque l'élément de distribution est agencé dans une zone de distribution (20), ladite zone de distribution (20) est divisée en une pluralité de canaux (26) pour l'écoulement du fluide (F1). Selon l'invention, lesdits canaux (26) définissent des trajets d'écoulement de longueurs différentes et présentant des sections de passage de fluide variables le long desdits trajet d'écoulement.

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR COMPRENANT UN ELEMENT DE DISTRIBUTION A CANAUX MULTI PLES
La présente invention concerne un élément de distribution configuré pour être agencé dans une zone de distribution d'un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes, ainsi qu'un échangeur comprenant un tel élément de distribution et au moins un ensemble de passages pour un fluide à mettre en relation d'échange thermique avec au moins un autre fluide. L'élément selon l'invention permet une répartition plus homogène du fluide sur la largeur desdits passages.
La présente invention trouve notamment application dans le domaine de la séparation de gaz par cryogénie, en particulier de la séparation d'air par cryogénie (connue sous l'acronyme anglais « ASU » pour unité de séparation d'air) exploitée pour la production d'oxygène gazeux sous pression. En particulier, la présente invention peut s'appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise un débit liquide, par exemple de l'oxygène, de l'azote et/ou de l'argon par échange de chaleur avec un gaz.
La présente invention peut également s'appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise au moins un débit de mélange liquide-gaz, en particulier un débit de mélange à plusieurs constituants, par exemple un mélange d'hydrocarbures, par échange de chaleur avec au moins un autre fluide, par exemple du gaz naturel.
La technologie couramment utilisée pour un échangeur est celle des échangeurs en aluminium à plaques et à ailettes brasés, qui permettent d'obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d'échange.
Ces échangeurs comprennent des plaques entre lesquelles sont insérées des ondes d'échange thermique, formées d'une succession d'ailettes ou jambes d'onde, constituant ainsi un empilage de passages pour les différents fluides à mettre en relation d'échange thermique.
Ces passages comprennent des zones dites de distribution agencées, en suivant la direction globale d'écoulement du fluide dans le passage considéré, en amont et en aval de la zone d'échange thermique proprement dite. Les zones de distribution sont reliées fluidiquement à des collecteurs semi-tubulaires configurés pour distribuer les différents fluides sélectivement dans les différents passages, ainsi que pour évacuer lesdits fluides desdits passages.
De façon connue, ces zones de distribution comprennent généralement des ondes de distribution, agencées sous forme de tôles ondulées entre deux plaques successives. Les ondes de distribution sont généralement des ondes droites perforées découpées en forme de triangles ou de trapèzes. Elles assurent la déviation du fluide provenant du collecteur d'entrée de l'échangeur afin de le répartir sur la largeur des zones d'échange thermique, ainsi que la récupération du fluide provenant de ladite zone d'échange thermique. Les ondes de distribution jouent également le rôle d'entretoises pour assurer la tenue mécanique au brasage et en fonctionnement de la zone de distribution du passage. De telles ondes de distribution sont connues des documents US- B-6044902 et EP-A-0507649. On connaît également du document EP-A- 3150952 un échangeur à plaques dans lequel les éléments de distribution sont formés par les plaques elles-mêmes qui sont embouties.
Un des problèmes qui se posent avec la configuration des zones de distribution actuelles est la mal-distribution des fluides en direction en direction des zones d'échange thermique. En effet, les zones de distribution sont occupées par au moins deux tapis d'ondes afin d'optimiser les chutes des découpes de forme, augmentant ainsi le risque de jeu entre les tapis. L'assemblage des tapis d'onde peut aussi occasionner des accidents le long de la voie d'acoulement du fluide, ce qui contribue à augmenter les pertes de charges des zones de distribution. Du fait de ces imperfections des zones de distribution, il peut se produire des variations de débit d'une amplitude de l'ordre de 10%, nuisibles au bon fonctionnement de l'échangeur.
De même, on observe des défauts de distribution dans les zones de distributions dédiées à la récupération des fluides provenant des zones d'échange thermique.
Un autre problème concerne la tenue mécanique des zones de distribution. En effet, ces zones sont munies d'ondes de plus faible densités, typiquement entre 6 et 10 jambes par pouce, que celles des zones d'échange thermique. A l'heure actuelle, la zone de distribution d'un passage s'étend typiquement sur une longueur, mesurée selon une direction longitudinale correspondant à la direction d'écoulement du fluide dans la zone d'échange de chaleur du même passage, de l'ordre de 200 à 600 mm, et sur une largeur, mesurée perpendiculairement à ladite direction longitudinale, de l'ordre de 500 à 1500 mm. Les zones de distribution constituant des parties de moins bonne tenue mécanique que les zones d'échange de chaleur, il est souhaitable de limiter le plus possible leur étendue longitudinale pour garantir une meilleure résistance de l'échangeur lors de la circulation de fluides à haute pression au sein des passages.
La présente invention a pour but de résoudre en tout ou partie les problèmes mentionnés ci-avant, notamment de proposer un échangeur de chaleur dans lequel la répartition du ou des fluides dans les zones d'échange de chaleur est la plus uniforme possible, et qui présente en outre des zones de distribution d'encombrement plus faible que dans l'art antérieur.
La solution selon l'invention est alors un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasé comprenant :
- une pluralité de plaques agencées parallèlement entre elles de façon à définir au moins un ensemble de passages pour l'écoulement d'un fluide destiné à échanger de la chaleur avec au moins un autre fluide, les passages s'étendant suivant une direction longitudinale et une direction latérale perpendiculaire à ladite direction longitudinale,
- chaque passage étant divisé, suivant la direction longitudinale, en au moins une zone de distribution et une zone d'échange de chaleur,
- au moins une zone de distribution d'un passage comprenant un élément de distribution, ledit élément de distribution comprenant une pluralité de parois séparatrices agencées de manière à diviser ladite zone de distribution en une pluralité de canaux pour l'écoulement du fluide, lesdits canaux définissant des trajets d'écoulement de longueurs différentes et présentant des sections de passage de fluide variables le long desdits trajets d'écoulement.
Selon le cas, l'élément de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :
les parois séparatrices de l'élément de distribution sont solidarisées entre elles par l'intermédiaire d'un support, le support est brasé avec une plaque adjacente.
les parois séparatrices se projettent depuis le support dans le passage. le support comprend un fond plan, les parois séparatrices se projetant perpendiculairement au fond.
- l'élément comprend une première extrémité formant une entrée ou une sortie pour le fluide et une deuxième extrémité en communication fluidique avec la zone d'échange de chaleur lorsque l'élément de distribution est agencé dans une zone de distribution, chaque paroi séparatrice étant formée d'une même pièce et s'étendant de façon continue depuis la première extrémité jusqu'à la deuxième extrémité.
chaque canal est muni d'une première ouverture et d'une deuxième ouverture se situant au niveau des première et deuxième extrémités respectivement.
au moins une première ouverture présente une section de passage de fluide différente de la section de passage de fluide d'une autre première ouverture et/ou au moins une deuxième ouverture présente une section de passage de fluide différente de la section de passage de fluide d'une autre deuxième ouverture.
les premières ouvertures et/ou les deuxièmes ouvertures d'un même canal présentent des sections de passage de fluide d'autant plus grandes que le trajet d'écoulement défini par ledit canal est long.
un ou plusieurs canaux comprennent des moyens de modification de la résistance linéique à l'écoulement desdits canaux.
lesdits moyens comprennent une conformation des profils intérieurs desdits canaux.
lesdits moyens comprennent des cloisons agencées au sein desdits canaux.
lesdits moyens comprennent des structures poreuses, par exemple des mousses métalliques, agencées au sein desdits canaux.
- les parois séparatrices présentent, en coupe longitudinale, des profils rectilignes.
les parois séparatrices présentent, en coupe longitudinale, des profils curvilignes prédéterminés. lesdits profils curvilignes prédéterminés comprennent au moins un point d'inflexion.
l'élément de distribution s'étend sur une longueur suivant une direction longitudinale et sur une largeur suivant une direction latérale, le rapport entre une longueur et la largeur étant inférieur à 20%, de préférence compris entre 5 et 10%.
l'élément de distribution s'étend sur une longueur inférieure à 500 mm, de préférence comprise entre 50 et 200 mm.
l'élément de distribution présente une hauteur, mesurée suivant une direction verticale orthogonale aux plaques, d'au moins 2 mm, de préférence au moins 5 mm, de préférence une hauteur comprise entre 2 et 15 mm.
l'élément de distribution est un élément monolithique, de préférence fabriqué par une méthode de fabrication additive ou par fonderie.
La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux schémas ci-annexés, parmi lesquels :
la Figure 1 est une vue schématique tridimensionnelle d'un échangeur du type à plaque et ailettes ;
la Figure 2 est une vue schématique partielle, en coupe longitudinale d'une zone de distribution selon un mode de réalisation de l'invention ;
les Figures 3A, 3B et 4 sont des vues schématiques partielles, en coupe longitudinale de zones de distribution selon d'autres modes de réalisation de l'invention ;
- les Figures 5A et 5B sont des vues schématiques, en coupe longitudinale et tridimensionnelle respectivement, d'une zone de distribution selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
les Figures 6A, 6B, 6C et 7 présentent des résultats de simulations réalisées avec un élément de distribution telle que schématisé sur la Figure 5B.
Comme on le voit sur la Figure 1 , un échangeur de chaleur 1 du type à plaques et ailettes comprend un empilement de plaques 2 qui s'étendent suivant deux dimensions, longueur et largeur, respectivement suivant la direction longitudinale z et la direction latérale y. Les plaques 2 sont disposées parallèlement l'une au-dessus de l'autre avec espacement et forment ainsi plusieurs ensembles de passages 3, 4, 5 pour des fluides F1 , F2, F3 à mettre en relation d'échange de chaleur indirect via les plaques 2. La direction latérale y est orthogonale à la direction longitudinale z et parallèle aux plaques 2. De préférence, l'axe longitudinal est vertical lorsque l'échangeur 1 est en fonctionnement.
De préférence, chaque passage a une forme parallélépipédique et plate. Les passages s'étendent en longueur suivant la direction longitudinale z et en largeur suivant la direction latérale y. L'écart entre deux plaques successives est petit devant la longueur et la largeur de chaque plaque successive.
Chaque passage 3, 4, 5 est divisé, suivant la direction longitudinale z, en au moins une zone de distribution 20 et une zone d'échange de chaleur 21 . L'écoulement des fluides au sein des zones de distribution a lieu globalement parallèlement à la direction longitudinale z. Les zones de distribution et d'échange de chaleur 20, 21 sont de préférence juxtaposées le long de l'axe longitudinal z.
Selon la représentation de la Figure 1 , en considérant en particulier le passage 3 dont la partie interne est rendue visible, deux zones de distribution 20 sont agencées de part et d'autre de la zone d'échange de chaleur 21 , l'une servant à amener le fluide F1 vers la zone d'échange de chaleur 21 , l'autre à l'évacuer de ladite zone. Des ondes de distributions classiques réalisées sous la forme de produits ondulés sont représentées dans les zones de distribution 20.
De façon connue en soi, l'échangeur 1 comprend des collecteurs de forme semi-tubulaire 7, 9 munis d'ouvertures 10 pour l'introduction des fluides dans l'échangeur 1 et l'évacuation des fluides hors de l'échangeur 1 . Ces collecteurs présentent des ouvertures moins large que les passages. Les zones de distribution 20 servent à répartir les fluides introduits par les ouvertures des collecteurs sur toute la largeur des passages.
Selon l'invention, on agence un élément de distribution dans au moins une zone de distribution 20 d'un passage 3 de l'échangeur, cet élément comprenant une pluralité de parois séparatrices 25 agencées de manière à diviser ladite zone de distribution 20 en une pluralité de canaux 26 pour l'écoulement du fluide F1 . Lesdits canaux 26 définissent des trajets d'écoulement de longueurs différentes et présentent des sections de passage de fluide variables le long desdits trajet d'écoulement. Le fait de subdiviser la zone de distribution en plusieurs canaux distincts de longueurs et de sections variables permet de dévier le fluide tout en contrôlant finement les conditions d'écoulement du fluide au sein de chaque canal. En particulier, il est possible de rééquilibrer les vitesses du fluide s'écoulant dans les différents canaux, de manière à obtenir des vitesses de fluide sensiblement identiques en sortie de chaque canal, et de là une répartition uniforme ou quasi-uniforme du fluide sur la largeur des passages en sortie de la zone de distribution, tout en minimisant les pertes de charge de la zone de distribution.
De plus, l'élément de distribution confère une rigidité structurelle à la zone de distribution de l'échangeur puisque la fonction d'entretoise peut être assurée par les parois séparatrices.
A noter que dans le cadre de l'invention, l'échangeur est du type à plaques et ailettes brasé, c'est-à-dire que les éléments distincts constituant l'échangeurs sont solidarisés, directement ou indirectement par brasage. L'élément de distribution selon l'invention est distinct des plaques 2.
Par « support brasé », on entend que le support est lié ou solidarisé par brasage avec une plaque adjacente de l'échangeur via au moins une portion de leurs surfaces respective.
A noter que par « section de passage de fluide », on entend la surface à travers laquelle le fluide s'écoule au sein du canal, celle-ci étant mesurée dans un plan perpendiculaire à la direction de déplacement du fluide F1 dans ledit canal, i. e. perpendiculaire aux lignes de courant du fluide F1 en mouvement.
La longueur des trajets d'écoulement s'entend de la distance à parcourir pour le fluide F1 entre l'entrée et la sortie du canal considéré.
Selon l'invention, l'élément de distribution comprend en outre un support
27 configuré pour maintenir les parois 25 solidaires entre elles. Un exemple d'un tel élément est présenté sur la Figure 5B. On comprend alors que l'élément de distribution n'est pas un produit ondulé comme c'est le cas avec les ondes de distribution classiquement disposées dans les zones de distribution d'un échangeur à plaques et ailettes brasé. Les parois 25 sont solidarisées entre elles via un même support 27, ce qui confère une plus grande rigidité à l'élément de distribution. Cela permet en outre de simplifier les opérations de brasage. En outre, une telle configuration offre une plus grande liberté de construction de l'élément de distribution et de géométrie de ses canaux.
Ainsi, il est possible de disposer des parois 25 d'une hauteur relativement importante dans les passages, typiquement au moins 2 mm, de préférence au moins 5 mm, de préférence encore jusqu'à 15 mm, voire plus, ce qui n'est pas le cas avec les échangeurs dans lesquels les parois résultent d'un emboutissage des plaques séparatrices.
De préférence, ledit support comprend un fond 27, de préférence un fond plan pouvant être formé d'une tôle plane, à partir de laquelle les parois séparatrices 25 sont érigées. Les parois 25 sont érigées de préférence suivant la direction verticale x. Les parois 25 peuvent avoir des hauteurs h typiquement comprises entre 2 et 15 mm. De préférence, les hauteurs sont choisies de sorte que les parois 25 s'étendent dans la quasi-totalité, voire la totalité, de la hauteur du passage selon la direction verticale x.
La configuration de l'élément de distribution 22 selon l'invention, dans laquelle l'élément de distribution est une pièce distincte des plaques, permet également de concevoir des profils de distribution distincts de part et d'autre d'une même plaque.
De préférence, un élément de distribution selon l'invention est logé dans plusieurs, voire la totalité, des zones de distribution d'un ou plusieurs ensembles de passages de l'échangeur. Ledit élément s'étend sur la quasi-totalité, voire la totalité, de la hauteur des passages, mesurée suivant selon la direction verticale x, de sorte que la structure est avantageusement en contact avec chaque plaque 2 formant le passage 20.
Les canaux sont de préférence isolés fluidiquement les uns des autres. Les paramètres d'écoulement de chaque canal sont ainsi contrôlés indépendamment de ceux des canaux voisins, ce qui permet d'ajuster de façon précise la distribution du fluide sur la largeur des passages au niveau de la sortie de la zone de distribution. Avantageusement, les parois séparatrices 25 sont érigées perpendiculairement aux plaques 2.
De préférence, le nombre de canaux 26 est d'au moins 6, de préférence encore compris entre 5 et 50. En effet, le nombre de canaux 26 doit, d'une part, être suffisant pour conférer à l'élément 22 sa rigidité mécanique et, d'autre part ne pas être excessif afin de laisser libre un volume suffisant pour l'écoulement du fluide et de limiter les pertes de charge.
Avantageusement, l'élément de distribution 22 comprend une première extrémité 23 formant une entrée ou une sortie pour le fluide F1 et une deuxième extrémité 24 en communication fluidique avec la zone d'échange de chaleur 21 .
Plus précisément, comme visible sur la Figure 1 , les passages 3 à 5 sont bordés par des barres de fermeture 6 qui n'obturent pas complètement les passages mais laissent des ouvertures libres 23, 24 pour l'entrée ou la sortie des fluides correspondants.
La Figure 2 schématise partiellement la partie « entrée » d'un passage 3 d'un échangeur selon un mode de réalisation de l'invention. Un collecteur de fluide 7 est agencé dans le coin gauche de l'échangeur, la première extrémité 23 étant reliée fluidiquement au collecteur 7 et formant une entrée pour le fluide F1 , dont l'écoulement est schématisé par des flèches en pointillés.
Les première et deuxième extrémités 23, 24 s'étendent de préférence dans un plan parallèle à la direction latérale y et perpendiculaire à la direction longitudinale z. Les parois séparatrices 25 s'étendent entre les première et deuxième extrémités 23, 24 et forment des canaux 26 débouchant au niveau de la deuxième extrémité 24 et configurés pour répartir uniformément, suivant la direction latérale y, le fluide F1 de façon à obtenir une distribution homogène ou quasi-homogène vers ou depuis toute la largeur de la zone d'échange de chaleur 21 lorsque l'autre desdites première et deuxième extrémités 23, 24 est alimentée en fluide F1 .
Avantageusement, chaque canal est muni de premières ouvertures 26a et de deuxièmes ouvertures 26b. Avantageusement, comme schématisé sur la Figure 2, les premières et deuxièmes ouvertures 26a, 26b se situent au niveau des première et deuxième extrémités 23, 24 respectivement, les parois séparatrices 25 s'étendant de façon continue depuis la première extrémité 23 jusqu'à la deuxième extrémité 24. Le trajet d'écoulement du fluide F1 correspond au trajet à parcourir entre les ouvertures 26a et 26b. Chacune des extrémités 23, 24 peut ainsi être divisée en une série d'ouvertures 26a et une série d'ouvertures 26b respectivement.
Les ouvertures 26a, 26b des canaux 26 pourront présenter des sections de passage de fluide identiques ou variables selon les canaux 26 considérés. Les sections de passage de fluide des ouvertures 26a et 26b, correspondent aux surfaces internes des canaux 26 mesurées au niveau des première et deuxième extrémités 23, 24 dans un plan parallèle à la direction latérale y.
De préférence, au moins une première ouverture 26a présente une section de passage de fluide différente de la section de passage de fluide d'une autre première ouverture 26a et/ou au moins une deuxième ouverture 26b présente une section de passage de fluide différente de la section de passage de fluide d'une autre deuxième ouverture 26b.
Avantageusement, les premières ouvertures 26a et/ou les deuxièmes ouvertures 26b d'un même canal 26 présentent des sections de passage de fluide d'autant plus grandes que le trajet d'écoulement défini par ledit canal 26 est long, i. e. que la distance à parcourir pour le fluide F1 entre la première ouverture 26a et la deuxième ouverture 26b est grande.
Ainsi, dans l'exemple des Figures 3A, 3B ou 5B où la première extrémité 23 est agencée au niveau d'un bord extrême de l'élément 22 le long de la direction y, la première extrémité 23 est subdivisée en une première série de premières ouvertures 26a présentant des sections de passage de fluide croissantes suivant la direction latérale y. On favorise ainsi l'alimentation des canaux configurés pour distribuer le fluide F1 du collecteur 7 vers la partie de la deuxième extrémité 23 diagonalement opposée audit bord extrême.
Selon un autre exemple (Figure 5A) dans lequel l'élément 22 présente un plan médian M et la première extrémité 23 est centrée par rapport au plan M, les premières ouvertures 26a agencées, de préférence de façon symétrique, de part et d'autre du plan M présentent des sections de passage de fluide croissantes au fur et à mesure que l'on s'éloigne dudit plan médian M. On compense ainsi la tendance naturelle du fluide à passer dans la région de la zone de distribution située en regard du collecteur plutôt que par les zones plus éloignées du collecteur, et ainsi d'homogénéiser la distribution du fluide dans la largeur du passage 3 de l'échangeur.
Avantageusement, lorsque l'élément de distribution 22 est disposé dans la zone de distribution 20 d'un échangeur, la première extrémité 23 se situe du côté du collecteur 7 d'entrée de l'échangeur et forme une entrée pour le fluide F1 . Les premières ouvertures 26a de la première extrémité 23 présentent des sections de passage de fluide variables selon leur position le long de la direction latérale y.
Grâce à l'utilisation d'ouvertures 26a de sections de passage différentes, il est notamment possible de suralimenter des canaux moins propices au passage du fluide, et ce dès l'entrée du fluide F1 dans la zone de distribution 20, ce qui engendre moins de pertes de charges et conduit donc à un système de distribution de fluide plus performant.
Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, tout ou partie des canaux 26 comprennent des moyens 28 de modification de la résistance linéique à l'écoulement desdits canaux 26. La résistance linéique à l'écoulement de chaque canal peut ainsi être ajustée selon les caractéristiques d'écoulement souhaitées dans chaque canal 26, en particulier débit et vitesse de fluide. Ainsi, la résistance linéique à l'écoulement des canaux peut être ajustée de sorte que chaque canal 26 présente une résistance à l'écoulement globale similaire. Les caractéristiques du fluide en sortie des canaux 26 sont ainsi homogénéisées suivant la direction latérale y, ce qui permet une distribution uniforme vers ou depuis la zone d'échange de chaleur 21 .
Par « résistance à l'écoulement », on entend la capacité du canal à générer d'une part des frottements visqueux et d'autre part à dévier l'écoulement (force de pression normale à la paroi). Cette résistance s'exprime sous la forme d'une force de réaction de la structure solide sur l'écoulement en Newton, ce qui se traduit dans le fluide par une perte de charge en Pascals. Cette force dépend au premier ordre de l'énergie cinétique du fluide (rho*u2) et au deuxième ordre du nombre de Reynolds (rho*u*D/mu). La résistance à l'écoulement linéique correspond à la résistance à l'écoulement du canal exprimée par unité de longueur.
Avantageusement, un canal 26 comprendra des moyens de modification 28 configurés pour produire une augmentation de la résistance linéique à l'écoulement d'autant plus importante que l'ouverture 26a dudit canal est proche, en termes de distance à parcourir pour le fluide F1 , de l'autre ouverture 26b. Par exemple, dans la configuration illustrée sur la Figure 3B, les canaux 26 comprennent des moyens de modification 28 configurés pour produire une augmentation de la résistance linéique à l'écoulement de plus en plus faible suivant la direction latérale y. En effet, cela permet de compenser le passage préférentiel naturel du fluide dans l'axe plutôt que par le côté de l'échangeur, et donc d'obtenir une bonne distribution du fluide. Dans le cas où le collecteur 7 est centré par rapport au plan médian M de l'échangeur, comme représenté sur la Figure 5A, la résistance au fluide d'un canal sera d'autant plus grande que celui- ci est proche du plan médian M.
Les canaux 26 pourront présenter des profils internes conformés pour produire des variations de résistance à l'écoulement différentes.
On pourra également agencer au sein d'un ou plusieurs canaux 26 des obstacles 28 produisant des résistances à l'écoulement différentes. L'insertion d'une structure poreuse 28, par exemple une mousse métallique, au sein d'un canal permettra d'augmenter sa résistance à l'écoulement. On pourra ainsi ajuster la résistance linéique à l'écoulement des canaux 26, en faisant varier les caractéristiques des structures 28 insérées, telles que volume, densité, ... selon les canaux. Dans l'exemple illustré sur la Figure 3B, le volume occupé par les structures poreuses 28 décroît suivant la direction latérale y, de manière à produire des variations de résistance linéique à l'écoulement plus faibles selon y-
Selon l'exemple schématisé sur la Figure 4, des cloisons 28 peuvent être agencées dans un ou plusieurs canaux 26 de manière à créer un étage supplémentaire de division de la zone de distribution 22. Cela permet de faire varier la résistance linéique à l'écoulement ainsi que de contrôler encore plus finement les paramètres d'écoulement du fluide distribué vers ou récupéré de la zone d'échange de chaleur 21 . L'utilisation de cloisons 28 supplémentaires est notamment avantageuse lorsque la première extrémité 23 de l'élément de distribution a une largeur trop faible pour pouvoir être divisé en un nombre suffisant de canaux 26.
Selon le cas, les parois séparatrices 25 et/ou les cloisons 28, peuvent présenter, en coupe longitudinale, des profils rectilignes, comme illustré sur les Figures 2 et 4, ou curvilignes, comme illustré sur les Figures 3A, 3B et 5A, 5B.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, les parois séparatrices 25 présentent des profils curvilignes prédéterminés comprenant au moins un point d'inflexion P.
Une telle géométrie permet de dévier le fluide plus rapidement, c'est-à- dire sur une distance L1 plus courte, et ce sur une largeur importante du passage de l'échangeur. Il est ainsi possible de réduire l'étendue longitudinale de la zone de distribution 20, et d'augmenter en conséquence la tenue mécanique de l'échangeur puisque l'on augmente la compacité de la zone dite « faible » de l'échangeur.
Cela offre également la possibilité de réduire la largeur de la première extrémité 23 de l'élément de distribution 22, et donc la largeur du collecteur 7, qui est une pièce relativement coûteuse. De préférence, la première extrémité 23 formant entrée ou sortie de l'élément de distribution 22 présente, suivant la direction latérale y, une largeur L3 comprise entre 50 et 1000 mm, de préférence encore comprise entre 100 et 500 mm.
De tels profils permettent également de réduire les pertes de charge au sein des canaux 26, les changements brusques de profils de canal étant connus pour générer des recirculations de fluides à l'origine de pertes de charges.
De préférence, l'élément de distribution 22 présente, parallèlement à la direction longitudinale z, une longueur L1 inférieure à 500 mm, de préférence comprise entre 50 et 200 mm, de préférence encore comprise entre 80 et 100 mm. De préférence, la longueur L1 de l'élément de distribution 22 représente moins de 20% de la longueur de la zone d'échange 21 . L'élément de distribution 22 présente, parallèlement à la direction latérale y, une largeur L2, le rapport entre une longueur L1 et la largeur L2 étant inférieur à 20%, de préférence compris entre 5 et 1 0%. La largeur L2 est de préférence comprise entre 500 et 1 500 mm. L'élément de distribution 22 est avantageusement formé d'un matériau métallique, de préférence de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. L'élément peut être formé en particulier d'un matériau poreux, de préférence à pores non débouchants, par exemple une mousse métallique.
De préférence, l'élément de distribution 22 est monolithique, ce qui permet de minimiser les accidents le long des voies d'écoulement du fluide.
L'élément 22 peut être fabriqué par une méthode de fabrication additive, de préférence par projection thermique, ce qui permet de réaliser d'un seul bloc des pièces de géométries complexes. En particulier, on pourra utiliser un procédé de projection à froid dit « cold spray ».
A noter que le procédé de fabrication additive peut aussi être désigné par les termes « impression 3D » ou « impression tridimensionnelle ». La fabrication additive permet de produire un objet réel, en utilisant une imprimante spécifique qui dépose et/ou solidifie de la matière, couche par couche, pour obtenir la pièce finale. L'empilement de ces couches permet de créer un volume.
L'élément 22 peut aussi être fabriqué par les procédés de fabrication additive suivants:
- le procédé FDM (acronyme de « Fuse Déposition Modeling »), qui consiste en un modelage par dépôt de matière en fusion),
- la stéréolithographie (SLA), procédé dans lequel un rayonnement ultraviolet solidifie une couche de plastique liquide, ou
- le frittage sélectif par laser, dans lequel un laser agglomère une couche de poudre.
De façon alternative, l'élément de distribution 22 peut être fabriqué par fonderie. Ce procédé de fabrication permet de réaliser des pièces de géométries complexes à un coût relativement faible comparé à la fabrication additive. De préférence, l'élément 22 est formé d'un alliage d'aluminium pour fonderie, c'est- à-dire un alliage dont le constituant principal est l'aluminium, de masse volumique inférieure à destiné à être transformé par des techniques de fonderie.
S'agissant des zones d'échange de chaleur 21 de l'échangeur, celles- ci comprennent avantageusement des structures d'échange thermique 8 disposées entre les plaques 2, comme montré sur la Figure 1 . Ces structures ont pour fonction d'augmenter la surface d'échange thermique de l'échangeur et jouent le rôle d'entretoises entre les plaques 2, notamment lors de l'assemblage par brasage de l'échangeur, pour éviter toute déformation des plaques lors de la mise en oeuvre des fluides sous pression.
De préférence, ces structures comprennent des ondes d'échange thermique 8 qui s'étendent avantageusement suivant la largeur et la longueur des passages de l'échangeur, parallèlement aux plaques 2. Ces ondes 8 peuvent être formées sous forme de tôles ondulées. Dans ce cas, on appelle « ailettes » les jambes d'onde qui relient les sommets et les bases successifs de l'onde. Les structures d'échange 8 peuvent aussi revêtir d'autres formes particulières définies selon les caractéristiques d'écoulement de fluide souhaitées. De manière plus générale, le terme « ailettes » couvre des lames ou autres surfaces secondaires d'échange thermique, qui s'étendent depuis les surfaces primaires d'échange thermiques, c'est-à-dire les plaques de l'échangeur, dans les passages de l'échangeur.
Au sein d'un passage, l'élément de distribution 22 selon l'invention et la structure d'échange thermique 8 sont de préférence juxtaposées le long de l'axe longitudinal z, c'est-à-dire positionnées bout à bout. Etant noté qu'un faible jeu peut exister entre ces éléments, ceci afin de ne pas boucher les canaux de la zone d'échange 21 qui sont en regard des parois 25 des canaux de la zone de distribution 22. De préférence, la première extrémité 23 de l'élément 22 est agencée bout-à-bout avec au moins une partie du collecteur 7 tandis que la deuxième extrémité 24 est agencée bout-à-bout avec au moins une partie de la structure 8. De préférence, la structure 8, le collecteur 7 et/ou l'élément 22 sont liés par brasage aux plaques 2 et sont liés indirectement entre eux via leurs liaisons respectives avec les plaques 2. Avantageusement, l'élément 22 est assemblé aux plaques 2 par brasage du support 27 aux plaques 2, le support ou fond 27 comprenant au moins une face revêtue d'un agent de brasage. Cette face est positionnée en regard d'une plaque 2 de façon à former une surface de liaison avec ladite plaque 2. De façon alternative ou complémentaire, les plaques 2 présentent en tout ou partie au moins une face revêtue au moins en partie d'une couche d'agent de brasage.
Afin de montrer l'efficacité d'un élément de distribution 22 selon l'invention pour distribuer de façon uniforme le fluide, des simulations d'écoulement de fluide ont été réalisées avec un élément de distribution selon la Figure 5B.
Les caractéristiques dimensionnelles de l'élément de distribution 22 étaient les suivantes :
- longueur L1 de l'élément 22 : 85 mm,
- demi-largeur L2/2 de l'élément 22 : 485 mm,
- largeur L3 de la première extrémité 23 formant entrée: 370mm,
- jeu mécanique entre l'élément de distribution 22 et la structure d'échange thermique 8: 2 mm,
- hauteur de l'élément 22: 9,5mm (les parois 25 ayant une hauteur, suivant la direction verticale x de 7,5 mm et lefond 27 ayant une épaisseur de 2 mm),
- épaisseur des parois 25: 2,3 mm.
S'agissant du fluide, les paramètres de simulation étaient les suivants : - nature du fluide : azote,
- pression du fluide en sortie de l'élément de distribution 22: 1 ,2 bar,
- température du fluide à l'entrée du collecteur 7: - 80 ° C,
- température du fluide à la sortie du collecteur 9: 17° C,
- débit massique de fluide circulant dans le passage de l'échangeur:
100kg/h.
Les résultats de ces simulations sont présentés sur les Figures 6A, 6B, 6C et 7. Les Figures 6A, 6B et 6C représentent les cartes des vitesses, pressions et températures du fluide s'écoulant au sein des canaux 26 de l'élément de distribution 22. On constate une distribution quasi-homogène du fluide en sortie des canaux 26. La Figure 7 indique l'évolution des valeurs de vitesse dite axiale (« axial velocity »), c'est-à-dire suivant la direction longitudinale z, obtenues en sortie de l'élément 22, en fonction de la position suivant la direction latérale y. On part ainsi du centre de l'élément de distribution 22 (position à 0 mm) jusqu'au bord de la deuxième extrémité 23 (position à 485 mm). La distribution des valeurs de vitesses le long de la direction latérale y se caractérise par une déviation standard (ou écart-type) de 0,9% et un écart maximal de 2.8% par rapport à la valeur moyenne de la vitesse dans la zone d'échange, ce qui est bien inférieur aux variations observées avec les éléments de distribution conventionnels pour lesquels les déviations standards sont de l'ordre de 3%. Grâce à l'invention, on réduit donc les variations de vitesse suivant la direction latérale en sortie de la zone de distribution, ce qui permet de répartir de la façon la plus homogène possible le fluide sur toute la largeur de la zone d'échange de chaleur.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés dans la présente demande. D'autres variantes ou modes de réalisation à la portée de l'homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l'invention. A titre d'exemple, d'autres directions et sens d'écoulement des fluides dans l'échangeur sont bien entendu envisageables, sans sortir du cadre de la présente invention. Un élément de distribution selon l'invention peut ainsi être agencé dans toute zone de distribution de l'échangeur, dans une ou plusieurs séries de passage 3, 4, 5 de l'échangeur, en amont et/ou en aval d'un ou plusieurs des collecteurs de l'échangeur. Par exemple, la Figure 5B illustre la cas où un passage d'échangeur comprend deux élément de distribution selon l'invention agencés de part et d'autre de la zone d'échange de chaleur 21 (schématisée avec une longueur volontairement raccourcie). A noter également que des passages 3, 4, 5 de l'échangeur peuvent aussi bien être formés entre deux plaques 2 successives qu'entre une barre de fermeture 6 de l'échangeur et une plaque 2 immédiatement voisine.

Claims

REVENDICATIONS 1 . Echangeur de chaleur (1 ) du type à plaques et ailettes brasé comprenant :
- une pluralité de plaques (2) agencées parallèlement entre elles de façon à définir au moins un ensemble de passages (3) pour l'écoulement d'un fluide (F1 ) destiné à échanger de la chaleur avec au moins un autre fluide (F2), les passages (3) s'étendant suivant une direction longitudinale (z) et une direction latérale (x) perpendiculaire à ladite direction longitudinale (z),
- chaque passage (3) étant divisé, suivant la direction longitudinale (z), en au moins une zone de distribution (20) et une zone d'échange de chaleur (21 ),
- au moins une zone de distribution (20) d'un passage (3) comprenant un élément de distribution (22), ledit élément de distribution (22) comprenant une pluralité de parois séparatrices (25) agencées de manière à diviser ladite zone de distribution (20) en une pluralité de canaux (26) pour l'écoulement du fluide (F1 ), lesdits canaux (26) définissant des trajets d'écoulement de longueurs différentes et présentant des sections de passage de fluide variables le long desdits trajets d'écoulement,
caractérisé en ce que les parois séparatrices (25) de l'élément de distribution (22) sont solidarisées entre elles par l'intermédiaire d'un support (27), ledit support (27) étant brasé avec une plaque (2) adjacente.
2. Echangeur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les parois séparatrices (25) se projettent depuis le support (27) dans le passage (3).
3. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support (27) comprend un fond plan (27), les parois séparatrices (25) se projetant perpendiculairement au fond (27).
4. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une première extrémité (23) formant une entrée ou une sortie pour le fluide (F1 ) et une deuxième extrémité (24) en communication fluidique avec la zone d'échange de chaleur (21 ) lorsque l'élément de distribution est agencé dans une zone de distribution (20), chaque paroi séparatrice (25) étant formée d'une même pièce et s'étendant de façon continue depuis la première extrémité (23) jusqu'à la deuxième extrémité (24).
5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque canal (26) est muni d'une première ouverture (26a) et d'une deuxième ouverture (26b) se situant au niveau des première et deuxième extrémités (23, 24) respectivement, au moins une première ouverture (26a) présentant une section de passage de fluide différente de la section de passage de fluide d'une autre première ouverture (26a) et/ou au moins une deuxième ouverture (26b) présentant une section de passage de fluide différente de la section de passage de fluide d'une autre deuxième ouverture (26b).
6. Echangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les premières ouvertures (26a) et/ou les deuxièmes ouvertures (26b) d'un même canal (26) présentent des sections de passage de fluide d'autant plus grandes que le trajet d'écoulement défini par ledit canal (26) est long.
7. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs canaux (26) comprennent des moyens (28) de modification de la résistance linéique à l'écoulement desdits canaux (26).
8. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens (28) comprennent une conformation des profils intérieurs desdits canaux (26).
9. Echangeur selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce lesdits moyens (28) comprennent des cloisons (28) agencées au sein desdits canaux (26).
10. Echangeur selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce lesdits moyens (28) comprennent des structures poreuses, par exemple des mousses métalliques, agencées au sein desdits canaux (26).
1 1 . Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois séparatrices (25) présentent, en coupe longitudinale, des profils rectilignes.
12. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les parois séparatrices (25) présentent, en coupe longitudinale, des profils curvilignes prédéterminés.
13. Echangeur selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits profils curvilignes prédéterminés comprennent au moins un point d'inflexion (P).
14. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de distribution (22) s'étend sur une longueur (L1 ) suivant une direction longitudinale (z) et sur une largeur (L2) suivant une direction latérale (y), le rapport entre une longueur (L1 ) et la largeur (L2) étant inférieur à 20%, de préférence compris entre 5 et 1 0%.
15. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément de distribution (22) s'étend sur une longueur (L1 ) inférieure à 500 mm, de préférence comprise entre 50 et 200 mm.
16. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément de distribution (22) présente une hauteur, mesurée suivant une direction verticale (x) orthogonale aux plaques (2), d'au moins 2 mm, de préférence au moins 5 mm, de préférence une hauteur comprise entre 2 et 15 mm.
17. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de distribution (22) est un élément monolithique, de préférence fabriqué par une méthode de fabrication additive ou par fonderie.
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