WO2022128952A1 - Échangeur de chaleur à barre de fermeture optimisée pour protection givrage - Google Patents

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WO2022128952A1
WO2022128952A1 PCT/EP2021/085549 EP2021085549W WO2022128952A1 WO 2022128952 A1 WO2022128952 A1 WO 2022128952A1 EP 2021085549 W EP2021085549 W EP 2021085549W WO 2022128952 A1 WO2022128952 A1 WO 2022128952A1
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hot
hot air
pass
inlet
heat exchanger
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/085549
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English (en)
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Aymeric VILLAR
Mickael BREGOLI
Original Assignee
Liebherr-Aerospace Toulouse Sas
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    • F28D2021/008—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for vehicles
    • F28D2021/0084—Condensers

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger.
  • the invention relates to a plate and fin heat exchanger which can be used in an air conditioning system, for example in an air, rail or land vehicle.
  • Heat exchangers are used to allow heat transfer between at least two fluids, in particular to cool or heat one of the fluids using another fluid. Heat exchangers are used in many contexts, and in particular in air conditioning systems for air, rail or land vehicles, in which they make it possible in particular to regulate the temperature of the air conditioned by the air conditioning system. air at different stages of conditioning.
  • plate and fin heat exchangers form one type of design that use closure plates and finned chambers to transfer heat between fluids.
  • the circulation channels formed by the closing plates and the fins allow the circulation of each fluid without mixing with the other fluids, while maximizing the surface area to volume ratio of heat transfer.
  • These types of exchangers are particularly popular in the transport industries, especially air, for their compact size and lightness, while presenting good performance.
  • plate and fin heat exchangers are particularly used to form a set of exchangers consisting of a plate and fin heat exchanger called a reheater and a plate and fin heat exchanger called condenser condenser in English), arranged in series so that they share the same hot pass.
  • the hot pass defines the path taken by a fluid called hot fluid, which will be cooled by crossing the exchanger, by heat exchange with a fluid called cold fluid, crossing the exchanger by a path called cold pass.
  • the cold fluid used is at a low temperature.
  • the fluid may be at a temperature below or close to 0°C, which may lead to risks of icing in the heat exchanger.
  • the presence of frost in the heat exchanger is not desired, as it can lead to reductions in energy performance and pressure drops.
  • the closing bars of the exchangers arranged between each closing plate and delimiting, with the closing plates, the fluid circulation paths. Hot air is injected inside these closing bars to defrost and/or prevent the formation of frost.
  • icing protection generally designates such a de-icing function and/or function to prevent the formation of frost. When they implement this icing protection, the closing bars are commonly called "Hot bar" in English.
  • the arrangement of the hot air inlet for condenser icing protection is generally done at the outlet of the hot pass of the condenser.
  • This inlet is fitted out by welding a hot air inlet and a double wall around this inlet to allow hot air access to the closing bars without mixing with the hot pass or the cold pass of the condenser.
  • the hot air then passes through the closing bars along their length and is discharged into the common hot pass of the heater-condenser system, downstream of the heater and upstream of the condenser.
  • the inventors sought to modify the method of arrival of the hot air used for icing protection via the closing bars at the cold pass inlet.
  • the invention aims to provide a heat exchanger with optimized icing protection.
  • the invention aims in particular to provide, in at least one embodiment, a heat exchanger in which the supply of hot air to the closing bars does not require the welding of a hot air inlet at the level of the flanges connection and a distribution box.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment of the invention, a heater-condenser exchanger system with optimized icing protection.
  • the invention relates to a plate heat exchanger, configured for cross-flow heat exchange between a hot fluid circulating in a hot pass and a cold fluid circulating in a cold pass, the fluids circulating between closing plates , including:
  • the edge of the bundle arranged at the level of an inlet of the cold pass and an inlet to the hot pass comprises a hot air supply inlet, and a plurality of orifices arranged opposite at least one closing bar of the hot pass adjoining said bundle edge, and in that at least one closing bar arranged in the length of the inlet of the cold pass comprises an inlet of said hot air opposite one of the orifices of the edge of the beam, and a circulation circuit of said hot air connected to said hot air inlet, said circulation circuit being U-shaped and comprising:
  • a hot air outlet arranged at one end of the second section and configured to discharge the hot air into the hot pass at the inlet of the hot pass
  • An exchanger therefore makes it possible to optimize the management of the icing protection function via the closure bars, in particular by using a free space at the level of a bundle edge at the level of a hot pass inlet and a cold password entry.
  • the heat exchanger beam edges are commonly called “core-band” in English.
  • the edge of the beam at the entrance to the hot pass and the cold pass is adapted to allow the arrival of hot air and the circulation of hot air in the U-shaped hot air circulation circuit in the bar(s) of closures.
  • each closure bar around which frost is likely to form comprises such a hot air circulation circuit.
  • harness edge as a hot air inlet helps reduce tolerance alterations compared to welding an inlet on the exit side of the hot pass. There is thus no modification to be made at the exit of the hot pass, in particular no intervention at the level of the flanges connection and distribution boxes conventionally installed on heater or condenser type exchangers.
  • the hot fluid and the cold fluid passing through the exchanger are, for example, air (respectively hot air and cold air). cold).
  • At least one closure bar comprising a circulation circuit is manufactured by additive manufacturing.
  • additive manufacturing makes it possible to manufacture a closure bar with an integrated circulation circuit more simply than with conventional machining techniques, in particular without requiring drilling or welding.
  • the use of additive manufacturing also allows greater freedom over the shapes used, in particular to maximize heat exchange in the hot air circulation circuit and thus improve icing protection.
  • the beam edge is manufactured by additive manufacturing.
  • additive manufacturing makes it possible to manufacture the beam border more simply than with conventional machining techniques, in particular without requiring drilling or welding.
  • the use of additive manufacturing also allows greater freedom on the shapes used, in particular for a better configuration of the hot air inlet, the orifices and more generally the hot air supply of each circuit of circulation of hot air.
  • At least one closure bar comprising a circulation circuit and at least a part of the beam border are formed as a single piece.
  • the use of a single piece facilitates the management of the interaction between the beam border and the bar of closure, in particular the circulation of hot air and the interaction between each orifice and the associated circulation circuit.
  • the one-piece parts are made by additive manufacturing.
  • the bundle border comprises a manifold comprising the hot air inlet, extending over the length of the bundle border and configured to supply hot air to each hot air circulation circuit via the orifices.
  • the collector allows the reception of hot air by an inlet and the distribution of hot air to each circulation circuit.
  • the manifold is cylindrical in shape.
  • the collector is directly integrated into the edge of the bundle, during the manufacture of the latter.
  • a part of the collector can be integrated into said collector part.
  • the edge of the bundle thus plays the role of collector of the closing bar icing protection system. We thus speak of “Hot bar manifold” in English. This collector role is played by the double wall in the prior art, as described above.
  • At least one hot air circulation circuit comprises internal fins arranged to increase the heat exchange surface between the hot air and the walls of the circulation circuit.
  • the fins make it possible to maximize the heat exchange between the hot air and the walls of the circuit and thus to optimize the icing protection performance.
  • the fins are configured to offer a good compromise of acceptable pressure drops in view of the entire hot air circulation system and maximization of heat exchange.
  • the invention also relates to a system of heater-condenser exchangers comprising at least a first exchanger, called the heater, and a second exchanger, called the condenser, the heater and the condenser being arranged in series so that a hot fluid passes through the heater then the condenser to be cooled, characterized in that the condenser is a heat exchanger according to the invention.
  • the exchanger according to the invention is particularly suitable for being integrated as a condenser in a system of heater-condenser exchangers.
  • the hot air crossing the hot air circulation circuit is rejected between the heater and the condenser downstream of the hot pass of the heater and upstream of the hot pass of the condenser.
  • the invention also relates to a vehicle air conditioning system, characterized in that it comprises a heater-condenser exchanger system according to the invention.
  • the invention also relates to an aircraft comprising a cabin, characterized in that it comprises an air conditioning system according to the invention for supplying the cabin with conditioned air.
  • the invention also relates to a heat exchanger, a heater-condenser exchanger system, an air conditioning system and an aircraft characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a system of heater-condenser exchangers according to the prior art.
  • FIG. 2 is a partial schematic perspective view of a heat exchanger according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2a is a partial schematic close-up perspective view of part of the heat exchanger according to the first embodiment of the invention.
  • FIG.3 is a partial schematic sectional view of a heat exchanger according to the first embodiment of the invention.
  • FIG.4 is a partial schematic view of a single piece used in a heat exchanger according to a second embodiment of the invention.
  • FIG.5 is a partial schematic perspective view of a heat exchanger according to the second embodiment of the invention.
  • FIG.6 is a partial schematic close-up perspective view of part of the heat exchanger according to the second embodiment of the invention.
  • FIG.7 is a partial schematic close-up sectional view of part of the heat exchanger according to the second embodiment of the invention
  • FIG. 1 schematically represents in perspective a system 10 of heater-condenser exchangers according to the prior art.
  • the system 10 of exchangers comprises two exchangers, a heater 12 and a condenser 14.
  • the exchanger system 10 notably allows the cooling in series of a hot fluid, entering the exchanger system 10 through a hot pass inlet 16 and exiting through a hot pass outlet 18 after having successively passed through the heater 12 and condenser 14.
  • the hot fluid is cooled by a first cold fluid entering through a first cold pass inlet not visible in the figure, and leaving through an outlet 20 of the first cold pass.
  • the hot fluid previously cooled by the heater is cooled by a second cold fluid entering through an inlet 22 of the second cold pass and exiting through an outlet 24 of the second cold pass.
  • the second cold fluid is air which comes from the outlet 18 of the cold pass, after extraction of the condensed water which it contains and after cooling and expansion by a turbine of cooling of the air conditioning system.
  • This air forming the second cold fluid has a temperature that can approach 0° C. which can lead to risks of frost formation.
  • the icing protection is implemented by a supply of hot air from closing bars of the exchanger (not shown), the hot air entering through a hot air inlet 26 arranged on a box 28 distribution at the outlet of the hot pass of the condenser 14.
  • the presence of this hot air inlet 26 requires welding in the distribution box 28 of this hot air inlet 26 as well as a double internal wall making it possible to avoid a mixture between the hot air intended for the closing bars and the hot fluid leaving the hot pass of the condenser.
  • Figures 2, 2a and 3 represent a heat exchanger according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 schematically and partially represents, in perspective, a heat exchanger 100 according to the first embodiment of the invention.
  • the heat exchanger 100 is for example a condenser of a system of heater-condenser type exchangers.
  • FIG. 2a shows a close-up of part 2a of FIG. 2 delimited by a dotted rectangle.
  • the exchanger 100 allows an exchange of heat between a hot fluid and a cold fluid.
  • the hot fluid enters through a hot pass inlet (not shown), passes through the exchanger through a hot pass and exits through a hot pass outlet 118.
  • the cold fluid enters through a cold pass inlet 122, shown here without a distribution box to view part of the interior of the exchanger.
  • the tightness between the hot pass and the cold pass is in particular maintained by the presence of bundle edges forming edges of the exchangers, in particular here are visible a first edge 130a of beam at the level of the entry of the cold pass and the entry of the hot pass, and a second edge 130b of beam at the level of the entry of the cold pass and the exit of the hot pass.
  • the exchanger also includes non-visible beam edges at the exit of the cold pass.
  • the first edge 130a of the beam at the level of the entrance to the hot pass and the entrance 122 to the cold pass, comprises a hot air inlet 132, arranged in a cylindrical manifold 134, making it possible to supply air hot a plurality of ports 136 of the beam edge. Only three ports 136 are visible here for illustrative purposes. At least two orifices, not visible, are located opposite the closing bars 138 of the exchanger. The closure bars 138, two of which are shown here for illustration purposes, are arranged between each closure plate and delimit, with the closure plates, fluid circulation channels passing through the exchanger.
  • a pass, hot or cold is generally composed of several alternate circulation channels between hot fluid and cold fluid, so as to maximize the heat exchange between the hot fluid and the cold fluid.
  • the closing bars 138 which are arranged along the length of the cold pass make it possible to define the circulation channels for the hot fluid.
  • the cold fluid entering through the inlet 122 of the cold pass bypasses these closing bars 138 to circulate in the cold fluid circulation channels.
  • These cold fluid circulation channels are themselves defined by closing bars, not shown, extending along the length of the inlet and the outlet 118 of the hot pass. Also, non-visible closure bars extending the length of the cold pass outlet.
  • FIG. 3 shows schematically and partially, in section, the exchanger according to the first embodiment.
  • the cut reveals the interior of a closure bar 138.
  • the closure bar 138 comprises a U-shaped hot air circulation circuit 140, comprising a first section 142a and a second section 142b extending the full length of the closure bar, the first section 142a and the second section 142b being connected by an intermediate section 142c forming the base of the U.
  • the hot air circulating in the hot air circulation circuit enters through a hot air inlet 144 opposite the orifice 136, circulates in the first section 142a, then in the intermediate section 142c, then in the second section 142b, and is exhausted through a hot air outlet 146 configured to exhaust hot air into the hot pass at the hot pass inlet.
  • the rejection of hot air in the inlet of the hot pass allows the hot air to be cooled by crossing the cold pass, and thus not to be rejected hot at the exit of the hot pass which can cause problems performance.
  • the hot air circulating in the circulation circuit thus makes it possible to prevent the formation of frost and/or to defrost the surroundings of the closing bars 134, in particular the surroundings of the entrance 122 of the cold pass, thus ensuring protection icing.
  • the closure bars include internal fins so as to increase the heat exchange surface between the hot air and the walls of the circulation circuit.
  • the sections of the circulation circuit may also not be completely straight in order to maximize the length of the circuit and the exchange surface.
  • some or all of the closure bars may include such a U-shaped hot air circulation circuit. If only part of the closing bars includes a hot air circuit, these are preferably distributed over the width of the cold pass inlet to ensure homogeneous icing protection.
  • the manufacture of the beam edging and of the closing bars according to the invention can be carried out by molding and machining.
  • the bundle edge can be obtained from a bundle edge known from the prior art, in which the orifices are drilled facing each closure bar and to which a collector is added by welding.
  • Closing bars can be machined or cast to include the U circuit.
  • the bundle border and/or the closing bars can also be manufactured by additive manufacturing, also called 3D printing, in a material compatible with the function used, in particular with the temperatures and mechanical constraints of a heat exchanger.
  • FIG. 4 schematically and partially represents a part 250 in one piece forming a closure bar and a part of the edge of a bundle of an exchanger according to a second embodiment of the invention.
  • This part 250 is particularly suitable for additive manufacturing, which makes it possible to obtain the desired shapes while reducing manufacturing constraints.
  • Part 250 comprises a closing bar 238 comprising a U-shaped hot air circuit (not visible), and a beam edge part 230 in which a collector part 234 is directly integrated.
  • Part 250 can be integrated into a heat exchanger according to a second embodiment.
  • FIG. 5 schematically and partially represents, in perspective, a heat exchanger 100b according to the second embodiment of the invention.
  • the view is identical to Figure 2, and the second embodiment is similar to the first embodiment in which beam edge portions and closure bars are formed from integral parts 250.
  • intermediate pieces 252 comprise part of the bundle edging and manifold and are inserted between two integral pieces 250 forming each closure bar and bundle edging portion.
  • Figure 6 shows schematically and partially, in perspective and close-up, a part 250 in one piece installed in the exchanger 200 according to the second embodiment of the invention.
  • Part 250 is installed in exchanger 200 between two plates 254 closing the plate heat exchanger.
  • the exchanger 200 is of the plate-fin type and comprises fins 256a arranged in the hot pass and fins 256b arranged in the cold pass.
  • the hot Air enters through a hot air inlet 232 and circulates in the collector 234 of the edge 230 of the bundle to be distributed in the circulation circuit 240 of each closing bar via an orifice 236.
  • the piece of A single piece includes, in this embodiment, an additional section 258 provided in the beam border 230 to bring the air to the orifice 236.
  • the bar of closure can be further integrated between two closure plates 254, in comparison with the first embodiment of the exchanger.
  • the invention is not limited to the embodiments described above.
  • the closing bar, the beam border and the collector can have different shapes.
  • the hot air circulation circuits can, as already described, have different shapes from those shown to maximize heat exchange and thus icing protection, while respecting the pressure drop limits due to the hot air pressure. , its flow, its temperature, the dimensions of the circulation circuit, etc.

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Abstract

Échangeur de chaleur à plaques, configuré pour un échange thermique entre un fluide chaud et un fluide froid, comprenant au moins une bordure (130a, 130b) de faisceau agencée pour maintenir l'étanchéité, une pluralité de barres (138) de fermeture délimitant, avec les plaques de fermeture, des canaux de circulations, caractérisé ce que la bordure (130a) de faisceau agencée au niveau d'une entrée de passe froide et d'une entrée de passe chaude comprend une entrée (132) d'alimentation en air chaud, et en ce qu'au moins une barre (138) de fermeture agencée dans la longueur de l'entrée de la passe froide comprend une entrée dudit air chaud et un circuit de circulation dudit air chaud en forme de U et comprenant deux sections s'étendant chacune dans toute la longueur de la barre de fermeture, une sortie d'air chaud pour rejeter l'air chaud dans la passe chaude, et une section intermédiaire formant la base du U.

Description

DESCRIPTION
TITRE DE L’INVENTION : ÉCHANGEUR DE CHALEUR À BARRE DE FERMETURE OPTIMISÉE POUR PROTECTION GIVRAGE
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne un échangeur de chaleur. En particulier, l’invention concerne un échangeur de chaleur à plaques et ailettes pouvant être utilisé dans un système de conditionnement d’air, par exemple dans un véhicule aérien, ferroviaire ou terrestre.
Arrière-plan technologique
Les échangeurs de chaleurs sont utilisés pour permettre un transfert thermique entre au moins deux fluides, en particulier pour refroidir ou réchauffer l’un des fluides à l’aide d’un autre fluide. Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans de nombreux contextes, et notamment dans les systèmes de conditionnement d’air pour véhicule aérien, ferroviaire ou terrestre, dans lesquels ils permettent notamment de réguler la température de l’air conditionné par le système de conditionnement d’air à différentes étapes du conditionnement.
Parmi les différents types d’échangeurs de chaleur, les échangeurs de chaleur à plaques et ailettes forment un type de conception qui utilisent des plaques de fermeture et des chambres à ailettes pour transférer la chaleur entre les fluides. Les canaux de circulation formés par les plaques de fermeture et les ailettes permettent la circulation de chaque fluide sans mélange avec les autres fluides, tout en maximisant le rapport surface/volume de transfert de chaleur. Ces types d’échangeurs sont notamment plébiscités dans les industries des transports, notamment aérien, pour leur taille compacte et sa légèreté, tout en présentant de bonnes performances.
Dans un système de conditionnement d’air, des échangeurs à plaques et ailettes sont particulièrement utilisés pour former un ensemble d’échangeurs composé d’un échangeur à plaques et ailettes dit réchauffeur (reheater en anglais) et d’un échangeur à plaques et ailettes dit condenseur condenser en anglais), disposés en série de sorte qu’ils partagent la même passe chaude. La passe chaude définit le chemin emprunté par un fluide dit fluide chaud, qui va se refroidir en traversant l’échangeur, par échange de chaleur avec un fluide dit fluide froid, traversant l’échangeur par un chemin dit passe froide.
Dans un système d’échangeurs classique de réchauffeur-condenseur, deux échangeurs de chaleur sont disposés en série de sorte à refroidir un fluide chaud. Les passes chaudes sont donc disposées en série, et dans chaque échangeur, un fluide froid refroidit le fluide chaud.
Dans certaines situations, le fluide froid utilisé est à une température basse. Ainsi, en entrée de la passe froide, le fluide peut être à une température inférieure ou proche de 0°C, ce qui peut entraîner des risques de givrage dans l’échangeur thermique. La présence de givre dans l’échangeur thermique n’est pas souhaitée, car elle peut entraîner des baisses de performances énergétique et des pertes de charge.
Pour éviter la présence de givre dans les échangeurs, une solution est d’utiliser les barres de fermetures des échangeurs, disposées entre chaque plaque de fermeture et délimitant, avec les plaques de fermeture, les chemins de circulation des fluides. Un air chaud est injecté à l’intérieur de ces barres de fermeture pour dégivrer et/ou empêcher la formation de givre. Dans la suite de la description, l’expression « protection givrage » désigne de façon générale une telle fonction de dégivrage et/ou fonction pour empêcher la formation de givre. Lorsqu’elles mettent en œuvre cette protection givrage, les barres de fermeture sont couramment appelées « Hot bar » en anglais.
Une problématique de cette solution est l’aménagement d’une arrivée de cet air chaud. En particulier, dans un système de type réchauffeur-condenseur, l’aménagement de l’arrivée d’air chaud pour la protection givrage du condenseur se fait généralement au niveau de la sortie de la passe chaude du condenseur. L’aménagement de cette arrivée s’effectue par soudage d’une entrée d’air chaud et d’une double paroi autour de cette entrée pour permette l’accès de l’air chaud aux barres de fermeture sans mélange avec la passe chaude ou la passe froide du condenseur. L’air chaud traverse ensuite les barres de fermetures dans leur longueur et est rejetée dans la passe chaude commune du système réchauffeur-condenseur, en aval du réchauffeur et en amont du condenseur.
Cet aménagement présente comme inconvénient la nécessité de souder l’entrée d’air chaud et la cloison, qui entraîne une altération des tolérances des brides de raccordement avec les boitiers de distributions en sortie de passe chaude du condenseur.
Les inventeurs ont cherché à modifier la méthode d’arrivée de l’air chaud utilisé pour la protection givrage via les barres de fermetures en entrée de passe froide.
Objectifs de l’invention
L’invention vise à fournir un échangeur de chaleur avec une protection givrage optimisée.
L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un échangeur de chaleur dans lequel l’alimentation en air chaud des barres de fermetures ne nécessite pas le soudage d’une entrée d’air chaud au niveau des brides de raccordement et d’un boitier de distribution.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un système d’échangeur réchauffeur-condenseur à protection givrage optimisée.
Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention concerne un échangeur de chaleur à plaques, configuré pour un échange thermique à flux croisés entre un fluide chaud circulant dans une passe chaude et un fluide froid circulant dans une passe froide, les fluides circulant entre des plaques de fermetures, comprenant :
- au moins une bordure de faisceau agencée pour former des arêtes de l’échangeur et garantir l’étanchéité entre la passe chaude et la passe froide,
- une pluralité de barres de fermeture disposée entre chaque plaque de fermeture et délimitant, avec les plaques de fermeture, des canaux de circulations des fluides traversant l’échangeur, caractérisé ce que la bordure de faisceau agencée au niveau d’une entrée de la passe froide et d’une entrée de la passe chaude comprend une entrée d’alimentation en air chaud, et une pluralité d’orifices disposés en regard d’au moins une barre de fermeture de la passe chaude attenante à ladite bordure de faisceau, et en ce qu’au moins une barre de fermeture agencée dans la longueur de l’entrée de la passe froide comprend une entrée dudit air chaud en regard d’un des orifices de la bordure de faisceau, et un circuit de circulation dudit air chaud connecté à ladite entrée d’air chaud, ledit circuit de circulation étant en forme de U et comprenant :
- une première section et une deuxième section s’étendant chacune dans toute la longueur de la barre de fermeture,
- une sortie d’air chaud agencé à une extrémité de la deuxième section et configurée pour rejeter l’air chaud dans la passe chaude au niveau de l’entrée de la passe chaude, et
- une section intermédiaire formant la base du U et reliant la première section à la deuxième section par leur extrémité opposée respectivement à l’entrée d’air chaud et à la sortie d’air chaud
Un échangeur selon l’invention permet donc d’optimiser la gestion de la fonction de protection givrage via les barres de fermeture, notamment en utilisant un espace libre au niveau d’une bordure de faisceau au niveau d’une entrée de passe chaude et d’une entrée de passe froide. Les bordures de faisceau de l’échangeur sont couramment appelées « core-band » en anglais. La bordure de faisceau en entrée de passe chaude et de passe froide est adaptée pour permettre l’arrivée de l’air chaud et la circulation de l’air chaud dans le circuit de circulation d’air chaud en U dans la ou les barres de fermetures. De préférence, chaque barre de fermeture autour de laquelle du givre est susceptible de se former comprend un tel circuit de circulation d’air chaud.
L’utilisation de la bordure de faisceau comme entrée d’air chaud permet de réduire les altérations de tolérance par rapport au soudage d’une entrée du côté de la sortie de la passe chaude. Il n’y a ainsi pas de modification à faire au niveau de la sortie de la passe chaude, en particulier pas d’intervention au niveau des brides de raccordement et des boîtiers de distribution classiquement installés sur les échangeurs de type réchauffeur ou condenseur.
Dans le cadre de l’utilisation de l’échangeur dans un système de conditionnement d’air, le fluide chaud et le fluide froid traversant l’échangeur sont par exemple de l’air (respectivement de l’air chaud et de l’air froid).
Avantageusement et selon l’invention, au moins une barre de fermeture comprenant un circuit de circulation est fabriquée par fabrication additive.
Selon cet aspect de l’invention, la fabrication additive permet de fabriquer une barre de fermeture avec un circuit de circulation intégré plus simplement qu’avec des techniques d’usinage classiques, en particulier sans nécessiter de perçage ou de soudage. L’utilisation de la fabrication additive permet en outre une plus grande liberté sur les formes utilisées, notamment pour maximiser l’échange thermique dans le circuit de circulation d’air chaud et ainsi améliorer la protection givrage.
Avantageusement et selon l’invention, la bordure de faisceau est fabriquée par fabrication additive.
Selon cet aspect de l’invention, la fabrication additive permet de fabriquer la bordure de faisceau plus simplement qu’avec des techniques d’usinage classiques, en particulier sans nécessiter de perçage ou de soudage. L’utilisation de la fabrication additive permet en outre une plus grande liberté sur les formes utilisées, notamment pour une meilleure configuration de l’entrée de l’air chaud, des orifices et plus généralement de l’alimentation en air chaud de chaque circuit de circulation d’air chaud.
Avantageusement et selon l’invention, au moins une barre de fermeture comprenant un circuit de circulation et au moins une partie de la bordure de faisceau sont formées d’une pièce d’un seul tenant.
Selon cet aspect de l’invention, l’utilisation d’une pièce d’un seul tenant facilite la gestion de l’interaction entre la bordure de faisceau et la barre de fermeture, en particulier la circulation de l’air chaud et l’interaction entre chaque orifice et le circuit de circulation associé. De préférence, les pièces d’un seul tenant sont fabriquées par fabrication additive.
Avantageusement et selon l’invention, la bordure de faisceau comprend un collecteur comprenant l’entrée d’air chaud, s’étendant sur la longueur de la bordure de faisceau et configuré pour alimenter en air chaud chaque circuit de circulation d’air chaud via les orifices.
Selon cet aspect de l’invention, le collecteur permet la réception de l’air chaud par une entrée et la distribution de l’air chaud à chaque circuit de circulation.
De préférence, le collecteur est de forme cylindrique. Dans une variante de l’invention, le collecteur est directement intégré dans la bordure de faisceau, lors de la fabrication de celle-ci.
Dans une variante de l’invention dans laquelle une barre de fermeture et une partie de collecteur sont formées d’une pièce d’un seul tenant, une partie du collecteur peut être intégrée dans ladite partie de collecteur. En joignant les pièces d’un seul tenant, éventuellement avec des pièces intermédiaires comprenant des parties de la bordure de faisceau et du collecteur sans barre de fermeture, on obtient une bordure de faisceau complète comprenant un collecteur s’étendant sur la longueur de la bordure de faisceau de sorte à alimenter en air chaud chaque circuit de circulation d’air chaud.
La bordure de faisceau joue ainsi le rôle de collecteur du système de protection givrage des barres de fermeture. On parle ainsi de « Hot bar manifold » en anglais. Ce rôle de collecteur est joué par la double paroi dans l’art antérieur, comme décrit précédemment.
Avantageusement et selon l’invention, au moins un circuit de circulation d’air chaud comprend des ailettes internes agencée pour augmenter la surface d’échange thermique entre l’air chaud et les parois du circuit de circulation.
Selon cet aspect de l’invention, les ailettes permettent de maximiser l’échange thermique entre l’air chaud et les parois du circuit et ainsi optimiser les performances de la protection givrage. Les ailettes sont configurées pour offrir un bon compromis de pertes de charge acceptable au vu de l’ensemble du système de circulation d’air chaud et maximisation de l’échange thermique.
L’invention concerne également un système d’échangeurs réchauffeur- condenseur comprenant au moins un premier échangeur, dit réchauffeur, et un deuxième échangeur, dit condenseur, le réchauffeur et le condenseur étant agencés en série de sorte à ce qu’un fluide chaud traverse le réchauffeur puis le condenseur pour être refroidi, caractérisé en ce que le condenseur est un échangeur de chaleur selon l’invention.
L’échangeur selon l’invention est particulièrement adapté pour être intégré en tant que condenseur dans un système d’échangeurs réchauffeur-condenseur. Dans ce contexte, l’air chaud traversant le circuit de circulation d’air chaud est rejeté entre le réchauffeur et le condenseur en aval de la passe chaude du réchauffeur et en amont de la passe chaude du condenseur.
L’invention concerne également un système de conditionnement d’air d’un véhicule, caractérisé en ce qu’il comprend un système d’échangeur réchauffeur- condenseur selon l’invention.
L’invention concerne également un aéronef comprenant une cabine, caractérisé en ce qu’il comprend un système de conditionnement d’air selon l’invention pour l’alimentation en air conditionné de la cabine
L’invention concerne également un échangeur de chaleur, un système d’échangeurs réchauffeur-condenseur, un système de conditionnement d’air et un aéronef caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
Liste des figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :
[Fig. 1] est une vue schématique en perspective d’un système d’échangeurs réchauffeur-condenseur selon l’art antérieur. [Fig. 2] est vue schématique partielle en perspective d’un échangeur de chaleur selon un premier mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 2a] est vue schématique partielle en perspective en gros plan d’une partie de l’échangeur de chaleur selon le premier mode de réalisation de l’invention.
[Fig.3] est vue schématique partielle en coupe d’un échangeur de chaleur selon le premier mode de réalisation de l’invention.
[Fig.4] est une vue schématique partielle d’une pièce d’un seul tenant utilisé dans un échangeur de chaleur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
[Fig.5] est vue schématique partielle en perspective d’un échangeur de chaleur selon le deuxième mode de réalisation de l’invention.
[Fig.6] est vue schématique partielle en perspective en gros plan d’une partie de l’échangeur de chaleur selon le deuxième mode de réalisation de l’invention.
[Fig.7] est vue schématique partielle en coupe en gros plan d’une partie de l’échangeur de chaleur selon le deuxième mode de réalisation de l’invention
Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention
Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté.
En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures.
La figure 1 représente schématiquement en perspective un système 10 d’échangeurs réchauffeur-condenseur selon l’art antérieur. Le système 10 d’échangeurs comprend deux échangeurs, un réchauffeur 12 et un condenseur 14.
Le système 10 d’échangeurs permet notamment le refroidissement en série d’un fluide chaud, entrant dans le système 10 d’échangeur par une entrée 16 de passe chaude et sortant par une sortie 18 de passe chaude après avoir traversé successivement le réchauffeur 12 et le condenseur 14.
Dans le réchauffeur, le fluide chaud est refroidi par un premier fluide froid entrant par une entrée de première passe froide non visible sur la figure, et sortant par une sortie 20 de première passe froide. Dans le condenseur, le fluide chaud préalablement refroidi par le réchauffeur est refroidi par un deuxième fluide froid entrant par une entrée 22 de deuxième passe froide et sortant par une sortie 24 de deuxième passe froide.
Dans un système de conditionnement d’air classique, le deuxième fluide froid est de l’air qui provient de la sortie 18 de la passe froide, après extraction de l’eau condensée qu’il contient et après refroidissement et détente par une turbine de refroidissement du système de conditionnement d’air. Cet air formant le deuxième fluide froid a une température qui peut approcher les 0°C ce qui peut entraîner des risques de formation de givre. Dans l’art antérieur, la protection givrage est mise en œuvre par une alimentation en air chaud de barres de fermetures de l’échangeur (non représentées), l’air chaud entrant par une entrée 26 d’air chaud agencée sur une boite 28 de distribution en sortie de la passe chaude du condenseur 14. La présence de cette entrée 26 d’air chaud nécessite une soudure dans la boite 28 de distribution de cette entrée 26 d’air chaud ainsi que d’une double paroi interne permettant d’éviter un mélange entre l’air chaud destiné aux barres de fermetures et le fluide chaud sortant de la passe chaude du condenseur.
Les figures 2, 2a et 3 représentent un échangeur de chaleur selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La figure 2 représente schématiquement et partiellement, en perspective, un échangeur 100 de chaleur selon le premier mode de réalisation de l’invention. L’échangeur 100 de chaleur est par exemple un condenseur d’un système d’échangeurs de type réchauffeur-condenseur. La figure 2a représente en gros plan une partie 2a de la figure 2 délimitée par un rectangle en pointillés.
L’échangeur 100 permet un échange de chaleur entre un fluide chaud et un fluide froid. Le fluide chaud entre par une entrée de passe chaude (non représentée), traverse l’échangeur par une passe chaude et sort par une sortie 118 de passe chaude. Le fluide froid entre par une entrée 122 de passe froide, représentée ici sans boîte de distribution pour visualiser en partie l’intérieur de l’échangeur. L’étanchéité entre la passe chaude et la passe froide est notamment maintenue par la présence de bordures de faisceau formant des arêtes de l’échangeurs, notamment ici sont visibles une première bordure 130a de faisceau au niveau de l’entrée de la passe froide et de l’entrée de la passe chaude, et une deuxième bordure 130b de faisceau au niveau de l’entrée de la passe froide et de la sortie de la passe chaude. L’échangeur comprend aussi des bordures de faisceau non visibles au niveau de la sortie de la passe froide.
La première bordure 130a de faisceau, au niveau de l’entrée de la passe chaude et de l’entrée 122 de la passe froide, comprend une entrée 132 d’air chaud, agencée dans un collecteur 134 cylindrique, permettant d’alimenter en air chaud une pluralité d’orifices 136 de la bordure de faisceau. Seuls trois orifices 136 sont visibles ici à des fins d’illustration. Au moins deux orifices, non visibles, sont situés en regard de barres 138 de fermetures de l’échangeur. Les barres 138 de fermetures, dont deux sont représentées ici à des fins d’illustration, sont disposées entre chaque plaque de fermeture et délimitent, avec les plaques de fermeture, des canaux de circulations des fluides traversant l’échangeur. Même si seules deux des barres 138 de fermetures sont représentées, les barres 138 de fermeture sont en pratique réparties sur la totalité de la largeur de l’entrée de la passe froide, de sorte à fermer tous les canaux de circulation de fluide chaud. Une passe, chaude ou froide, est généralement composés de plusieurs canaux de circulations alternés entre fluide chaud et fluide froid, de sorte à maximiser l’échange thermique entre le fluide chaud et le fluide froid.
Les barres 138 de fermetures qui sont agencées dans la longueur de la passe froide permettent de définir les canaux de circulations du fluide chaud. Le fluide froid entrant par l’entrée 122 de la passe froide contourne ces barres 138 de fermetures pour circuler dans les canaux de circulation du fluide froid. Ces canaux de circulation du fluide froid sont eux-mêmes définis par des barres de fermeture non représentées, s’étendant dans la longueur de l’entrée et de la sortie 118 de la passe chaude. De même, des barres de fermetures non visibles s’étendant dans la longueur de la sortie de la passe froide.
La figure 3 représente schématiquement et partiellement, en coupe, l’échangeur selon le premier mode de réalisation. En particulier, la coupe fait apparaitre l’intérieur d’une barre 138 de fermeture. La barre 138 de fermeture comprend un circuit 140 de circulation d’air chaud en forme de U, comprenant une première section 142a et une deuxième section 142b s’étendant dans toute la longueur de la barre de fermeture, la première section 142a et la deuxième section 142b étant reliées par une section 142c intermédiaire formant la base du U.
L’air chaud circulant dans le circuit de circulation d’air chaud entre par une entrée 144 d’air chaud en regard de l’orifice 136, circule dans la première section 142a, puis dans la section 142c intermédiaire, puis dans la deuxième section 142b, et est rejetée par une sortie 146 d’air chaud configurée pour rejeter l’air chaud dans la passe chaude au niveau de l’entrée de la passe chaude. Le rejet de l’air chaud dans l’entrée de la passe chaude permet à l’air chaud d’être refroidi en traversant la passe froide, et ainsi de ne pas être rejeté chaud en sortie de passe chaude ce qui peut entraîner des problématiques de performances.
L’air chaud circulant dans le circuit de circulation permet ainsi d’éviter la formation de givre et/ou de dégivrer les alentours des barres 134 de fermeture, en particulier les alentours de l’entrée 122 de la passe froide, assurant ainsi une protection givrage. Dans un mode de réalisation non représenté, les barres de fermetures comprennent des ailettes internes de façon à augmenter la surface d’échange thermique entre l’air chaud et les parois du circuit de circulation. Les sections du circuit de circulation peuvent aussi ne pas être totalement rectilignes de façon à maximiser la longueur du circuit et la surface d’échange.
Selon les modes de réalisation, une partie ou l’ensemble des barres de fermetures peut inclure un tel circuit en U de circulation d’air chaud. Si seule une partie des barres de fermetures comprend un circuit d’air chaud, celles-ci sont de préférence réparties sur la largeur de l’entrée de passe froide pour assurer une protection givrage homogène.
La fabrication de la bordure de faisceau et des barres de fermetures selon l’invention peut être effectuée par moulage et usinage. En particulier, la bordure de faisceau peut être obtenue à partir d’une bordure de faisceau connue de l’art antérieur, à laquelle on perce les orifices en regard de chaque barre de fermeture et à laquelle on ajoute un collecteur par soudage. Les barres de fermetures peuvent être usinées ou moulées de sorte à inclure le circuit en U.
La bordure de faisceau et/ou les barres de fermetures peuvent être aussi fabriquées par fabrication additive, aussi appelée impression 3D, dans une matière compatible avec la fonction utilisée, en particulier avec les températures et contraintes mécaniques d’un échangeur de chaleur.
La figure 4 représente schématiquement et partiellement une pièce 250 d’un seul tenant formant une barre de fermeture et une partie de bordure de faisceau d’un échangeur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Cette pièce 250 est particulièrement adaptée à une fabrication additive, qui permet d’obtenir les formes souhaitées en réduisant les contraintes de fabrication.
La pièce 250 comprend une barre 238 de fermeture comprenant un circuit d’air chaud en U (non visible), et une partie 230 de bordure de faisceau dans laquelle est directement intégrée une partie 234 de collecteur.
La pièce 250 peut être intégrée dans un échangeur de chaleur selon un deuxième mode de réalisation.
La figure 5 représente schématiquement et partiellement, en perspective, un échangeur 100b de chaleur selon le deuxième mode de réalisation de l’invention. La vue est identique à la figure 2, et le deuxième mode de réalisation est similaire au premier mode de réalisation dans lequel des parties de bordure de faisceau et les barres de fermetures sont formées de pièces 250 d’un seul tenant. Pour compléter la bordure de faisceau, des pièces 252 intermédiaires comprennent une partie de la bordure de faisceau et du collecteur et sont insérées entre deux pièces 250 d’un seul tenant formant chaque barre de fermeture et partie de bordure de faisceau.
La figure 6 représente schématiquement et partiellement, en perspective et en gros plan, une pièce 250 d’un seul tenant installée dans l’échangeur 200 selon le deuxième mode de réalisation de l’invention. La pièce 250 est installée dans l’échangeur 200 entre deux plaques 254 de fermeture de l’échangeur de chaleur à plaques. Dans ce mode de réalisation préférentiel, l’échangeur 200 est de type plaques-ailettes et comprend des ailettes 256a agencées dans la passe chaude et des ailettes 256b agencées dans la passe froide.
Comme visible sur la figure 7 représentant une partie de la pièce 250 d’un seul tenant en coupe, Fair chaud entre par une entrée 232 d’air chaud et circule dans le collecteur 234 de la bordure 230 de faisceau pour être distribuée dans le circuit 240 de circulation de chaque barre de fermeture via un orifice 236. La pièce d’un seul tenant comprend, dans ce mode de réalisation, une section supplémentaire 258 prévue dans la bordure 230 de faisceau pour amener l’air jusqu’à l’orifice 236. De cette façon, comme visible sur la figure 6, la barre de fermeture peut être intégrée davantage entre deux plaques 254 de fermeture, en comparaison avec le premier mode de réalisation de l’échangeur. L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits précédemment.
En particulier, la barre de fermeture, la bordure de faisceau et le collecteur peuvent avoir des formes différentes. Les circuits de circulation d’air chaud peuvent, comme déjà décrit, avoir des formes différentes de celles représentées pour maximiser l’échange thermique et ainsi la protection givrage, en respectant les limites de pertes de charges dus à la pression de l’air chaud, son débit, sa température, aux dimensions du circuit de circulation, etc.

Claims

REVENDICATIONS Échangeur de chaleur à plaques, configuré pour un échange thermique à flux croisés entre un fluide chaud circulant dans une passe chaude et un fluide froid circulant dans une passe froide, les fluides circulant entre des plaques de fermetures, comprenant : au moins une bordure (130a, 130b, 230) de faisceau agencée pour former des arêtes de l’échangeur et garantir l’étanchéité entre la passe chaude et la passe froide, une pluralité de barres (138, 238) de fermeture disposée entre chaque plaque (254) de fermeture et délimitant, avec les plaques (254) de fermeture, des canaux de circulations des fluides traversant l’échangeur, caractérisé ce que la bordure (130a, 230) de faisceau agencée au niveau d’une entrée de la passe froide et d’une entrée de la passe chaude comprend une entrée (132, 232) d’alimentation en air chaud, et une pluralité d’orifices (136, 236) disposés en regard d’au moins une barre (138, 238) de fermeture de la passe chaude attenante à ladite bordure (130a, 230) de faisceau, et en ce qu’au moins une barre (138, 238) de fermeture agencée dans la longueur de l’entrée (122) de la passe froide comprend une entrée (144) dudit air chaud en regard d’un des orifices (136, 236) de la bordure de faisceau, et un circuit (140, 240) de circulation dudit air chaud connecté à ladite entrée d’air chaud, ledit circuit (140, 240) de circulation étant en forme de U et comprenant : une première section (142a) et une deuxième section (142b) s’étendant chacune dans toute la longueur de la barre (138, 238) de fermeture, une sortie (146) d’air chaud agencée à une extrémité de la deuxième section (142b) et configurée pour rejeter l’air chaud dans la passe chaude au niveau de l’entrée de la passe chaude, et une section (142c) intermédiaire formant la base du U et reliant la première section (142a) à la deuxième section (142b) par leur extrémité opposée respectivement à l’entrée (144) d’air chaud et à la sortie (146) d’air chaud. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins une barre (138, 238) de fermeture comprenant un circuit de circulation est fabriquée par fabrication additive. Échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la bordure (130a, 230) de faisceau est fabriquée par fabrication additive. Échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’au moins une barre (238) de fermeture comprenant un circuit de circulation et au moins une partie (230) de la bordure de faisceau sont formées d’une pièce (250) d’un seul tenant Échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la bordure (130a, 230) de faisceau comprend un collecteur (134, 234) comprenant l’entrée d’air chaud, s’étendant sur la longueur de la bordure (130a, 230) de faisceau et configuré pour alimenter en air chaud chaque circuit de circulation d’air chaud via les orifices (136, 236). Échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’au moins un circuit de circulation d’air chaud comprend des ailettes internes agencée pour augmenter la surface d’échange thermique entre l’air chaud et les parois du circuit de circulation. Système d’échangeurs réchauffeur-condenseur comprenant au moins un premier échangeur, dit réchauffeur, et un deuxième échangeur, dit condenseur, le réchauffeur et le condenseur étant agencés en série de sorte à ce qu’un fluide chaud traverse le réchauffeur puis le condenseur pour être refroidi, caractérisé en ce que le condenseur est un échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 6. Système de conditionnement d’air d’un véhicule, caractérisé en ce qu’il comprend un système d’échangeur réchauffeur-condenseur selon la revendication 7. Aéronef comprenant une cabine, caractérisé en ce qu’il comprend un système de conditionnement d’air selon la revendication 8 pour l’alimentation en air conditionné de la cabine.
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