Echangeur de chaleur à tubes plats

Abstract

 L'invention concerne un échangeur de chaleur.
Celui-ci est notamment du type comprenant un grand nombre de premières voies d'écoulement d'un premier fluide (F1) d'une première température, réalisées en un matériau thermiquement conducteur et s'étendant axialement dans un carter creux parcouru par un second fluide (F2)d'une seconde température différente de ladite première température, en contact d'échange thermique avec lesdites premières voies. L'échangeur est caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de tubes plats (3) parallèles, juxtaposés dans la direction perpendiculaire à leur grand axe, à une distance prédéterminée les uns des autres, et dont l'espace interne (1) est divisé par des moyens intercalaires en un matériau thermiquement conducteur en une pluralité de canaux parallèles qui constituent lesdites premières voies d'écoulement, et en ce que le second fluide F2 s'écoule à travers les espaces (18) entre des tubes plats adjacents (3).
L'invention est utilisable dans le domaine des échangeurs de chaleur.

Description

[0001] L'invention concerne un échangeur de chaleur notamment du type comprenant un grand nombre de premières voies d'écoulement d'un premier fluide d'une première température réalisées en un matériau thermiquement conducteur et s'étendant axialement dans un carter creux parcouru par un second fluide d'une seconde température différente de ladite première température en contact d'échange thermique avec lesdites premières voies.

[0002] Dans les échangeurs de ce type, qui sont connus, les premières voies sont formées chacune par un tube séparé. La présence d'un grand nombre de tels tubes rend la réalisation de ces échangeurs compliquée et onéreuse. Cet inconvénient s'aggrave encore lorsque les tubes sont formés par des tubes en épingle nécessitant chacun une forme en longueur et largeur spécifique.

[0003] La présente invention a pour but de proposer un échangeur de chaleur du type indiqué plus haut, qui ne présente pas les inconvénients qui viennent d'être énoncés.

[0004] Pour atteindre ce but, l'échangeur de chaleur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte des tubes plats, parallèles, juxtaposés dans le sens de leur largeur à l'intérieur du carter, à une distance prédéterminée les uns des autres, et dont l'espace interne est divisé par des moyens intercalaires en un matériau thermiquement conducteur en une pluralité de canaux axiaux parallèles qui constituent lesdites premières voies d'écoulement.

[0005] Selon une caractéristique de l'invention, le second fluide s'écoule à travers les espaces entre les tubes plats adjacents et chaque espace est divisé par des moyens intercalaires en un matériau thermiquement conducteur en une pluralité de seconds canaux.

[0006] Selon une autre caractéristique de l'invention, les seconds canaux s'étendent parallèlement ou perpendiculairement aux premiers canaux et débouchent à leurs deux extrémités respectivement dans un canal d'entrée perpendiculaire et un canal de sortie perpendiculaire en communication avec des orifices respectivement d'entrée et de sortie dans la paroi du carter.

[0007] L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemples illustrant un mode de réalisation de l'invention et sur lesquels :

• la figure 1 est une vue en coupe horizontale d'un échangeur de chaleur selon la présente invention, le long de la ligne I-I de la figure 2 ;
• la figure 2 est une vue en coupe le long de la ligne II-II de la figure 1 ;
• la figure 3 est une vue à plus grande échelle de la partie encerclée en III sur la figure 2 ;
• la figure 4 est une vue en perspective, avec arrachement, de la partie indiquée en IV sur la figure 1 ;
• la figure 5 est une vue schématique montrant une autre configuration de circulation du fluide F2 ;
• la figure 6 est une vue schématique montrant encore une autre configuration du fluide F2 ;
• la figure 7 est une vue schématique, en perspective, d'un autre mode de réalisation des tubes plats et d'une configuration en épingle du fluide F2 ;
• la figure 8 est une vue en coupe transversale d'un échangeur équipé du dispositif selon la figure 7 ;
• la figure 9 est une vue en coupe schématique d'encore un autre mode de réalisation de l'échangeur de chaleur selon l'invention, avec une configuration de circulation croisée ;
• la figure 10 est une vue de détail en coupe avec arrachement, d'une configuration spécifique des canaux de circulation de fluide ,
• la figure 11 est une vue en coupe selon la ligne XI-XI de la figure 10; et
• la figure 12 est une vue similaire à la figure 1, d'un autre mode de réalisation de l'invention.

[0008] L'échangeur de chaleur selon l'invention, représenté à titre d'exemple non limitatif sur les figures, comporte essentiellement un carter creux 1, avantageusement en fonte ou en un matériau composite qui enferme, entouré d'une enveloppe 2, une pluralité de tubes plats 3 en un matériau thermiquement conducteur, parallèles, juxtaposés dans la direction perpendiculaire au grand axe de leur section transversale, à une distance prédéterminée les uns des autres. Comme on le voit particulièrement sur la figure 2, l'enveloppe 2 entourant les tubes 3 présente une section transversale sensiblement rectangulaire, dans l'exemple représenté carrée, dans la mesure où le carter présente une section transversale circulaire.

[0009] Les tubes 4 sont emmanchés à chaque extrémité et fixés, par exemple par brasage, de façon étanche, dans une plaque collectrice 5 et 6. La plaque collectrice 5 en forme d'une bride est montée sur l'extrémité droite du carter 1, qui est ouverte et fait partie d'un collecteur 7 d'entrée et de sortie d'un fluide F1 comme cela est symbolisé par des flèches. La chambre interne 8 du collecteur 7 est séparée en deux parties communiquant respectivement avec des raccords d'entrée 9 et de sortie 10. La plaque collectrice 6 située du côté fermé du carter 1 est montée sur une boîte de transfert ou de retour de fluide 12. Ainsi, le fluide F1 qui entre par le raccord d'entrée 9 dans la partie collectrice d'entrée de la chambre de collecteur 8 s'écoule à travers une moitié des tubes 3 en direction de la plaque collectrice 6 et est renvoyé par le collecteur de transfert à travers l'autre moitié des tubes 3 dans le raccord de sortie 11. Sur la figure 2 les cinq tubes supérieurs peuvent être considérés comme étant reliés au raccord d'entrée 9 et les cinq tubes inférieurs au raccord de sortie 10.

[0010] L'espace interne de chaque tube plat 3 est divisé par une bande intercalaire 14 qui est en serpentin et en une pluralité de canaux 15 parallèles à l'axe du tube (notamment figures 3 et 4). Par une bande intercalaire 17 du même type, également pliée en serpentin, l'espace 18 séparant deux tubes plats adjacents 3 est séparé en une pluralité de canaux parallèles 19. Les canaux 19 sont parallèles aux canaux 15 des tubes plats 3. En se référant aux figures 1 et 4, on constate que les canaux 19 délimités entre deux tubes 3 communiquent à une extrémité avec des canaux transversaux 21, également formés par une bande intercalaire 22 entre les deux mêmes tubes 3, qui s'ouvrent dans la partie d'espace interne 23 du carter 1 à travers une fenêtre 24 dans la paroi latérale de l'enveloppe 2. La partie d'espace 23 constitue l'espace d'entrée d'un second fluide F2 qui peut entrer dans cet espace à travers un raccord d'entrée 25. L'autre extrémité des canaux axiaux 19 communique par l'intermédiaire de canaux transversaux 27 avec la partie d'espace interne 28 du carter constituant l'espace de sortie du fluide F2 pouvant s'écouler hors du carter à travers un raccord de sortie 29. Les canaux transversaux 27 s'ouvrent bien entendu dans l'espace 28 à travers une fenêtre 30 dans la paroi latérale de l'enveloppe 2. Ces canaux 27 sont également formés par une bande intercalaire 22' pliée en serpentin entre les mêmes deux tubes 3. On constate encore que les espaces d'entrée 23 et de sortie 28 du carter 1 sont séparés par un anneau d'étanchéité 32.

[0011] Concernant la liaison des canaux transversaux 21, 27 et axiaux 19 entre deux tubes plats adjacents 3, les configurations des bandes intercalaires constituant ces deux séries de canaux sont illustrées sur la figure 1 et notamment sur la figure 4. Bien entendu, les bandes intercalaires sont réalisées en un matériau thermiquement conducteur et fixées de toute façon appropriée, notamment par brasage ou collage sur les faces internes ou externes des tubes le long de leurs lignes de crête, selon qu'il s'agit d'un intercalaire axial ou transversal.

[0012] Dans l'exemple représenté, la circulation du fluide F2 se fait selon une configuration en Z, avec l'entrée à une extrémité du carter et la sortie à l'autre extrémité du carter, mais du côté opposé, l'écoulement étant du type à contre-courant en ce qui concerne les tubes plats d'entrée et en parallèle en ce qui concerne les tubes 3 de sortie.

[0013] La figure 5 illustre schématiquement, dans une vue similaire à la figure 1 la disposition des canaux d'intercalaire 21 et 27 pour obtenir une circulation du fluide F2 en U. La figure 6 illustre, de façon schématique, la configuration des intercalaires entre tubes pour obtenir une circulation en épingle du fluide F2. Dans ce cas, l'entrée et la sortie de ce fluide se trouvent du même côté du carter.

[0014] La figure 7 illustre schématiquement la réalisation d'un échangeur dans lequel le fluide F2 circule à contre-courant aussi bien à l'égard des tubes d'entrée et de sortie désignés respectivement par les numéros 32 et 33. La figure 8 montre que l'espace interne du carter 1 est séparé en ces parties d'entrée et de sortie 35 et 36 correspondants aux parties 23 et 28 de la figure 1 par des cloisons d'étanchéité axiales 37. Ces cloisons peuvent être pourvues de vannes (non représentées) dont l'ouverture est commandée en fonction des températures des fluides. De tels clapets sensibles aux températures pourraient être réalisés avantageusement en un matériau à mémoire de forme, connu en soi.

[0015] La figure 9 montre schématiquement un mode de réalisation de l'échangeur de chaleur avec une configuration croisée des circulations des fluides F1 et F2. A cette fin, les canaux de circulation du fluide F2 s'étendent, dans chaque espace entre deux tubes plats adjacents et entre les tubes extérieurs et l'enveloppe les entourant, perpendiculairement à ces tubes. D'autre part, la partie centrale axiale de chaque espace entre tubes, indiquée en 39 sur la figure 9 est dégagée pour permettre l'écoulement axial du fluide F2 entre les orifices d'entrée et de sortie du fluide F2 du carter dont l'espace interne est divisé en un espace d'entrée 40 et un espace de sortie 41, séparés par un anneau d'étanchéité 42. Ces espaces sont délimités aux extrémités du carter par des plaques collectrices 43 et 44. Ces plaques sont montées de façon étanche dans le carter. Sur la figure 9, le fluide F1 circule à travers l'échangeur en une seule passe. Bien entendu, on pourrait aussi envisager une circulation en épingle. Dans ce cas, le carter sera fermé au niveau de la plaque collectrice 44, et celle-ci fera partie d'un collecteur de transfert du même type que le collecteur 12 de la figure 1. Concernant le fluide F2, son écoulement pourrait être réalisé aussi selon une configuration en plusieurs passes croisées. Quant à la partie axiale centrale d'écoulement axial de fluide F2, elle pourrait aussi être réalisée en prévoyant deux rangées de tubes plats juxtaposés, indiquées en 46 et 47 sur la figure 9.

[0016] Enfin, les canaux pourraient avoir une forme longitudinale quelconque, rectiligne, ondulée ou pourraient être même formés par des parties d'intercalaire latéralement décalées comme on le voit sur les figures 10 et 11. La figure 11 montre plusieurs portions d'intercalaires 48 à 52 qui sont décalées et constituent ainsi un réseau de canaux communiquants 53 en lignes brisées. Il est à noter que ce qui compte pour les performances thermiques de l'échangeur, c'est la surface d'échange obtenue par le montage des intercalaires.

[0017] Bien entendu, de multiples modifications peuvent encore être apportées aux différentes versions de réalisation qui viennent d'être décrites, sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, le collecteur de transfert et de retour pourrait être supprimé en utilisant des tubes plats en épingle. Or, l'utilisation de tubes plats permet de réduire considérablement le nombre de tubes, si bien que, dans le cas de l'invention, cette configuration des tubes en épingle, impliquant des dimensions différentes pour chaque tube reste une alternative tout-à-fait valable, où la plaque collectrice de transfert pourrait être circulaire comme l'illustre la figure 9.

[0018] De toute façon, par rapport à l'état de la technique, l'invention présente des avantages considérables par rapport aux échangeurs de chaleur connus dans la mesure où elle remplace un grand nombre de tubes individuels utilisés dans ces derniers par un nombre de tubes plats relativement faible mais dont l'espace interne est divisé, comme l'espace entre les tubes adjacents, par des bandes intercalaires en un grand nombre de canaux. Aux avantages mécaniques de l'invention s'ajoute ainsi une amélioration des performances thermiques par rapport à l'état de la technique.

[0019] Bien que les fluides F1 et F2 peuvent être de toute nature appropriée, ils sont formés notamment par des liquides.

[0020] Il est à souligner que l'utilisation de tubes plats présente l'avantage considérable de résoudre le problème de l'étanchéité qui se posait dans des agencements connus du type à plaques avec fermeture de l'espace interne par des barres d'extrémité. En effet, notamment lorsqu'il s'agit de fluides haute pression, l'étanchéité au niveau de l'assemblage des barres aux plaques est problématique et des fuites se produisent. Grâce aux tubes, dans le cas de l'invention, l'étanchéité est garantie, même à l'égard de fluides haute pression.

[0021] Un autre avantage majeur de l'invention réside dans le fait que l'assemblage des parties constitutives de l'échangeur de chaleur est aisé. En effet, les plaques collectrices relativement épaisses dans lesquelles sont implantés les tubes assurent, lors de l'assemblage, le maintien réciproque nécessaire des pièces à assembler. Ceci permet de supprimer des dispositifs de maintien spécifiques indispensables lors de l'assemblage des échangeurs du type à plaques.

[0022] De plus, l'utilisation de tubes plats permet également d'établir des échangeurs à plusieurs passes transversales du fluide F2, comme on le voit sur la figure 12, sans que la structure et le montage de l'échangeur en soient compliqués et le risque de défauts d'étanchéité soit accru pour autant. En effet, comme on le voit sur cette figure, il suffit d'introduire dans les espaces 18 entre deux tubes plats adjacents parfaitement maintenus par des plaques collectrices à leurs extrémités, des intercalaires 22 et de prévoir à l'intérieur du carter des cloisons de séparation 54 transversaux appropriées, fixées à une extrémité au carter 1 et laissant subsister au niveau de l'autre extrémité un passage 55 de façon à imprimer au fluide F2 un écoulement multipass comme cela est indiqué par les flèches. Le passage 55 pourrait être réalisé sous forme d'une fenêtre dans une cloison de séparation fixée de façon étanche au carter, comme on le voit à gauche sur la figure 12.

Revendications

1. Echangeur de chaleur notamment du type comprenant un grand nombre de premières voies d'écoulement d'un premier fluide d'une première température, réalisées en un matériau thermiquement conducteur et s'étendant axialement dans un carter creux parcouru par un second fluide d'une seconde température différente de ladite première température, en contact d'échange thermique avec lesdites premières voies, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de tubes plats (3) parallèles, juxtaposés dans la direction perpendiculaire à leur grand axe, à une distance prédéterminée les uns des autres, et dont l'espace interne est divisé par des moyens intercalaires en un matériau thermiquement conducteur en une pluralité de canaux parallèles (15) qui constituent lesdites premières voies d'écoulement, et en ce que le second fluide (F2) s'écoule à travers les espaces entre des tubes plats adjacents (3).

2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les espaces entre les tubes plats adjacents (3) sont divisés par des moyens intercalaires (18) en un matériau thermiquement conducteur en une pluralité de canaux (19).

3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les canaux (15, 19) d'écoulement de fluide peuvent s'étendre axialement dans le carter (1) ou perpendiculaire à l'axe de celui-ci.

4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les premier et second fluides s'écoulent en une ou plusieurs passes.

5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les tubes plats (3) sont maintenus à chaque extrémité de façon étanche dans une plaque collectrice (5, 7) faisant partie d'un collecteur (7, 12).

6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les tubes plats (3) sont maintenus à une extrémité de façon étanche dans une plaque collectrice d'entrée/sortie (5) faisant partie d'un collecteur d'entrée/sortie (7) du premier fluide précité (F1) et à leur autre extrémité dans une plaque collectrice (6) d'un collecteur de retour de fluide (12).

7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les seconds canaux (19) d'écoulement du second fluide (F2) s'étendent axialement dans le carter, parallèlement aux premiers canaux (15) d'écoulement du premier fluide précité (F1), également axiaux, dans l'espace (18) entre deux tubes plats adjacents (3) et sont reliés par des canaux transversaux (21, 27) dans cet même espace entre les tubes à une entrée (25) du second fluide F2 dans le carter (1) et une sortie (29) de ce fluide du carter.

8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les canaux transversaux sont formés par des moyens intercalaires (14, 17, 22, 22').

9. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le carter est séparé par un anneau d'étanchéité transversal (32) en un espace (23) d'entrée du second fluide (F2) et un espace (28) de sortie du second fluide, ces espaces communiquant avec l'extérieur et les canaux transversaux (21, 27) s'ouvrant dans l'espace d'entrée (23) ou de sortie (28).

10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens intercalaires (14, 17, 22, 22') sont formés par des bandes intercalaires pliées en serpentin et fixées, avantageusement par brasage ou collage, sur les faces internes ou externes des tubes le long de leurs lignes de crête.

11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux d'écoulement du second fluide (F2) dans l'espace entre deux tubes adjacents (3) présente une configuration en Z, en U ou en épingle ou croisée multipasse.

12. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fluides (F1, F2) sont avantageusement des liquides.

Dessins