[0001] L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur formé de plaques ondulées et superposées.
[0002] Ces plaques servent à délimiter des canaux contigus dans lesquels circulent de part
et d'autre de chaque plaque le fluide à réchauffer et le fluide à refroidir. Les ondulations
ont pour buts essentiels l'accroissement de la rigidité des plaques, le brassage des
fluides par l'accroissement de la turbulence et l'augmentation de la surface d'échange
thermique. Dans le cas le plus général, les plaques sont empilées les unes sur les
autres et les lignes d'ondulation sont croisées. Les canaux sont donc de forme complexe
avec des sections de forme variable le long de la direction de l'écoulement. Dans
un cas particulier, les ondulations de toutes les plaques sont parallèles et les canaux
ont alors une section de forme invariable perpendiculairement à la direction moyenne
de l'écoulement et une forme d'ensemble à peu près sinusoïdale.
[0003] Normalement, dans les deux cas, les plaques sont identiques entre elles et obtenues
par l'emboutissage de plaques planes pour former des facettes de longueurs égales
à pentes de sens alternés de part et d'autre des lignes d'ondulation.
[0004] On observe cependant des échanges thermiques moins importants que ce qu'on pourrait
espérer et par contre des résistances à l'écoulement assez importantes qui nécessitent
d'augmenter la surpression à l'amont.
[0005] L'invention a pour objectif essentiel de réduire simultanément ces deux inconvénients
au moyen d'un écoulement plus favorable du fluide dans les canaux.
[0006] On prévoit que, pour chaque plaque, les facettes sont alternativement de deux longueurs
différentes, et que les plaques sont superposées de manière que les lignes d'ondulation
à la jonction des facettes forment, pour des plaques adjacentes, des angles compris
entre 60° et 180°.
[0007] Le brevet GB-A-551 167 décrit un échangeur de chaleur formé de plaques superposées
à facettes de deux longeurs différentes, mais les lignes d'ondulation de plaques
adjacentes sont à des angles de 0°, c'est-à-dire que toutes les plaques sont orientées
dans la même direction. La disposition qui en résulte comporte des canaux où des passages
étroits alternent brusquement avec des chambres à section sensiblement carrée où le
fluide tourbillonne. Cet effet est contraire à celui de l'invention, où on cherche
à obtenir un écoulement aussi régulier que possible avec des pertes de charge réduites.
La combinaison des plaques dissymétriques et des angles de 60° à 180° a donc un résultat
nouveau et imprévisible.
[0008] La réalisation la plus habituelle de l'invention sera celle dans laquelle les plaques
s'étendront chacune entre deux plans, les lignes d'ondulation sont droites et disposées
alternativement suivant deux directions selon les plaques, et, pour toutes les plaques,
les facettes plus courtes auront une longueur identique et les facettes plus longues
une autre longueur identique.
[0009] Une solution intéressante est celle pour laquelle les facettes plus longues ont des
projections respectives sur un plan moyen des plaques deux fois plus longues que les
projections des facettes plus courtes.
[0010] Dans le cas où les lignes d'ondulation des plaques adjacentes forment des angles
égaux à 180°, il est intéressant que les facettes plus courtes de chaque plaque se
projettent chacune, suivant une direction perpendiculaire à un plan moyen de la plaque,
sur une facette plus longue d'une plaque adjacente.
[0011] On va maintenant décrire l'invention plus en détail à l'aide des figures suivantes
annexées à titre illustratif et non limitatif :
- la figure 1 représente schématiquement un échangeur de chaleur selon l'art antérieur,
dans lequel les lignes d'ondulation de toutes les plaques sont parallèles ;
- la figure 2 représente un schéma d'écoulement obtenu dans un tel échangeur de chaleur
;
- la figure 3 représente, en vue analogue à celle de la figure 1, les plaques d'un
échangeur de chaleur selon l'invention ; et
- la figure 4 représente la disposition des plaques dans un autre échangeur de chaleur
conforme à l'invention.
[0012] La figure 1 représente donc un échangeur de chaleur formé d'une superposition de
plaques identiques 1 dont la forme ressemble à une sinusoïde et qui ont été obtenues
par des emboutissages suivant des lignes d'ondulation parallèles 2 à la jonction de
facettes désignées alternativement par 3 et 4.
[0013] Les plaques 1 servent à séparer des canaux 5 dont certains débouchent sur un premier
distributeur 6 à l'amont et sur un premier collecteur 7 à l'aval et les autres débouchent
à l'amont sur un second distributeur 8 et à l'aval sur un second collecteur 9. Les
premiers canaux 5 sont parcourus par un fluide à réchauffer et les seconds par un
fluide à refroidir ; les premiers et les seconds canaux 5 alternent le long de la
hauteur de l'échangeur de sorte que chaque plaque 1, à l'exception de celles aux extrémités,
correspond à une surface d'échange thermique entre les deux fluides. Dans le cas présent,
on a représenté des écoulements à courants croisés dans lesquels le premier fluide
circule vers la droite et le second fluide vers la gauche.
[0014] Les canaux 5 peuvent être rendus étanches sur leurs faces latérales par des joints
d'étanchéité et maintenus à un écartement déterminé par des espaceurs. On ne s'étendra
toutefois pas sur ces détails technologiques bien connus.
[0015] Les facettes 3 et 4 sont symétriques par rapport aux lignes d'ondulation 2, ont une
longueur l₃ ou l₄ identique en projection sur l'axe E correspondant à la direction
moyenne de l'écoulement des deux fluides et ne diffèrent que par le sens de leur pente
le long de l'axe E.
[0016] Considérons un canal 5 délimité par une plaque supérieure 1a et une plaque inférieure
1b comme représenté figure 2. Quoique la section du canal 5 soit uniforme sur toute
sa longueur, le fluide ne peut suivre les ondulations des plaques 1a et 1b et des
inégalités d'écoulement apparaissent : les facettes orientées à l'intérieur du canal
vers l'arrière de l'écoulement, c'est-à-dire les facettes 3 de la plaque inférieure
1b et les facettes 4 de la plaque supérieure 1a, correspondent à des facettes constituant
un obstacle pour le fluide alors que les autres facettes, orientées vers l'avant,
ne peuvent exercer cette fonction et sont donc baignées par un fluide dont la vitesse
d'écoulement est très faible ou même localement opposée au sens d'écoulement moyen
dans le canal 5. Il en résulte des pertes d'énergie importantes par frottement et
des échanges thermiques amoindris à cause de ces zones à faible vitesse 10 qui, comme
le montre la figure 2, s'étendent le long de la totalité des facettes orientées vers
l'avant et même d'une partie arrière des facettes orientées vers l'arrière, et ceci
quel que soit le nombre de Reynolds de l'écoulement.
[0017] On se reporte maintenant à la figure 3 qui représente une réalisation de l'invention.
Les plaques y sont désignées par 11 et sont, comme dans l'art antérieur, produites
par emboutissage d'une plaque plane de manière à créer des ondulations. Leurs facettes,
désignées ici par 13 et 14, sont dissymétriques : la longueur projetée l₁₃ des facettes
13 sur un des plans parallèles P₁ ou P₂ qui contiennent les lignes d'ondulation 12
et entre lesquelles les plaques 11 s'étendent donc, ou sur un plan moyen des plaques
P₃ parallèle aux précédents, est deux fois plus importante que la longueur l₁₄ des
autres facettes 14. On va donc appeler désormais les facettes 13 facettes longues
et les facettes 14 facettes courtes.
[0018] Les facettes 13 et 14 alternent sur les plaques 11 de sorte que pour chaque plaque
11 les facettes longues 13 sont parallèles entre elles, de même que les facettes courtes
14, et, pour constituer l'échangeur de chaleur, les plaques 11 superposées sont orientées
de sorte que les lignes d'ondulation 12 de plaques 11 adjacentes forment des angles
compris entre 60° et 180° (l'angle de 0° correspondant à des facettes de même espèce
orientées dans le même sens sur des plaques voisines).
[0019] La figure 4 représente un cas général et montre deux plaques 11a et 11b superposées
et dont les lignes d'ondulation 12 à la jonction des facettes 13 et 14 sont respectivement
orientées suivant les directions Da et Db formant un angle d'orientation α. Les autres
plaques de l'échangeur de chaleur, qui ne sont pas représentées, ont des lignes d'ondulation
alternativement orientées suivant Da et Db.
[0020] Les plaques sont empilées les unes sur les autres en des points de contact 19 à l'intersection
de lignes d'ondulation 12 croisées.
[0021] La configuration représentée sur la figure 3 correspond à un angle d'orientation
de 180°, pour lequel les lignes d'ondulation 12 de toutes les plaques 11 sont parallèles,
mais où les facettes longues 13 de chaque plaque 11 sont orientées dans la même direction
que les facettes courtes 14 des plaques 11 voisines, aux différences d'inclinaison
près. Pour le canal 15a délimité par les plaques 11c et 11d, les facettes longues
13 ont une normale intérieure vers l'avant (dans la direction de l'écoulement, à droite
sur la figure) et les facettes courtes 14 une normale intérieure vers l'arrière. De
plus, les facettes courtes 14 se projettent perpendiculairement à un des plans P₁,
P₂ ou P₃ au centre d'une facette longue 13 de la plaque 11 adjacente. On peut donc
distinguer pour toute facette longue 13 une zone centrale de longueur l₁₄ qui fait
face à une facette courte 14 de la plaque 11 adjacente et deux portions d'extrémité
ayant chacune une longueur l₁₅, faisant face à l'extrémité d'une facette longue 13
de la plaque adjacente. Dans le cas présent, où l₁₃ = 2.l₁₄,

Les angles d'inclinaison des facettes longues 13 et courtes 14 par rapport aux plans
P₁, P₂ ou P₃ sont respectivement de 18° et 36°. De bons résultats ont été plus généralement
obtenus pour

où x
D désigne la distance projetée sur le plan P₃ entre une ondulation 12 d'une plaque
11 ayant une facette courte 14 immédiatement en amont et l'ondulation 12 immédiatement
en aval, et ayant une facette longue 13 immédiatement en amont, d'une plaque 11 voisine
; a désigne la distance, perpendiculairement au plan P₃, entre deux ondulations 12
consécutives d'une même plaque 11.
[0022] Avec de telles configurations, les performances hydrauliques et thermiques de l'échangeur
de chaleur sont meilleures pour des nombres de Reynolds compris entre 50 et 15 000
car l'inclinaison des facettes orientées vers l'avant de l'écoulement à l'intérieur
des canaux 15 est moins grande. Il en résulte que les zones à faible vitesse de fluide
sont d'extension réduite car le fluide est mieux guidé. Si l'on compare avec la figure
1, on constate que les zones 10 sont désormais morcelées chacune en deux zones désignées
par 17 et 18, dont le volume total est beaucoup plus réduit et qui s'étendent respectivement
à l'arrière des facettes longues 13 et à l'avant de ces mêmes facettes, en empiétant
pour ces dernières sur l'arrière des facettes orientées vers l'arrière comme précédemment.
Les facettes longues 13 sont désormais baignées sur une longueur médiane importante
l₁₆ par du fluide à vitesse non négligeable, ce qui contribue à accroître les échanges
thermiques entre canaux 15 adjacents et à réduire les pertes par frottement.
[0023] Ces avantages sont également obtenus avec les canaux de forme plus compliquée obtenus
avec l'agencement de la figure 4.
[0024] La conception de l'invention est particulièrement avantageuse dans le cas où les
écoulements des fluides sont à courants croisés, car alors pour chaque canal 15 les
facettes donnant vers l'avant sont les facettes longues et on retrouve les avantages
signalés.
[0025] Dans le cas de la figure 3, on a obtenu un coefficient de frottement plusieurs fois
inférieur au coefficient de frottement qui aurait été obtenu avec une configuration
conforme à la figure 1, les pas de périodicité des plaques étant identiques, et ceci
quelle que soit la vitesse de l'écoulement.
1. Echangeur de chaleur formé de plaques (11) ondulées et superposées de manière à
séparer des canaux (15) de circulation de fluide entre des plaques adjacentes, les
plaques étant constituées de facettes à pentes de sens alternés accolées suivant des
lignes d'ondulation (12), caractérisé en ce que, pour chaque plaque, les facettes
(13, 14) sont alternativement de deux longueurs différentes et en ce que les lignes
d'ondulation des plaques adjacentes forment des angles (α) compris entre 60° et 180°.
2. Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques
s'étendent entre deux plans parallèles (P₁, P₂) et d'écartement uniforme pour toutes
les plaques, en ce que les lignes d'ondulation sont droites et disposées alternativement
suivant deux directions (Da, Db), et en ce que, pour toutes les plaques, les facettes
plus courtes sont identiques entre elles et les facettes plus longues sont également
identiques entre elles.
3. Echangeur de chaleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les facettes
plus longues ont des projections respectives (l₁₃), sur un plan moyen (P3) des plaques,
entre 1,5 et 2,5 fois plus longues que les projections (l₁₄) des facettes plus courtes.
4. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé
en ce que les lignes d'ondulation des plaques adjacentes forment des angles égaux
à 180°.
5. Echangeur de chaleur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les facettes
plus courtes de chaque plaque se projettent chacune, suivant une direction perpendiculaire
à un plan moyen de la plaque, sur une facette plus longue d'une plaque adjacente.
6. Echangeur de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé
en ce que les fluides s'écoulent, de part et d'autre des plaques, suivant des courants
croisés.
7. Echangeur de chaleur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport
des projections, sur un plan moyen d'une plaque, de la distance (xD) entre des ondulations (12) appartenant à des plaques voisines, l'ondulation la plus
en amont étant limitée vers l'amont par une facette courte (14) et l'ondulation la
plus en aval étant limitée vers l'amont par une facette longue (13), et de la somme
des longueurs (l₁₃+l₁₄) d'une facette longue et d'une facette courte, est compris
entre 0,11 et 0,26.
8. Echangeur de chaleur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport
de la projection perpendiculairement à un plan moyen d'une plaque, de la distance
(a) entre deux ondulations successives de la même plaque, et de la projection, sur
un plan moyen d'une plaque, de la somme des longueurs (l₁₃+l₁₄) d'une facette longue
et d'une facette courte, est compris entre 0,14 et 0,26.