[0001] L'invention concerne un échangeur de chaleur enroulé en spirale, où les fluides arrivent,
circulent et débouchent à contrecourant, dans la direction de l'axe d'enroulement.
[0002] Dans le vaste champ d'application des échangeurs de chaleur, une des applications
les plus exigeantes est celle des récupérateurs pour turbines à gaz. En effet, ils
doivent être compacts, de haute efficacité, peu chers et fiables.
[0003] L'efficacité et la compacité peuvent s'obtenir en utilisant le concept de surface
primaire, avec des canaux de petit diamètre hydraulique et en faisant circuler les
deux fluides à contrecourant.
Le prix de revient sera peu élevé si l'échangeur est constitué par l'assemblage d'un
petit nombre d'éléments imprimés et enroulés en continu pour former un rouleau.
Les pertes de charge seront réduites si les sections de passage offertes aux deux
fluides sont suffisantes : ceci s'obtient en faisant circuler les fluides axialement
et non tangentiellement dans un échangeur spirale. Les échangeurs sont soumis à de
fortes charges thermiques et aux chocs thermiques résultant des variations transitoires
de fonctionnement de la turbine. La fiabilité est liée à la résistance aux chocs thermiques.
[0004] Des échangeurs de chaleur constitués d'un enroulement d'une paire de feuillets, entre
lesquels les fluides passent à contrecourant, dans le sens axial du rouleau ainsi
formé, sont connus : voir pour exemple un brevet récent (1995) de la société Rolls-Royce.
Ces échangeurs enroulés distribuent le flux par des découpes pratiquées dans la feuille
et soudées par paires au moment de l'enroulement.
[0005] Une difficulté intéressante dans la conception des échangeurs de chaleur est la distribution
du flux entrant dans les multiples petits canaux sièges de l'échange de chaleur et
ensuite, la collecte de ces nombreux flux en un seul flux sortant. Ce processus doit
avoir lieu sans pertes de charge excessives, ni création de contraintes mécaniques
excessives dues aux gradients thermiques.
[0006] La distribution et la collecte des flux s'effectuent dans les échangeurs à plaques
empilées par des découpes pratiquées dans les plaques. Les rebords de ces découpes
sont brasées ou soudées lors de l'empilement [ voir brevet US 4 073340 ] ou garnis
d'un joint d'étanchéité, comme dans les échangeurs à plaque de la société Alfa-Laval
bien connus.
[0007] D'autres échangeurs à plaques empilées n'ont pas ces découpes [ voir SAE 851254 :
Development, Fabrication and application of a Primary Surface Gas Turbine Recuperator,
E.L.Parsons], mais les côtés des plaques sont alors garnies de barrettes de fermeture.
[0008] L'invention vise à réaliser un échangeur de chaleur formé par enroulement d'une paire
de feuilles où les fluides circulent à contrecourant dans le sens de l'axe de l'enroulement
et arrivent et débouchent sur les faces opposées du rouleau cylindrique constitué
par l'enroulement des feuilles. On évite ainsi de créer des découpes de distribution
à l'intérieur de l'échangeur, ce qui élimine à la fois les concentrations de contraintes,
les problèmes de soudage, d'inspection et de réparation de ces rebords noyés dans
la masse de l'échangeur. Il en résulte une plus grande liberté dans le choix des dimensions
et des formes des distributeurs-collecteurs, car ils sont extérieurs à l'échangeur
proprement dit. Le concept d'échangeur enroulé permet de se passer des barrettes de
fermeture, puisqu'il n'y a plus de bord à fermer.
[0009] L'invention est décrite ci-après à l'aide d'un exemple avec référence aux dessins
joints, dans lesquels :
La figure 1 est une vue en perspective de l'échangeur montrant les flux des fluides
(air et gaz), entrant et sortant de l'échangeur.
La figure 2 est une vue partielle des ouïes de distribution d'air et de gaz sur une
des faces de l'échangeur.
La figure 3 montre un secteur d'amenée d'air coiffé de son écope de distribution,
en vue éclatée.
La figure 4 montre un des deux feuillets, avant enroulement, en vue partielle plane.
La figure 5 montre l'autre feuillet, avant enroulement, en vue partielle plane.
La figure 6 représente une paire de feuillets accolés dans l'échangeur, en section
radiale.
La figure 7 fait apparaître le trajet de l'air et du gaz, entre une paire de feuillets,
d'une face de l'échangeur à l'autre, en vue partielle.
[0010] L'échangeur est constitué d'un noyau 1 auquel sont fixés des écopes 8 d'amenée et
d'évacuation d'air 2, figures 1 et 3.
[0011] Sur une face du noyau, l'air pénètre par des secteurs angulaires 5 régulièrement
espacés et alternant avec des secteurs angulaires 6 de sortie des gaz.
[0012] Sur la face opposée du noyau, l'air sort par des secteurs angulaires 3 régulièrement
espacés et alternant avec des secteurs angulaires 4 d'entrée des gaz (figure 1).
Le noyau est constitué d'un enroulement d'une paire de feuillets a et b autour d'un
axe z, figure 1.
[0013] Le feuillet a est ridé longitudinalement, c'est-à-dire selon l'axe d'enroulement
z, tandis que le feuillet b l'est transversalement, c'est-à-dire selon la direction
tangentielle d'enroulement (figures 4 et 5). Le feuillet a possède trois zones axiales
de rides : les zones II et IV près des bords
et la zone III centrale (figure 4).
Le feuillet b est ridé sur ces mêmes trois zones et comporte également, sur les zones
I et V d'entrée-sortie, des rebords 7 déportés alternativement pour former les ouïes
d'arrivée-sortie des fluides (figures 5 et 2).
[0014] Les rebords déportés de b viennent contre le rebord de a et vice versa, lors de l'enroulement.
Ils sont définitivement brasés ensemble, une fois l'enroulement du noyau terminé (figure
2).
Le déport alternatif des rebords de b doit se faire lors de l'enroulement et en synchronisation
avec celui-ci. Il faut en effet que les ouïes ainsi formées soient de longueur croissante
à chaque tour d'enroulement et en phase angulaire pour former des secteurs angulaires
bien réguliers. Les écopes 8 sont ensuite brasées sur les faces du noyau 1, avec leurs
bords 9 brasés sur les bords 10 des secteurs angulaires, comme indiqué figure 3.
[0015] La somme des hauteurs des rides de a et de b est constante sur toutes les zones ;
elle vaut le déport de b sur les zones I et V et permet l'enroulement sans déformation
radiale de la paire ab, car elle est d'épaisseur constante équivalant à la somme des
hauteurs des rides de a et de b, comme illustré par la figure 6.
[0016] Ceci permet aussi de joindre, par brasage par exemple, les feuilles a et b aux points
de contact 11 des lignes de crête des rides. Ces points forment un quadrillage, intersection
des lignes de crête des rides.
[0017] En ne brasant ainsi entre elles que les paires de feuilles entre lesquelles circule
le fluide de pression supérieure à l'autre, on assure ainsi une rétention locale de
la surpression de ce fluide, sans avoir besoin d'une enceinte de pressurisation. Les
paires de feuilles ainsi jointes sont rigides en flexion, tout en étant souples en
cisaillement, ce qui réduit les contraintes dues aux inévitables gradients thermiques.
[0018] Dans les zones II et IV, les rides de a et de b ont des hauteurs comparables : étant
perpendiculaires et en contact par leurs crêtes, elles permettent le passage de l'air
et du gaz dans les deux directions axiale et tangentielle : ces zones sont des zones
de distribution du flux à partir des secteurs d'entrée vers la zone III ; ce sont
des zones à flux croisés, comme indiqué sur la figure 7. Dans la zone III, les flux
sont essentiellement parallèles et opposés ; c'est-à-dire à contrecourant (figure
7), car les rides tangentielles de b sont minimes et celles de a, axiales, sont grandes
(figure 6).
[0019] Ce type d'échangeur peut aussi être réalisé en remplaçant les rides imprimées en
relief par des ailettes de même hauteur, garnissant des feuilles planes.
1. Echangeur de chaleur cylindrique obtenu par l'enroulement d'une paire de feuilles,
les deux fluides circulant à contrecourant dans le sens axial de l'enroulement entre
les paires adjacentes de feuilles, caractérisé en ce que les deux fluides arrivent
et débouchent sur les faces opposées de l'enroulement, par des secteurs angulaires
régulièrement espacés.
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les secteurs
angulaires consécutifs sont formés par la juxtaposition d'ouïes obtenues par le déport
alternatif du rebord d'une des feuilles sur l'autre.
3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'une des feuilles
est imprimée en relief d'un motif de rides longitudinales et l'autre feuille d'un
motif de rides transversales.
4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les paires de
feuilles sont brasées ou jointes deux par deux aux points de contact des lignes de
crête des rides.
5. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'une des feuilles
est garnie d'ailettes longitudinales, l'autre d'ailettes transversales.
6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les paires de
feuilles sont brasées ou jointes deux par deux aux points de contact des lignes de
crête des ailettes.