Echangeur de chaleur du type à croisement orthogonal de deux fluides

Abstract

 L'invention concerne un échangeur de chaleur du type comprenant une première série de voies d'écoulement (7) d'un premier fluide de température élevée, et une seconde série de voies d'écoulement (17) d'un second fluide de température plus faible, qui s'interceptent perpendiculairement, chaque voie étant de forme oblongue et divisée, par des moyens intercalaires (16, 18) fixés aux faces internes longues des voies, en une pluralité de canaux internes. L'échangeur est caractérisé en ce que les voies de ladite première série sont formées par des tubes plats (7) parallèles, juxtaposés dans la direction perpendiculaire au grand axe de symétrie de leur section transversale, entre deux plaques latérales extérieures (8) d'une carcasse (9) ouverte aux autres faces latérales (14), et maintenus en haut et en bas par des plaques collectrices d'entrée (13) et de sortie (14) de collecteurs d'entrée (2) et de sortie (3) dans lesquels débouchent ces tubes (7), et en ce que les voies de la seconde série sont formées par les espaces (17) entre les tubes plats (7) et les tubes extérieurs et les plaques de carcasse (8).
L'invention est utilisable dans des avions.

Description

[0001] L'invention concerne un échangeur de chaleur du type comprenant une première série de voies d'écoulement d'un premier fluide de température élevée, réalisées en un matériau thermiquement conducteur, et une seconde série de voies d'écoulement d'un second fluide de température plus faible, réalisées en un matériau thermiquement conducteur, qui s'interceptent perpendiculairement pour assurer un échange de chaleur entre les premier et second fluides, chaque voie étant de forme oblongue et divisée, par des moyens intercalaires en un matériau thermiquement conducteur fixés aux faces internes longues des voies, en une pluralité de canaux internes.

[0002] Des échangeurs de chaleur de ce type, qui sont connus, sont réalisés sous forme d'un bloc compact dans lequel les différentes voies d'écoulement de fluide sont formées par des lames constituant les parois longues et de barrettes de liaison de ces lames. L'assemblage des lames et des barrettes est réalisé par brasage. Dû à l'effet d'échange thermique entre les deux fluides, dans les voies d'écoulement du fluide à température élevée, il se créé un gradient de température importante entre l'entrée et la sortie du fluide dans l'échangeur.

[0003] Ce gradient occasionne des contraintes mécaniques dans le bloc compact de l'échangeur, notamment au niveau des fixations des lames et des barrettes, entraînant des fissures et des ruptures.

[0004] La présente invention a pour but de proposer un échangeur de chaleur qui pallie les inconvénients qui viennent d'être énoncés, des échangeurs connus.

[0005] Pour atteindre ce but, l'échangeur de chaleur selon l'invention est caractérisé en ce que les voies de la première série sont formées par des tubes plats, parallèles, juxtaposés dans la direction perpendiculaire au grand axe de symétrie de leur section transversale, à des distances prédéterminées, entre deux plaques latérales extérieures parallèles aux tubes qui forment les joues d'une carcasse ouverte aux autres faces latérales, et maintenus en haut et en bas par des plaques collectrices d'entrée et de sortie de collecteurs d'entrée et de sortie dans lesquels débouchent ces tubes, et en ce que les voies de la seconde série sont formées par les espaces entre les tubes plats d'une part, et les tubes extérieurs et les plaques de joue, d'autre part.

[0006] Selon une caractéristique de l'invention, une des plaques collectrices est montée fixe dans la carcasse tandis que l'autre est libre dans celle-ci.

[0007] Dans encore une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la plaque collectrice qui est montée fixe dans la carcasse est la plaque de collecteur d'entrée de l'échangeur de chaleur.

[0008] 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'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels :

• la figure 1 montre, schématiquement, une application de l'échangeur de chaleur selon la présente invention ;
• la figure 2 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur indiqué en A sur la figure 1 ;
• la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 1 avec, en plus, la représentation des raccordements aux tuyaux d'amenée et de sortie de fluide ;
• la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 2 ;
• la figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 2, d'une autre version de réalisation de l'échangeur de chaleur ;
• les figures 6 à 10 illustrent, de façon schématique, plusieurs modes de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention, basé sur le principe représenté sur les figures 2 à 5 ;
• la figure 11 est une vue en perspective .d'encore une autre version de réalisation de l'échangeur de chaleur, et
• la figure 12 est une vue en coupe selon la ligne XII-XII de la figure 11.

[0009] La figure 1 montre, à titre d'exemple, l'utilisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention dans un avion, dans lequel il est monté dans l'écoulement des gaz chauds F1, de l'ordre de par exemple 600°C, pour assurer le refroidissement de ceux-ci par le fluide F2 de par exemple 250°C. Comme on le voit sur la figure, le fluide F1 est amené par un conduit 1, passe à travers l'échangeur A en passant par les collecteurs d'entrée et de sortie respectivement 2 et 3 pour parvenir dans le conduit de sortie 4 raccordé au collecteur 3 par un élément de raccordement souple 5.

[0010] La figure 2 montre un mode de réalisation de l'échangeur de chaleur indiqué en A sur la figure 1. Cet échangeur comporte une pluralité de tubes plats 7 parallèles et séparés les uns des autres d'une distance prédéterminée dans la direction perpendiculaire au grand axe de la section transversale des tubes, entre deux plaques latérales 8 parallèles aux tubes 7 d'une carcasse indiquée de façon générale en 9 et de section transversale sensiblement rectangulaire et qui est ouverte aux deux autres faces latérales opposées 10. Les tubes sont réalisés en un matériau thermiquement conducteur. Les deux plaques latérales 8 qui constituent les joues de l'échangeur sont reliées à leurs quatre angles par des cornières 11.

[0011] Les tubes sont maintenus en haut et en bas au niveau du cadre formé par les bords supérieur et inférieur des plaques 8 et les cornières 11 par des plaques collectrices supérieure et inférieure respectivement 14 et 13 qui font partie des échangeurs de chaleur respectivement de sortie 3 et d'entrée 2 selon la figure 1.

[0012] L'espace interne de chaque tube 7 est divisé par une bande intercalaire 16 pliée en serpentin en une pluralité de canaux 17 parallèles à l'axe du tube. L'intercalaire est réalisé en un matériau thermiquement conducteur et fixé par brasage sur les faces internes du tube le long de ses lignes de crête. De même, dans chaque espace 18 entre deux tubes adjacents est placée une bande 19 en un matériau thermiquement conducteur, pliée en serpentin. Cet intercalaire est fixé, par brasage, aux parois externes des tubes de façon à diviser l'espace entre les tubes en une pluralité de canaux 20 s'étendant perpendiculairement aux axes des tubes entre les faces ouvertes 10 de la carcasse. L'espace entre chaque tube extérieur 7 et la plaque de joue 8 adjacente est également occupé par un élément intercalaire en serpentin 19. Mais, ce dernier est seulement fixé à la face externe du tube et libre au niveau de la plaque 8.

[0013] Comme il est indiqué sur la figure 2 et ressort de la figure 1, le fluide F1 traverse les canaux 16 des tubes 7 tandis que le fluide 2 s'écoule à travers les canaux 20 de l'intercalaire 19 disposés à l'extérieur des tubes.

[0014] Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'une des deux plaques collectrices 13, 14 de préférence la plaque 13 du collecteur d'entrée 2 en raison de la température plus élevée du fluide F1 dans celui-ci, est solidaire en 21 de la carcasse 9, c'est-à-dire des bords inférieurs des plaques 8 et des cornières inférieures 11, tandis que l'autre plaque collectrice, c'est-à-dire la plaque 14 du collecteur de sortie 3, reste libre à l'intérieur du cadre formé par l'extrémité supérieure des plaques 8 et des cornières supérieures 11 en laissant subsister un intervalle 22. Pour assurer à la plaque conductrice supérieure 14 cette liberté de déplacement dans ce cadre, on a, dans la version de réalisation représentée sur la figure 4, donné à cette plaque des dimensions inférieures à celles de la plaque conductrice d'entrée 13, tandis que dans la version selon la figure 5, les deux plaques collectrices 13 et 14 et ainsi les deux collecteurs 2 et 3 présentent les mêmes dimensions et seulement les plaques latérales 8 sont au niveau de leur extrémité supérieure déportées vers l'extérieur.

[0015] Il est à noter que l'intervalle 22 ainsi ménagé entre la plaque collectrice 13 et les parois 8 et les cornières 11 peut être obturé par un joint d'étanchéité non représenté pour empêcher une fuite de fluide F2 à travers l'intervalle 22. C'est dû à ce joint que l'intervalle se trouve de préférence du côté de l'échangeur dans lequel la température du fluide est plus faible.

[0016] Etant donné que l'ensemble formé par les tubes 7 avec les intercalaires 16 et 19 et les plaques conductrices 13 et 14 n'est pas fixé à la carcasse à une extrémité, en l'occurrence l'extrémité supérieure de sortie du fluide F1, le gradient de température entre l'entrée et la sortie de l'échangeur ne peut pas produire des contraintes thermiques mécaniques susceptibles de provoquer des fissures et criques comme dans les échangeurs de chaleur connus.

[0017] Les figures 6 à 10 montrent plusieurs modes de réalisation de l'échangeur de chaleur proposé par l'invention. Sur la figure 6, l'échangeur de chaleur est du type à deux passes à contre-courant. Les collecteurs d'entrée et de sortie avec leurs plaques collectrices indiquées respectivement en 25 et 26 sont juxtaposées à l'extrémité supérieure de l'échangeur. L'espace interne de la carcasse est divisé en deux compartiments 29, 30 par une cloison médiane axiale 27. Chaque compartiment 29, 30 loge une unité d'échangeur de chaleur. Les deux compartiments sont reliés en bas par un collecteur commun 31 dont les plaques collectrices de maintien des tubes 7 sont solidaires de la carcasse tandis que les plaques collectrices d'entrée et de sortie 25 et 26 sont libres. L'intervalle existant entre ces plaques et la carcasse est indiqué en 34.

[0018] La figure 7 illustre un échangeur de chaleur à trois passes à contre-courant. Cet échangeur comporte trois compartiments 36, 37, 38 traversés successivement par le fluide F1. Les compartiments 36 et 37, d'une part, et les compartiments 37 et 38 d'autre part sont reliés par un collecteur commun respectivement 39, 40. Dans cet échangeur le collecteur d'entrée 41 est désolidarisé de la carcasse, le collecteur commun 39 est solidaire et l'échangeur commun 40 est désolidarisé au niveau des compartiments 37 et 38.

[0019] Les figures 8 et 9 montrent un échangeur du même type que celui représenté sur les figures 2 à 5, mais pourvu d'un collecteur intermédiaire 42 pour permettre le prélèvement de fluide F1' d'une température supérieure à celle du fluide dans le collecteur supérieur 3, par exemple pour le dégivrage des ailes d'un avion. Dans cet échangeur de chaleur, les plaques collectrices 13 et 14 de l'échangeur d'entrée sont désolidarisées de la carcasse 8, tandis que le collecteur 42 est fixé aux deux plaques extérieures de carcasse 8. Mais il est également possible de laisser le collecteur 42 et la plaque 14 libres, tandis que la plaque 13 est fixée aux plaques 8.

[0020] Enfin la figure 10 montre une version d'échangeur de chaleur dans lequel, par rapport au mode de réalisation sur la figure 1, chaque voie d'écoulement du fluide F1 est formée par deux tubes 7a et 7b juxtaposés dans la direction du grand axe de la section transversale.

[0021] Bien entendu de nombreuses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation de l'échangeur selon l'invention représenté, sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, au lieu d'être oblongs, les tubes pourraient avoir d'autres formes et être courbes dans leur section transversale. Il n'est également pas nécessaire que, dans un même faisceau, tous les tubes aient la même longueur ou soient rectilignes. Concernant l'intercalaire, au lieu d'être formé par une bande en serpentin fixée par brasage sur les faces du tube, l'intercalaire, pourrait venir de matière et les tubes réalisés avec les ailettes, par exemple par extrusion. Enfin, dans le cas de la figure 10, chaque voie d'écoulement pourrait être formée par plus de deux tubes. La conception de l'échangeur est valable par tout matériau métallique ou composite.

[0022] Les figures 11 et 12 montrent un mode de réalisation de l'échangeur selon l'invention, qui est particulièrement approprié dans le cas où une forte pression règne dans l'espace 18 entre tubes adjacents 7. Dans ce mode de réalisation, les joues 8 de la carcasse 9 sont divisées avantageusement au niveau de leurs lignes médiane en deux parties 45, 46 respectivement solidaires des collecteurs d'entrée 2 et de sortie 3. Les deux parties de joue 45, 46 sont reliées au niveau de leurs bords adjacents 47, 48 par un organe de liaison étanche souple 50, par exemple en forme d'une bande ou d'un soufflet. Comme on le voit clairement sur la figure 12, les bandes intercalaires 19 disposées dans l'espace entre les tubes plats extérieurs 7 et les parties de joue 45, 46 sont fixées au niveau de leur sommet à ces parties.

[0023] L'organe de liaison souple 50 pourrait être renforcé par un élément de renforcement 51 par exemple en métal pour une meilleure tenue en pression.

[0024] Sur les figures l'organe de liaison 50 est monté sur la face extérieure des parties de joue 45 et 46, mais pourrait également être placé sur les faces intérieures.

[0025] Il est à noter que l'écart entre les bords adjacents 48 et 47 des deux parties de joue 45 et 46 est très faible à froid. Les bords pourraient même être jointifs. De ce fait, il ne serait même pas nécessaire de supprimer une onde de l'intercalaire. Il suffirait de la couper le long de sa ligne de crête et de fixer les deux portions de crête séparées respectivement à l'une et l'autre partie de joue.

[0026] Bien entendu les joues pourraient être divisées aussi en un plus grand nombre de parties que dans la version représentée. Il importe seulement que cette division en au moins deux parties, avec recouvrement étanche des zones de séparation par des organes de liaison étanche et souple confèrent à la carcasse la liberté de déplacement qui, dans le mode de réalisation selon les figures 1 à 5, est assuré par l'intervalle 22 entre les joues et le collecteur de sortie.

Revendications

1. Echangeur de chaleur du type comprenant une première série de voies d'écoulement d'un premier fluide de température élevée, réalisées en un matériau thermiquement conducteur, et une seconde série de voies d'écoulement d'un second fluide de température plus faible, réalisées en un matériau thermiquement conducteur, qui s'interceptent perpendiculairement pour assurer un échange de chaleur entre les premier et second fluides, chaque voie étant de forme oblongue et divisée, par des moyens intercalaires en un matériau thermiquement conducteur, fixés aux faces internes longues des voies, en une pluralité de canaux internes, caractérisé en ce que les voies de ladite première série sont formées par des tubes plats (7) parallèles, juxtaposés dans la direction perpendiculaire au grand axe de symétrie de leur section transversale, à des distances prédéterminées, entre deux plaques latérales extérieures (8) parallèles aux tubes (7) d'une carcasse (9) ouverte aux autres faces latérales (14), et maintenus en haut et en bas par des plaques collectrices d'entrée (13) et de sortie (14) de collecteurs d'entrée (2) et de sortie (3) dans lesquels débouchent ces tubes (7), et en ce que les voies de la seconde série sont formées par les espaces (17) entre les tubes plats (7) et les tubes extérieurs et les plaques de carcasse (8).

2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une des plaques collectrices (13, 14) est montée fixe dans la carcasse (9) tandis que l'autre (14, 13) est libre dans celle-ci.

3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque collectrice (13) du collecteur d'entrée (2) est montée fixe dans la carcasse (9).

4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque plaque latérale extérieure (8) précitée se compose d'au moins deux parties (45, 46) séparées selon des lignes sensiblement perpendiculaires à l'axe longitudinal des tubes plats (7) et séparées l'une de l'autre à l'état froid d'un écart relativement faible, et en ce que les parties séparées sont reliées par des organes de liaison étanches et souples (50), les plaques étant solidaires des collecteurs d'entrée (2) et de sortie (3).

5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un élément de renforcement (51) est associé à un organe de liaison souple (50).

6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un intercalaire (16) avantageusement en forme d'ailettes ou d'une bande pliée en serpentin est disposé à l'intérieur de chaque tube plat (7).

7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un intercalaire (19) avantageusement en forme d'ailettes ou d'une bande pliée en serpentin est disposée dans l'espace (18) entre deux tubes plats (7) adjacents en étant fixés sur les faces extérieures en regard de ceux-ci et qu'un intercalaire est disposé entre chaque tube (7) extérieur et la plaque extérieure (8) correspondant de la carcasse, cet intercalaire n'étant fixé qu'à la face extérieure du tube (7).

8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1, 4 ou 5, caractérisé en ce qu'un intercalaire (19) avantageusement en forme d'ailettes ou d'une bande pliée en serpentin est disposé dans l'espace (18) entre tubes plats (7) adjacents en étant fixé sur les faces extérieures en regard de ceux-ci et que l'intercalaire disposé entre chaque tube (7) extérieur et la plaque extérieure (8) correspondant de la carcasse est fixé sur la face extérieure du tube (7) et la face intérieure de la plaque (8).

9. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la carcasse (9) comporte les deux plaques latérales précitées (8) et, au niveau des angles de ces plaques, des éléments tels que des cornières (11) reliant celles-ci.

10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 2, 3, 6, 7 ou 9, caractérisé en ce que la plaque collectrice (14) qui n'est pas solidaire de la carcasse (9) présente des dimensions inférieures à celles de la plaque collectrice (13) de la carcasse.

11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 2, 3, 6, 7 ou 9, caractérisé en ce que la plaque collectrice (13) non solidaire de la carcasse (9) présente les mêmes dimensions que la plaque collectrice (14) solidaire de la carcasse et que la carcasse est élargie au niveau de la plaque conductrice non solidaire.

12. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 2, 3, 6, 7, 9 à 11 à 10, caractérisé en ce qu'un joint d'étanchéité est monté dans l'intervalle (22) entre la plaque collectrice non solidaire de la carcasse (9) et celle-ci.

13. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans une configuration d'échangeur à plusieurs passes à contre-courant, la carcasse d'échangeur de chaleur est divisée en un nombre approprié de compartiments (29, 30 ; 37 à 38), logeant chacun une unité d'échangeur de chaleur, et en ce que ces unités de chaleur sont désolidarisées de la carcasse au niveau d'une plaque collectrice.

14. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un collecteur intermédiaire (42) entre deux groupes de tubes plats (7) montés en série, pour un prélèvement de fluide chaud (F1) à une température intermédiaire entre les températures d'entrée et de sortie de ce fluide, et en ce que ce collecteur intermédiaire (42) ou un des collecteurs (13, 14) est solidaire de la carcasse.

15. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque voie (7) d'écoulement du premier fluide (F1) est formée par deux tubes plats (7a, 7b), juxtaposés dans la direction du grand axe de la section transversale des tubes.

16. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes (7) ont une section transversale de toute forme appropriée, notamment oblongue et rectiligne.

17. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que les tubes ont une section transversale de forme courbe.

18. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes peuvent être de toute forme appropriée dans la direction axiale, avantageusement rectilignes ou courbes.

19. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé en tout matériau approprié, avantageusement métallique ou composite.

Dessins