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FR2912811A1 - Echangeur de chaleur pour fluides a circulation en u - Google Patents

Echangeur de chaleur pour fluides a circulation en u Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un échangeur de chaleur (1) entre deux fluides, comportant des tubes (2, 2', 2") alignés parallèlement les uns aux autres ainsi qu'au moins deux boîtes collectrice (4, 5), dites de boîte collectrice d'entrée et de sortie, pour l'un desdits fluides, dit premier fluide, ledit premier fluide circulant dans les tubes (2, 2', 2''),caractérisé en ce qu'il comprend au moins une paroi de séparation (9) destinée à former un circuit en U pour le second fluide ; ladite paroi comportant au moins un évidement (22) pour autoriser le passage du second fluide de part et d'autre de ladite paroi (9) entre au moins deux rangées de tubes (2' et 2").

Description

RFR0378
Titre : Echangeur de chaleur pour fluides à circulation en U 5 10 La présente invention concerne un échangeur de chaleur pour fluides à circulation en U, en particulier un échangeur de chaleur à haute pression, c'est-à-dire comportant au moins un circuit dans lequel circule un gaz à haute pression, ledit circuit étant constitué par des tubes adaptés pour ce gaz haute pression. 15 Certains des échangeurs de chaleur qui équipent actuellement les véhicules automobiles modernes, notamment les circuits de climatisation de l'habitacle du véhicule automobile, utilisent un fluide caloporteur à haute pression, par exemple le CO2, qui travaille sous une pression très élevée qui 20 peut atteindre plusieurs centaines de bars.
On connaît à l'heure actuelle le brevet FR 2852383 qui décrit un agencement particulier pour une boîte collectrice ainsi qu'un échangeur de chaleur à haute pression incluant cette boîte collectrice. 25 L'architecture décrite dans ce brevet est particulièrement bien adaptée pour ce type d'échangeurs de chaleur, en particulier d'un point de vue de sa réalisation, son assemblage, son encombrement spatial réduit et de sa résistance mécanique mais ce dispositif ne présente pas de bonnes qualités ou 30 performances d'échange thermique. 1 La présente invention entend, à partir d'une structure ou architecture sensiblement telle que décrite dans le brevet, remédier aux inconvénients de ce type d'échangeurs en améliorant très significativement leurs performances, tout en conservant un encombrement spatial équivalent.
Ainsi, la présente invention concerne un échangeur de chaleur entre deux fluides, comportant des tubes alignés parallèlement les uns aux autres ainsi qu'au moins deux boîtes collectrice, dites de boîte collectrice d'entrée et de sortie, pour l'un desdits fluides, dit premier fluide, ledit premier fluide circulant dans les tubes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une paroi de séparation destinée à former un circuit en U pour le second fluide ; ladite paroi comportant au moins un évidement pour autoriser le passage du second fluide de part et d'autre de ladite paroi.
Autrement dit, l'échangeur de chaleur selon la présente invention est apte, comparativement à l'échangeur de chaleur du brevet FR 2852383, à proposer un circuit pour l'échange de chaleur entre les deux fluides présentant une longueur double.
D'autres particularités ou caractéristiques sont présentées dans la suite : - l'échangeur de chaleur de l'invention comprend au moins un collecteur intermédiaire pour le premier fluide circulant dans les tubes pour sa circulation en U ; Ainsi, la paroi de séparation est de manière optionnelle raccordée à ce collecteur intermédiaire, de sorte que dans ce cas de figure, le premier fluide passe par des évidements pratiqués dans ladite paroi de séparation. Dans la suite, on décrira l'invention dans la réalisation avec la liaison entre la paroi de séparation et le collecteur intermédiaire, le premier fluide passant au travers d'évidements de ladite paroi pour sa circulation en U. - le collecteur intermédiaire est formé par un empilement ou superposition, en alternance, de premières parois, appelés parois pleines, et de secondes parois, appelées parois creuses, les parois creuses formant un espace entre les extrémités de tubes et les parois pleines contiguës ; - les susdites boîtes collectrices sont formées par une superposition, en alternance, de premières parois, appelés parois coiffes, et de seconde parois, appelés parois entretoise, les parois coiffes présentant des découpes de passage, les parois entretoise présentant des évidements, au moins une partie des découpes de passage des parois coiffes se superposant aux évidements des parois entretoises pour former au moins un canal pour le premier fluide ; - la paroi de séparation comprend une première série d'évidements pour la circulation en U du second fluide ; - la paroi de séparation comprend une deuxième série d'évidements pour la circulation en U du premier fluide ; - la susdite paroi consiste en une plaque métallique ; - l'échangeur de chaleur comprend deux flancs rapportés, fixés latéralement ; - chaque flanc comporte une tubulure d'entrée/sortie pour l'un des deux fluides, dit second fluide ; - l'échangeur de chaleur comprend deux plaques d'extrémité dont 20 l'une comporte deux tubulures d'entrée/sortie pour l'un des deux fluides, dit premier fluide ; - la paroi de séparation est reliée et fixée aux boîtes collectrices et au collecteur intermédiaire ; l'échangeur de chaleur comprend également des plaques cloisons 25 destinées à réaliser des passes de circulation pour le premier fluide.
Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, en faisant référence aux dessins annexés dans lesquels : 30 La figure 1 représente une vue schématique d'un échangeur de chaleur selon l'invention, La figure 2 est une vue éclatée de l'échangeur de chaleur selon l'invention, La figure 3 représente schématiquement une vue de dessus de l'échangeur de chaleur selon l'invention, La figure 4 est une vue en coupe de l'échangeur selon la section AA illustrée sur la figure 3, La figure 5 est une vue en coupe de l'échangeur selon la section BB illustrée sur la figure 3, La figure 5 est une vue en coupe de l'échangeur selon la section CC 10 illustrée sur la figure 3.
La présente invention sera décrite pour une utilisation particulièrement adaptée à un échangeur fluide/fluide dans lequel au moins l'un des deux fluides est un gaz ou quasi-gaz (essentiellement constitué de 15 gaz), c'est-à-dire présentant une pression supérieure à 50 bars. Bien entendu, on pourra prévoir d'utiliser cette structure ou architecture pour un échangeur fluide/fluide où les deux fluides sont de même nature, gaz / quasi-gaz ou liquide / quasi-liquide.
20 La figure 1 est une représentation en perspective d'un échangeur de chaleur 1 conforme à l'invention. Il est constitué par la juxtaposition d'une multiplicité de tubes 2 plans disposés parallèlement les uns aux autres. Les tubes 2 sont de type multicanaux. Ils sont percés intérieurement d'une multiplicité de canaux 3 parallèles destinés, dans l'exemple, à la circulation 25 d'un fluide sous haute pression, par exemple le CO2. Une paroi coiffe 4 est disposée à l'une des extrémités de chaque tube 2. Une paroi entretoise 5 est intercalée entre chaque paroi coiffe 4. On a donc une superposition, en alternance, d'une paroi coiffe 4 et d'une paroi entretoise 5. 30 Dans l'exemple représenté, les parois coiffes 4 et les parois entretoise 5 sont constituées par des éléments individualisés, séparés les uns des autres, découpés individuellement dans une tôle. Les parois coiffes 4 et les parois entretoises 5 constituent donc des éléments individuels en forme de plaques constituant des plaques coiffes 4 et des plaques entretoises 5. Dans l'exemple, les plaques entretoises 5 comportent deux découpes de passage 7, 8 de forme circulaire.
De manière similaire, les parois ou plaques coiffe 4 comportent deux découpes de passage 7', 8'. Toutefois, alors que les découpes de passage 7, 8 des plaques entretoise 5 sont fermées, les découpes 7', 8' des plaques coiffe 4 sont ouvertes de manière à posséder une découpe de logement adaptée à la réception de l'extrémité du tube 2 à l'extrémité duquel elles sont montées. Les découpes de passage 7', 8' sont ainsi en communication de fluide avec les multiples canaux 3 longitudinaux des tubes multi-canaux 2. Les découpes 7' de passage sont en communication avec les tubes 2', tandis que les autres découpes 8' de passage sont en communication de fluide avec les autres tubes 2".
Les découpes de passage 7, 8 des plaques entretoise 5 et les découpes de passage 7', 8' des plaques coiffe 4 se superposent, tout au moins en partie, afin de réaliser des canaux de fluide pour la distribution du fluide caloporteur dans les tubes 2.
On peut également prévoir des plaques cloisons, non représentées sur les figures annexées mais conforme aux celles du brevet FR 2852383, qui ne comportent aucune découpe. Le remplacement d'une plaque entretoise par une plaque cloison ferme les canaux de fluide, ce qui permet de réaliser, de manière classique, des passes pour la circulation du premier fluide qui circule dans les tubes.
Ainsi, l'invention a pour but premier de réaliser une circulation en U pour au moins un des fluides grâce à la paroi de séparation 9, le circuit en U s'étendant horizontalement, c'est-à-dire dans le plan d'extension des tubes 2 ou des conduits inter-tubes 18. Par ailleurs, grâce aux plaques cloisons, on pourra créer des passes pour la circulation du premier fluide de sorte que sa circulation est également verticale ou perpendiculaire au plan de circulation en U rendue possible grâce à la paroi de circulation 9.
Enfin, l'échangeur comporte une plaque d'extrémité supérieure 10 et une plaque d'extrémité inférieure 11. La plaque d'extrémité 10 comporte deux découpes de passage qui se superposent aux découpes de passage de la plaque entretoise 5 accolée à la plaque d'extrémité 10. Les découpes permettent le raccordement des tubulures d'entrée 12 et de sortie 13 pour le fluide, par exemple le CO2.
L'échangeur selon l'invention comporte en alternance à une extrémité une plaque coiffe 4 et une plaque entretoise 5 et à l'autre extrémité une plaque pleine 14 et une plaque creuse 15. L'espace défini entre deux tubes 2 est donc égal à l'épaisseur des plaques entretoises 5. Cet espace est donc peu important. En conséquence, un échangeur de ce type est particulièrement adapté à l'échange liquide/gaz. L'échangeur de chaleur selon la présente invention diffère de celui décrit dans le brevet FR 2852383 essentiellement en ce que les parois entretoise 5 / coiffe 4 et les parois pleines 14 / creuses 15 sont adaptées pour accueillir une paroi de séparation 9.
Ainsi, dans l'exemple choisi pour illustrer l'invention, du côté de l'échangeur 1 logeant une boîte collectrice 4, 5 pour le fluide frigorigène ou supercritique, les parois entretoise 5 et les parois coiffe 4 présentent une fente ou un évidement 16 destiné à accueillir une extrémité de la paroi de séparation 9.
Du côté opposé à la boîte collectrice 4, 5 pour le fluide frigorigène ou supercritique, l'échangeur de chaleur 1 comprend également deux types de parois empilées, dénommées les parois pleines 14 et les parois creuses 15. Les parois creuses 15 sont fixées en vis-à-vis des extrémités des tubes 2, et donc également des parois coiffe 4, de sorte que la circulation du fluide véhiculé par les tubes 2 puisse se faire d'un tube contigu 2' à l'autre 2" tandis que les parois pleines 14 sont en vis-à-vis des parois entretoise 5 et s'étendent au-delà des extrémités des tubes 2 de sorte que le fluide circulant dans les tubes 2 ne puissent pas passer ou circuler entre les tubes 2 situés à des hauteurs ou niveaux différents.
Dans l'exemple choisi pour illustrer l'invention, l'échangeur de chaleur 1 est fermé par un carter ou analogue constitué par deux plaques d'extrémité 10, 11, situées respectivement en dessous 11 et au-dessus 10 de l'empilement de tubes 2 et/ou de parois 4, 5, 14, 15, ainsi que deux plaques latérales 16, 17 fermant latéralement l'échangeur 1 et formant les cloisons latérales des conduits ou passages inter-tubes 18. Bien entendu, on pourra prévoir que les tubes 2 eux-mêmes forment ou comprennent les moyens de fermer les conduits inter-tubes 18.
Les plaques latérales 16, 17 comportent chacune une tubulure respectivement d'entrée 19 et de sortie 20 de fluide, en l'occurrence du fluide caloporteur (mélange d'eau + glycol) tandis que la plaque d'extrémité 10 comprend deux tubulures 1, respectivement d'entrée 13 et de sortie 12, pour la circulation du fluide frigorigène, par exemple de type CO2.
L'ensemble des éléments de l'échangeur de chaleur 1 selon l'invention est brasé ensemble de manière à aboutir à une structure compacte et résistante.
La paroi de séparation 9 comprend deux types d'évidements 21, 22, fonction des deux circuits de fluide de l'échangeur de chaleur 1 selon l'invention. En effet, l'échangeur de chaleur 1 de l'invention comprend deux circuits de circulation de fluide, en l'occurrence relativement à l'objet de l'invention exposé ici, l'un des fluides est essentiellement sous forme gazeuse et l'autre fluide est essentiellement sous forme liquide. Le fluide essentiellement sous forme gazeuse consiste en un fluide frigorigène ou supercritique de type CO2 (également dénommé R744) ou par exemple du fluide H; ce fluide étant utilisé pour la climatisation du véhicule automobile.
Le fluide essentiellement sous forme liquide consiste en un fluide caloporteur tel que par exemple un mélange d'eau et de glycol et est classiquement utilisé pour refroidir le moteur du véhicule automobile.
Le circuit pour le fluide essentiellement sous forme gazeuse part des tubulures 12, 13 situées sur la plaque d'extrémité 11. Ce fluide passe ensuite dans la boîte collectrice d'entrée 4, 5 formée par les parois coiffe 4 et les évidements des parois entretoise 5. La première rangée 2' de tubes 2 débouchant dans cette boîte collectrice d'entrée, ce fluide circule dans les tubes 2' de cette première rangée jusqu'à dans la pluralité de collecteurs intermédiaires, formés chacun par les parois creuses 15. Le fluide essentiellement gazeux passe alors par les évidements ou orifices 21, ici consistant en des évidements circulaires, présents dans la paroi de séparation 9 afin d'atteindre la deuxième rangée 2" de tubes 2. Le fluide gazeux passe alors par les tubes 2" de cette deuxième rangée pour aboutir à la boîte collectrice de sortie formée, à l'instar de la boîte collectrice d'entrée, par l'empilement des parois coiffe 4 el: des parois entretoise 5. Ce fluide arrivé dans la boîte collectrice de sortie est ensuite évacué par la tubulure de sortie 12, ou seconde tubulure, présente sur la plaque d'extrémité 11.
Le circuit pour le fluide essentiellement liquide part d'une des tubulures 19 prévues sur une des parois latérales 16. Ce fluide circule dans les conduits 18 formés par l'espace entre deux tubes 2 contigus, dénommé conduit inter-tube. Ainsi, le fluide en provenance de la tubulure d'entrée 19 se répartit dans la pluralité de conduits inter-tubes 18 de l'échangeur 1, ici par exemple entre les tubes de la seconde rangée 2", pour aller jusqu'aux trous ou évidements 22 de la paroi de séparation 9 afin de circuler dans les conduits inter-tubes 18 formés par les tubes 2' contigus ou adjacents de la première rangée de tubes, et enfin sortir par la tubulure de sortie 20.
Pour le second fluide, le circuit du second fluide réalise également un U afin d'échanger de la chaleur au mieux avec le premier fluide. Ainsi, dans la structure de l'échangeur de chaleur selon l'invention, il est notamment important que l'entrée 19 du second fluide soit située à distance des trous ou évidements 22 de sorte que ce fluide circule sur toute la longueur, ou quasiment toute la longueur, du conduit inter-tubes 18.
Par ailleurs, il est souhaitable que la circulation des deux fluides soient à contresens ou contre-courant et de prévoir que le second fluide (ou premier fluide) commence à échanger avec le premier fluide (ou second fluide) au niveau de sa section de sortie 2" correspondant à la section d'entrée pour le second fluide de sorte à optimiser la performance d'échange thermique entre les fluides.
Les trous ou évidements 21 pour le premier fluide, à savoir le fluide essentiellement gazeux, sont ici circulaires tandis que les trous ou évidements 22 pour le second fluide, à savoir le fluide essentiellement liquide, présente une section plus grande, ici donc de forme allongée.
L'homme de l'art pourra appliquer ce concept à de nombreux autres systèmes similaires sans sortir du cadre de l'invention défini dans les revendications jointes.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Echangeur de chaleur (1) entre deux fluides, comportant des tubes (2, 2', 2") alignés parallèlement les uns aux autres ainsi qu'au moins deux boîtes collectrice (4, 5), dites de boîte collectrice d'entrée et de sortie, pour l'un desdits fluides, dit premier fluide, ledit premier fluide circulant dans les tubes (2, 2', 2"), caractérisé en ce qu'il comprend au moins une paroi de séparation (9) destinée à former un circuit en U pour le second fluide ; ladite paroi comportant au moins un évidement (22) pour autoriser le passage du second fluide de part et d'autre de ladite paroi (9) entre au moins deux rangées de tubes (2' et 2").
2. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il 15 comprend au moins un collecteur intermédiaire (15) pour le premier fluide circulant dans les tubes (2, 2', 2") pour sa circulation en U.
3. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le collecteur intermédiaire (15) est formé par un empilement ou superposition, en 20 alternance, de premières parois, appelés parois pleines (14), et de secondes parois, appelés parois creuses (15), les parois creuses (15) formant un espace entre les extrémités de tubes (2, 2', 2") et les parois pleines contiguës (14).
4. Echangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, caractérisé en ce que les susdites boîtes collectrices (4,
5) sont formées par une superposition, en alternance, de premières parois, appelés parois coiffe (4), et de seconde parois, appelés parois entretoise (5), les parois coiffe (4) présentant des découpes de passage, les parois entretoise (5) présentant des évidements, au moins une partie des découpes de passage des 30 parois coiffes (4) se superposant aux évidements des parois entretoises (5) pour former au moins un canal pour le premier fluide. 115. Echangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi de séparation (9) comprend une première série d'évidements (22) pour la circulation en U du second fluide.
6. Echangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi de séparation (9) comprend une deuxième série d'évidements (21) pour la circulation en U du premier fluide. 10
7. Echangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la susdite paroi (9) consiste en une plaque métallique.
8. Echangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux flancs rapportés (16 et 17), fixés latéralement.
9. Echangeur de chaleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque flanc (16, 17) comporte une tubulure d'entrée/sortie (19, 20) 20 pour l'un des deux fluides, dit second fluide.
10. Echangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux plaques d'extrémité (10,
11) dont l'une (10) comporte deux tubulures d'entrée/sortie (12, 13) pour l'un 25 des deux fluides, dit premier fluide. 11. Echangeur de chaleur (1) selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la paroi de séparation (9) est reliée et fixée aux boîtes collectrices (4, 5) et au collecteur intermédiaire (15). 30
12. Echangeur de chaleur (1) selon l'une quelconque des revendicationsprécédentes, caractérisé en ce qu'il comprend également des plaques cloisons destinées à réaliser des passes de circulation pour le premier fluide.
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