Echangeur de chaleur à plaques. <B>La</B> présente invention a pour objet un échangeur de chaleur à plaques, pour l'échange de chaleur entre deux fluide gazeux, applicable en particulier à. une installation à turbine à gaz, par exemple pour l'échange de chaleur entre les gaz d'échappement de la turbine à gaz et l'air comprimé destiné à. ali menter des chambres de combustion que com prend cette installation.
Dans de tels échangeurs à plaques, les plaques sont. disposées en batterie et deux fluides gazeux entre lesquels de la chaleur doit être échangée passent dans les espaces alternés séparant des plaques adjacentes d'une telle batterie. On a proposé de faire passer l'un de ces fluides en droite ligne entre ces plaques, l'autre fluide entrant latérale ment dans le voisinage d'une des extrémités des plaques, s'écoulant ensuite longitudinale ment, de préférence en sens contraire au sens d'écoulement du premier fluide mentionné, e% sortant de l'échangeur latéralement, près de l'autre extrémité des plaques.
L'échangeur de chaleur objet de l'inven tion comprend des plaques de même contour formant au moins une batterie de plaques comprenant des espaces entre ses plaques adjacentes. Des espaces alternés parmi ces espaces s'étendent longitudinalement entre des bords latéraux desdites plaques pour for mer des conduits longitudinaux destinés à recevoir un fluide pour échanger de la cha leur avec un autre fluide, et des espaces inter- médiaires, séparés par des espaces alternés, s'étendent entre des bords transversaux de ces plaques pour former d'autres conduits desti nés audit autre fluide.
Des parois latérales ferment. latéralement la partie moyenne des extrémités desdits autres conduits et laissent ouvertes leurs parties adjacentes auxdits bords transversaux. Des collecteurs séparés sont. prévus pour raccorder les parties laté ralement ouvertes des extrémités desdits autres conduits.
Le double changement de direction que subit le fluide passant dans lesdits autres conduits a cependant pour effet une perte de charge sensible. Dans des échangeurs de cha leur destinés à des installations génératrices de puissance de contruction particulière, pré vus par exemple pour être installés sur des véhicules, la hauteur disponible est relative ment faible par rapport à la largeur maxi- mu i admissible, et. l'effet nuisible de ce dou ble changement de direction est, de ce fait, augmenté.
La perte de charge dans le fluide subissant le changement de direction d'écoule ment peut être réduite de façon appréciable en disposant au moins deux batteries de pla ques côte à côte et espacées l'une de l'autre, une cloison médiane étant. disposée dans un plan tr arisversal. à celui des plaques et ser vant à séparer entre elles les deux parties latéralement ouvertes des extrémités de cha cun desdits autres conduits. Dans une dispo sition de ce genre, des collecteurs intérieurs séparés seraient compris entre lesdites batte ries, de chaque côté de ladite cloison médiane.
Lesdits collecteurs séparés sont alors disposés pour raccorder les extrémités desdits autres conduits débouchant vers l'extérieur de l'en semble desdites batteries de plaque.
TOUS les collecteurs d'entrée peuvent être reliés entre eux dans une zone d'entrée com mune prévue à l'intérieur de l'enveloppe coni- nittne, tous les collecteur.s de sortie commu niquant également. entre eux dans une zone de sortie commune. Un raccordement unique ou, lorsque cela est désirable pour des raisons (le symétrie,. une paire de raccordements aux organes associés, tels qu'un compresseur et qu'une ou plusieurs chambres de combustion, suffit alors pour cet ensemble de conduits de l'échangeur de chaleur.
Les conduits longitudinaux de passage di rect peuvent être directement reliés en paral lèle l'un à l'autre et raecordés aux organes associés, par exemple à, la sortie d'une tur bine à gaz et à un conduit d'échappement.
Au point de vue constructif, les batteries de plaques sont de préférence supportées par un châssis en forme de cadre ou par une plaque présentant des ouvertures rectangu laires à. travers lesquelles les plaques s'éten dent, à partir de la zone d'entrée jusque dans la zone de sortie de l'éeliangeur de chaleur.
Dans un éehangeur comprenant deux batteries, ce châssis peut être constitué par une poutre en caisson en forme de<B>U</B> qui constitue les côtés et une des extrémités de ce châssis et ,par une poutre en caisson en forme de<B>T</B> qui constitue la partie médiane et l'autre extrémité de ce même châssis. Les poutres en caisson en forme de<B>U</B> et en forme de<B>T</B> peu vent être reliées l'une à l'autre, clé préférence par soudure.
Le dessin représente, à titre d'exemple, trois formes d'exécution de l'échangeur de chaleur objet .de l'invention.
Fig. 1 .est une élévation latérale schéma tique d'une première forme d'exécution, en coupe partielle selon I-I de la fig. 3.
Fig. 2 est une vue en plan partielle, en coupe selon II-II de la fig. 1. Fig. 3 est une élévation frontale en coupe selon 111-11I de la fig. 1.
Fi g. -I est une élévation latérale schéma tique, en coupe partielle selon IV-IV de la fig. 6, de la deuxième forme d'elécutioii.
Fig. 5 est une vue en plan partielle, en coupe selon V-V de la fi-. -1.
Fig. 6 est une élévation frontale en coupe selon VI-VI de la fig. -1.
Fig. 7 est une vue ci) perspective scliéina- t.ique, montrant les sens et les directions d'écoulement dans la troisième forme d'exécu tion.
Fig. 8 est une vue d'ensemble en perspec tive et avec arraehenient d'un échangeur de ehaleur présentant un écoulement de chacun des fluides selon la fi<U>-</U>. 7.
Fig. 9 est une vue en plan, en coupe selon IX-IX de la fig. 11, du châssis portant les plaques.
Fi-. 10 est une élévation en coupe selon X-X de la fi,-,. 9.
Fhr. 1.1. est nue élévation en coupe selon YI-YI (le la fig. 9, et Fig. 1'' est une vue en perspective du châssis représenté aux figr. 9 à 1.1.
Dans la forme d'exécution représentée aux rig. 1 à 3, les espaces 3 constituent des con duits longitudinaux, dits (le passage direct, et les espaces 6 constituent d'autres conduits avec entrées en 6a et sorties en 6". Des paires de plaques ? sont constituées en soudant l'une à l'autre deux plaques le long de leurs bords supérieur et inférieur, en 8 (fig. 3), et le long de la partie 5 de leurs bords latéraux séparant les ouvertures latérales d'entrée 6a et de sortie 6''.
Des conduits longitudinaux, dits de passage direct, sont ainsi compris entre des paires adjacentes de plaques et d'autres conduits comprenant des ouvertures d'entrée et de sortie sont ménagés dans cha cune de ces paires.
Chaque paire de plaques 2 est soudée à un collecteur d'entrée 21, à proximité de son ouverture d'entrée 6a, et à un collecteur de sortie 23, faisant face à son ouverture de sor tie 6''. Une paroi latérale 16, reliant ces colle,- teurs 21 et 23, ferme latéralement les con cluits longitudinaux 3.
Dans une installation à turbine ù gaz, les eonduits longitudinaux 3) seraient reliés à la sortie clé la turbine à gaz et. conduiraient les gaz d'échappement dans l'atmosphère. Les pa rois latérales 16 né seraient. par conséquent exposées qu' < < la faible pression d'échappe ment, tandis que l'intérieur de chaque paire de plaques serait exposée à la pression relati vement élevée d'alimentation de la turbine.
Dans la forme d'exécution représentée aux fig. -1 à. 6, les paires clé plaques 2 2 sont scellées tout le long clé chacun de leurs bords latéraux, en >, et renferment entre elles les conduits longitudinaux 3. Les autres conduits 6 sont disposés entre des paires de plaques adjacentes et sort scellés en 5 le long des bords inférieur et supérieur de chaque paire de plaques et ouverts en 6a et 6<B>'</B>, le long des lords latéraux, pour aboutir respectivement clans le collecteur d'entrée 21 et dans le col lecteur de sortie 23.
Les conduits 6 sont fer més latéralement entre les ouvertures latérales 6a et 6<B>"</B> par une paroi .latérale 76 qui est exposée à la pression élevée d'alimentation, lorsque les conduits 6 sont utilisés pour rece voir de l'air comprimé destiné à alimenter une turbine. Cependant, les paires de plaques 2. 2 sont exposées à la. pression atmosphérique et les gaz d'échappement à. basse pression traversent les conduits 3. Cette forme d'exécu tion est, par conséquent, préférable lorsqu'une différence de pression relativement grande règne entre les deux fluides entre lesquels de la chaleur doit être échangée.
La troisième forme d'exécution qui sera déerite en référence aux fig. 7 à 12 présente des éléments qui sont conformés et disposés comme dans la deuxième forme d'exécution décrite ci-dessus. Cependant, cette troisième forme d'exécution comprend deux batteries de plaques disposées côte à côte et l'écoulement des fluides dans un échangeur de chaleur de ce type sera. décrit en référence à la vue schématique de la fig. 7, dans laquelle les élé ments pourraient aussi être conformés et dis- posés comme clans la première forme d'exé cution.
Dans la fig. 7, deux batteries de plaques 10 et. 11 sont disposées côte à côte dans une enveloppe commune (non représentée dans cette figure). L'espace séparant ces batteries est divisé en un collecteur central supérieur 7.2 et en un collecteur central inférieur 14 par une plaque 13. -l;n-dessus et en-dessous de la plaque 13, chacune des batteries est fermée dans sa partie médiane par une plaque verticale intérieure 15 et par une plaque ver ticale extérieure 16.
L'un des fluides gazeux (par exemple, clans le. cas d'utilisation de l'échangeur dans une installation à. turbine à gaz, les gaz d'échappement) entre dans, les conduits longi tudinaux 3 depuis dessous et sort de l'échan geur à sa partie supérieure, selon les flèches v ertiea:les.
L'autre fluide gazeux (par exemple de l'air comprimé destiné aux chambres de com bustion d'une installation à. turbine à. gaz) entre dans l'échangeur au milieu de sa partie frontale supérieure, suivant la flèche 17. Le courant de fluide est. divisé en un écoulement central 12, pénétrant dans le collecteur cen tral supérieur et en deux courants extérieurs 18 et 19, dirigés vers les collecteurs supé rieurs extérieurs (non représentés) selon les flèches 20 et 21.
Le courant central 12 et les deux courants extérieurs 20 et 21 se divisent chacun entre les entrées 6a des conduits formés entre les plaques de chaque paire de plaques et sont déviés dans une direction verticale dans ces conduits 6, dans lesquels cet autre fluide s'écoule dans le sens inverse an sens d'écoule ment du fluide passant. à travers les conduits longitudinaux 3.
Aux extrémités inférieures des plaques, cet autre fluide, par exemple de l'air com primé, est à nouveau dévié vers l'intérieur et vers l'extérieur et quitte les conduits 6 formés entre les plaques de chaque paire de plaques par .les sorties 6<B>'</B>. La partie de ce fluide qui a été déviée vers l'intérieur est recueillie par le collecteur central inférieur 14 et la partie qui a été déviée vers l'extérieur est. recueillie par des collecteurs extérieurs 22 et 23 qui la dirigent vers la face antérieure des deux bat teries 10 et 11.
A proximité de cette face antérieure de chacune des batteries, la partie du fluide qui a été déviée vers l'extérieur et celle qui a été déviée vers l'intérieur sont ci nouveau réunies (flèches 26 et 25) en deux écoulements 28 et 27 qui quittent l'échangeur de chaleur à la partie inférieure clé sa face frontale.
La fig. 8 représente deux batteries de plaques disposées côte à. côte dans une enve loppe commune, et dans lesquelles les fluides circulent, de la manière décrite en référence a la fig. 7. L'ensemble des conduits longitu- dinaux prévus pour l'un clos fluides présente une structure en nid d'abeilles ouverte à ses extrémités inférieure et supérieure.
Les extré mités inférieures de ces conduits sont prévues pour être reliées à un collecteur d'échappe ment d'une turbine à gaz et. leurs extrémités supérieures pour être raccordées à. un con duit d'échappement aboutissant dans l'atino- sphére.
Les autres conduits 6, prévus pour la cir culation de l'autre fluide avec lequel le pre rnier fluide doit, échanger de la chaleur, sont. fermés en 8 à leurs extrémités supérieures et inférieures et sont ouverts latéralement. L'en veloppe commune de l'échangeur est divisée horizontalement en un espace d'entrée supé rieur communiquant avec les entrées latérale 6a clos conduits 6 et en un espace de sortie inférieur communiquant avec les ouvertures latérales 6".
L'enveloppe comprend une plaque frontale 42 présentant une ouverture d'entrée 17 nu milieu de sa moitié supérieure et cieux ouver tures de sorties 27 et 28 aux deux extrémités de sa, partie inférieure.
Lette enveloppe com prend également des parois latérales 31 et des collecteurs cintrés 20, 21 et. 22, 23 reliés auxdites parois latérales ainsi que des con duits transversaux antérieurs cintrés 18,<B>19</B> et 25, 26 reliés à. la plaque frontale, pour con duire l'écoulement chi fluide traversant les conduits 6 selon le schéma de la fi".<B>7.</B> 'Une paroi postérieure et. des conduits transversaux postérieurs sont également prévus pour fer mer ladite enveloppe.
Les bords intérieurs < les conduits trans versaux cintrés et. des collecteurs cintrés sont reliés entre eux par des cadres rectangulaires inférieur et. supérieur, le cadre supérieur 44 étant. partiellement représenté à la fig.8. Ces cadres sont destinés à être raccordés respec tivement à la sortie de la turbine à gaz et au conduit d'échappement.
Un collecteur central supérieur d'entrée 12 et un collecteur central inférieur de sortie sont compris entre les deux batteries de pla ques. Le collecteur central inférieur n'est pas représenté û la fi-. 8, mais correspond à la flèche 74 de la fig. 7. Ces collecteurs centraux sont fermés, à leur partie supérieure et à leur partie inférieure respectivement, chacun par un couvercle 45 en forme de bande. résistant. à la pression et < le préférence ondulé.
Des peignes ou crémaillères !l sont reliés aux bords de ces eouvereles ainsi qu'aux bords longitu- dinaux intérieurs des cadres 44. De sembla bles crémaillères 46 sont. disposées le long de lignes médianes longitudinales supérieure et inférieure de ehaeune des batteries de plaques pour maintenir ces plaques convenablement espacées et pour empêcher les batteries de s'affaisser. Ces crémaillères 46 sont reliées aux bords antérieurs et postérieurs des cadres 44.
L'ensemble (le l'échangeur de chaleur est sup porté par un organe constituant la cloison mé diane horizontale 13. Cet organe sera décrit en référence aux fig. 11 à 12. Il comprend une poutre en caisson 30, en forme de U, et une poutre en caisson 35, en forme de T, rigide ment assemblées, de préférence par soudure, (le faeon à former deux ouvertures rectangu laires à travers lesquelles les batteries de pla ques peuvent être disposées.
La poutre en caisson 30, en forme de<B>U,</B> comprend une plaque extérieure 31, s'étendant en hauteur au-delà du profil du caisson et formant trois côtés de la paroi extérieure de l'enveloppe de l'échangeur de chaleur. Cette poutre en caisson comprend en outre une pla que intérieure 32, s'étendant également en hauteur un peu au-delà du profil du caisson et formant. des écrans extérieurs prévus pour fermer latéralement. les conduits 6 compris entre les plaques des paires de plaques adja centes, entre leurs entrées latérales 6a et leurs ouvertures latérales de sortie 6" (fig. 7). Trois plaques horizontales 33 sont soudées à la.
plaque extérieure 31 et à la. plaque intérieure 32, de faon à former, conjointement avec celles-ci, un double profil de caisson (fig. 10). Plusieurs renforts 34 de forme triangulaire ou trapézoïdale relient les plaques horizon tales 33 supérieure et inférieure à la plaque extérieure 31.
La poutre en caisson 35 en forme de<B>T</B> comprend une partie en caisson centrale 36 qui est reliée à sa partie postérieure, aux pla ques horizontales 33 inférieure et supérieure (le la poutre en caisson en forme de<B>U</B> au moyen de plaques inclinées 37, et à la plaque horizontale 33 médiane an moyen d'un renfort. intérieur 38. Cette poutre en caisson en forme (le<B>T</B> comprend également une partie trans versale frontale 40, reliée à ses extrémité à la poutre en caisson en forme de U, et en son centre à )a partie centrale 36 de ladite poutre en caisson en forme de<B>T.</B> Un renfort trapé zoïdal 39 est prévu pour raidir le raccord des deux parties 36 et 40.
La partie transversale de la poutre en caisson en forme de<B>T</B> porte une plaque ter minale 41 qui constitue la partie frontale ou antérieure (le l'enveloppe, dont la hauteur est la même que celle des plaques latérales 31. et qui s'étend tout le long de cette partie trans versale 40. Une plaque à rebords 42 est reliée à cette plaque frontale au moyen d'entretoises 43. t'ne ouverture 17, prévue pour être rac cordée à la sortie d'un compresseur et condui sant clans l'espace d'entrée ménagé entre la plaque frontale 41 et les premières plaques des deux batteries, est prévue dans la partie médiane supérieure de la plaque à rebords 42.
lie fluide fourni par le compresseur passe à travers cette ouverture 17 et. suit les flèches 18 et 19 clé la fig. 7, alimentant le collecteur central d'entrée (flèche 12, fig. 7) et les deux collecteurs d'entrée extérieurs (flèches 20 et 21 de la fig. 7).
Des ouvertures 27 et. 28 sont. prévues dans les coins inférieurs de la moitié inférieure de la plaque à rebords 42. Ces ouvertures sont destinées à raccorder les entrées respectives de deux chambres de combustion avec l'espace de sortie ménagé entre la plaque frontale 41 et les premières plaques des deux batteries. Le fluide sortant de l'échangeur de chaleur par vient à, ces ouvertures à partir du collecteur central de sortie (flèche 14 de la fig. 7) et des deux collecteurs de sortie extérieurs (flèches 22 et 23 de la fig. 7).
La plaque frontale 41 est. soudée à la par tie de poutre en caisson 40 et aux bords anté rieurs des parois latérales 31. L'ensemble ri gide formé par la poutre en caisson en forme de U, par la poutre en caisson en forme de T et par la plaque frontale 41., raidie par les entretoises la reliant à. la plaque à rebords 42 et par cette plaque à rebords, elle-même cons titue le support de l'échangeur de chaleur pris dans son ensemble.