FR3101267A3 - Procédé de fabrication d’un élément intercalaire pour échangeur de chaleur - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’un élément intercalaire (1) pour un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a) fourniture d’une tôle plate (10), b) pliage de la tôle plate (10) de manière à obtenir au moins un élément intercalaire (1) de forme ondulée comprenant une succession d’ailettes (123) reliées alternativement par des sommets d’onde (121) et des bases d’onde (122), lesdites ailettes (123) se succédant suivant une première direction (y) définissant une direction d’ondulation de l’élément intercalaire (1) et chaque ailette ayant une longueur, mesurée parallèlement à une deuxième direction (z) perpendiculaire à la première direction (y), et une hauteur, mesurée par rapport à une troisième direction (x) perpendiculaire à la première direction (y) et à la deuxième direction (z), c) perforation de l’élément intercalaire (1) de manière à réaliser des ouvertures (2) dans les ailettes (123), Selon l’invention, l’étape c) de perforation est réalisée après l’étape b) de pliage. Figure de l’abrégé : Fig. 2

Description

Procédé de fabrication d’un élément intercalaire pour échangeur de chaleur
L’invention concerne un procédé de fabrication d’un élément intercalaire pour échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasées permettant de réaliser des ouvertures dans ledit élément intercalaire.
La technologie couramment utilisée pour un échangeur est celle des échangeurs en aluminium à plaques et à ailettes ou ondes brasés, qui permettent d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange.
Ces échangeurs comprennent des plaques séparatrices entre lesquelles sont insérées des structures d’échange thermique, généralement des structures ondulées ou ondes, formées d’une succession d’ailettes ou jambes d’onde, constituant ainsi un empilement de passages pour les différents fluides à mettre en relation d’échange thermique.
Des éléments intercalaires sont disposés dans les passages de l’échangeur. Ces structures d’échange thermique se présentent sous forme de produit ondulé, ou ondes d’échange thermique, comprennant des ailettes, ou jambes d’onde, qui s’étendent entre les plaques de l’échangeur. Les éléments intercalaires sont assemblés aux plaques par brasage.
Le rôle des éléments intercalaires est démultiplier la surface de contact entre les fluides et les parois de l’échangeur afin de favoriser les échanges thermiques. Cependant, le trajet du fluide entre deux plaques est davantage perturbé du fait de la présence de ces ailettes, ce qui entraîne une augmentation des pertes de charge. En fonction de la géométrie des éléments intercalaires, l’échange thermique est plus ou moins favorisé et les pertes de charge sont plus ou moins importantes pour des dimensions d’échangeurs et un procédé donnés.
L’addition d’ouvertures ou « fenêtres » dans les parois des ailettes, c’est-à-dire des interruptions de la paroi de l’ailette dans le sens de circulation du fluide sur une partie de la hauteur du passage et tout ou partie de sa largeur, favorise l’écoulement du fluide dans le passage, et entraîne ainsi une diminution des pertes de charge, tout en n’ayant qu’un impact modéré sur l’échange thermique. Ainsi, un fenêtrage judicieux d’une géométrie d’ailette permet de moduler ses performances thermo-hydrauliques au sein d’un échangeur de chaleur, ce qui peut améliorer l’efficacité énergétique globale du procédé d’échange de chaleur.
Habituellement, les éléments intercalaires d’échangeurs de chaleur à plaques et ondes sont réalisées industriellement par l’emboutissage dans une presse d’une tôle, ou feuillard, métallique. Cette technologie consiste à plier le feuillard à l’aide d’une presse et d’un outil de formage. La géométrie d’élément intercalaire obtenu dépend donc de l’outil de formation utilisé dans la presse. La réalisation d’un fenêtrage à des emplacements spécifiques et reproductibles des éléments intercalaire peut apporter une modulation des performances en terme d’échange thermique et de pertes de charge permettant d’améliorer l’efficacité énergétique de l’échangeur selon le procédé d’échange mis en oeuvre.
On connaît notamment du document FR2811248 un procédé de fabrication d’une structure ondulée pour échangeur de chaleur à plaques et ailettes brasé dans lequel on réalise sur le produit plat, avant son pliage, des perforations par poinçonnage avec un outil de perforation puis on réalise des pliages dans le produit plat perforé au moyen d'un outil de pliage. Du fait de la présence des perforations, ce procédé impose de limiter les contraintes mécaniques appliquées au feuillard, afin de ne pas compromettre l’intégrité mécanique de la structure ondulée obtenue. Le procédé ne peut donc pas s’appliquer à toutes les géométries d’éléments intercalaires.
Le problème à résoudre est de proposer un procédé de fabrication d’un élément intercalaire pour échangeur de chaleur avec lequel la résistance mécanique de l’élément intercalaire n’est pas compromise, et ce quelle que soit la géométrie de l’élément fabriqué.
La solution selon l’invention est alors un procédé de fabrication d’un élément intercalaire pour un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
  1. fourniture d’une tôle plate,
  2. pliage de la tôle plate de manière à obtenir au moins un élément intercalaire de forme ondulée comprenant une succession d’ailettes reliées alternativement par des sommets d’onde et des bases d’onde, lesdites ailettes se succédant suivant une première direction définissant une direction d’ondulation de l’élément intercalaire et chaque ailette ayant une longueur, mesurée parallèlement à une deuxième direction perpendiculaire à la première direction, et une hauteur, mesurée par rapport à une troisième direction perpendiculaire à la première direction et à la deuxième direction,
  3. perforation de l’élément intercalaire de manière à réaliser des ouvertures dans les ailettes, caractérisé en ce que l’étape c) de perforation est réalisée après l’étape b) de pliage.
Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • les ailettes de l’élément intercalaire comprennent chacune au moins une ouverture, les ouvertures de chaque ailette étant agencées à des positions identiques dans la longueur et la largeur des ailettes.
  • les ouvertures des ailettes présentent, dans un plan de coupe parallèle à l’ailette considérée, une section de forme polygonale.
  • l’étape c) de perforation est réalisée par électroérosion, découpe plasma, découpe laser ou découpe au jet d’eau.
L’invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures ci-annexés, parmi lesquelles :
représente un élément intercalaire obtenu par un procédé selon un mode de réalisation de l’invention.
représente un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention.
représente un élément intercalaire perforé selon un mode de réalisation de l’invention.
représente un procédé de fabrication selon un autre mode de réalisation de l’invention.
La figure 1 schématise un élément intercalaire 1 de forme ondulée comprenant une succession d’ailettes 123 reliées alternativement par des sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122. Les ailettes 123 se succèdent suivant une première direction y définissant une direction d’ondulation de l’élément intercalaire. Les ailettes 123 s’étendent globalement parallèlement à une deuxième direction z, orthogonale à la première direction, et qui correspond généralement à la direction d’écoulement du premier fluide s’écoulant dans le passage d’échangeur au sein duquel est agencée la structure. Chaque ailette a une forme globalement plane et présente une longueur, mesurée parallèlement à une deuxième direction z perpendiculaire à la première direction y, et une hauteur h, mesurée par rapport à une troisième direction x perpendiculaire à la première direction y et à la deuxième direction z.
Les ailettes 123 ont une épaisseur, mesurée suivant la première direction y, correspondant à l’épaisseur du feuillard utilisé préalablement pour former la structure ondulée. Les sommets et bases d’onde 121, 122 ont la même épaisseur que les ailettes 123.
Dans le cas de la figure 1, l’élément intercalaire 1 est une onde droite. Des ouvertures 2 sont schématisées sur deux ailettes successives 123.
Les figures 2 et 4 montre la perforation de l’élément intercalaire 1 ayant lieu une fois que la tôle plate 10, également appelée feuillard, a été déformée par pliage, typiquement au moyen d’une presse et d’un outil de pliage. L’élément intercalaire 1 ainsi formé est ensuite dirigé vers un outil de perforation 12. La tôle 10 est généralement un feuillard en aluminium ou en alliage d’aluminium.
L’avantage d’opérer un fenêtrage sur l’onde déjà formée est de garantir l’intégrité mécanique de l’élément intercalaire lors de la phase de pliage, ce qui permet d’avoir accès à des géométries plus complexes d’élément. En effet, le feuillard se comporte mieux au pliage sous des contraintes mécaniques plus importantes du fait de l’absence de perforations.
De préférence, les ouvertures 2 des ailettes présentent, dans un plan de coupe parallèle au plan dans lequel s’étend l’ailette considérée, une section de forme polygonale. Il est aussi envisageable que tout ou partie des ouvertures 2 présente une section d’une autre forme, en particulier circulaire.
De préférence, les perforations ont une largeur prédéterminée suivant la deuxième direction z et une hauteur prédéterminée suivant la troisième direction x, en particulier une hauteur inférieure ou égale à la moitié de hauteur h de l’élément 1.
De préférence, chaque ailette 123 présente des ouvertures 2 qui sont agencées à des positions prédéterminées dans la longueur et la largeur de l’ailette 123, ces positions étant identiques d’une ailette 123 à une autre.
La perforation de l’élément intercalaire 1 peut être réalisée par tout procédé d’enlèvement de matière.
Selon un mode de réalisation, illustré sur la figure 2, l’étape c) de perforation est réalisée par un procédé d’électroérosion. De façon connue en soi, l'électroérosion est un procédé d'usinage qui consiste à enlever de la matière dans une pièce en utilisant des décharges électriques. On utilise un outil de perforation 12 comprenant une électrode 13 alimentée en courant électrique. L’élément 1 est placé dans un milieu diélectrique, qui forme un bain liquide d’électroérosion 14. Le procédé d'usinage consiste à faire passer un courant dans un diélectrique, afin de générer une « bulle » de vapeur ou de vide qui s'ionise et se résorbe en implosant, entraînant la destruction de la matière. Cette destruction provoque l'étincelle. Le courant de forte intensité ionise un canal à travers le diélectrique. Une décharge disruptive se produit alors, de l'électrode 13 vers l’élément intercalaire 1 à usiner, détériorant celui-ci très localement. Les ouvertures 2 sont des saignées créées par l’électrode 13.
De préférence, on érode, dans la hauteur des ailettes, une fine section de tout ou partie de la largeur du feuillard préalablement formé. Le procédé ne vient éroder qu’une partie de la hauteur de l’ailette afin d’assurer l’intégrité de l’élément intercalaire 1 après fenêtrage. La figure 3 est une vue de dessus d’un élément intercalaire sur lequel on a réalisé une saignée de 0,71 mm de large sur une profondeur de 3,5 mm dans la hauteur de l’élément.
De préférence, l’électroérosion a lieu sur les ailettes successives 123 en étant synchronisée avec l’avancée de l’élément intercalaire sortant de la presse. La réalisation des fenêtres a lieu en aval du procédé de formage des ondes sur le tapis déjà formé, de manière répétée à chaque pas d’avancement du feuillard. On peut utiliser un mécanisme de synchronisation afin de réguler le positionnement du fenêtrage et d’assurer la répétabilité des ouvertures au même emplacement géométrique de chaque ailette.
Le procédé de fabrication synchronise l’avancée de l’élément et la réalisation des ouvertures de façon à intégrer les ouvertures aux mêmes positions, en largeur et en hauteur, sur chaque ailette 123. Le procédé permet aussi de réaliser des ouvertures de façon reproductible et des mêmes positions sur plusieurs éléments intercalaires sortant successivement de l’outil de pliage.
L’électroérosion présente l’avantage d’être très fiable d’un point de vue qualité et précision : l’enlèvement de matière et la création de la saignée sont précis, et ceci sans affecter le reste de l’élément intercalaire. L’enlèvement de matière peut se faire sans que cela soit débouchant ou traversant et le départ du procédé peut s’effectuer à la hauteur voulue de l’élément intercalaire, par exemple le milieu de l’élément. Cela laisse de nombreuses possibilités sur la taille et la forme des saignées à réaliser.
Selon un autre mode de réalisation, les ouvertures 2 sont réalisées par découpage dans l’élément intercalaire 1, soit par découpe par laser, par plasma ou par jet d’eau. Comme on le voit sur la figure 4, l’outil de perforation 12 utilise un faisceau 15 à haute densité de puissance. De préférence l’outil 12 est agencé sur le côté de l’élément intercalaire 1 et le faisceau 15 est dirigé perpendiculaire au plan d’étendue des ailettes 123 et parallèlement à la première direction y de façon à éroder une fine section d’une partie de la hauteur totale h de l’élément 1 préalablement formé et à obtenir une perforation de l’élément intercalaire sur toute sa longueur L suivant la première direction y. Plusieurs ouvertures 2 peuvent être réalisées sur une ailette 123, par exemple en déplaçant le faisceau 15 suivant la deuxième direction z.
Caractérisés par leur simplicité de mise en œuvre, les procédés de découpe mentionnés se démarquent également de l’électroérosion par les vitesses de réalisation des ouvertures plus importantes.
Postérieurement ou de façon simultanée à l’étape c) de perforation, le procédé pourra en outre mettre en œuvre une étape de dégraissage de l’élément intercalaire 1, permettant de le nettoyer des liquides utilisés dans le bain qui sert à l’électroérosion, ainsi que de dégager les bavures et scories résiduelles liées aux découpes plasma ou laser. On pourra ensuite mettre en oeuvre les étape d’empilage d’élément intercalaires et de brasage dans l’échangeur de chaleur.
L’élément intercalaire 1 fabriqué par le procédé selon l’invention est destiné à un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés comprenant une pluralité de plaques agencées parallèlement entre elles de façon à définir une série de passages pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide. L’élément intercalaire est agencé entre deux plaques successives de façon à former, au sein du passage défini entre les deux plaques, plusieurs canaux pour l’écoulement du premier fluide.
Notons qu’en tant qu’élément intercalaire, on pourra utiliser les différents types de structures ondulées mis en œuvre habituellement dans les échangeurs du type à plaques et ailettes brasés, tels les ondes droites, les ondes dites à décalage partiel (du type « serrated » en anglais), les ondes à vagues ou arrêtes de hareng (du type « herringbone » en anglais).

Claims (4)

  1. Procédé de fabrication d’un élément intercalaire (1) pour un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    a) fourniture d’une tôle plate (10),
    b) pliage de la tôle plate (10) de manière à obtenir au moins un élément intercalaire (1) de forme ondulée comprenant une succession d’ailettes (123) reliées alternativement par des sommets d’onde (121) et des bases d’onde (122), lesdites ailettes (123) se succédant suivant une première direction (y) définissant une direction d’ondulation de l’élément intercalaire (1) et chaque ailette (123) ayant une longueur, mesurée parallèlement à une deuxième direction (z) perpendiculaire à la première direction (y), et une hauteur, mesurée par rapport à une troisième direction (x) perpendiculaire à la première direction (y) et à la deuxième direction (z),
    c) perforation de l’élément intercalaire (1) de manière à réaliser des ouvertures (2) dans les ailettes (123),
    caractérisé en ce que l’étape c) de perforation est réalisée après l’étape b) de pliage.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ailettes (123) de l’élément intercalaire (1) comprennent chacune au moins une ouverture (2), les ouvertures (2) de chaque ailette (123) étant agencées à des positions identiques dans la longueur et la largeur des ailettes (123).
  3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les ouvertures (2) des ailettes présentent, dans un plan de coupe parallèle à l’ailette 123 considérée, une section de forme polygonale.
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’étape c) de perforation est réalisée par électroérosion, découpe plasma, découpe laser ou découpe au jet d’eau.
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