WO2014096609A1 - Plaque pour échangeur thermique - Google Patents

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WO2014096609A1
WO2014096609A1 PCT/FR2013/052946 FR2013052946W WO2014096609A1 WO 2014096609 A1 WO2014096609 A1 WO 2014096609A1 FR 2013052946 W FR2013052946 W FR 2013052946W WO 2014096609 A1 WO2014096609 A1 WO 2014096609A1
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face
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PCT/FR2013/052946
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Marina LASCAUX
Pierre-Antoine ROUER
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ELYT 3
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    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/08—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by varying the cross-section of the flow channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D9/0037—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2215/00—Fins
    • F28F2215/04—Assemblies of fins having different features, e.g. with different fin densities

Definitions

  • the present invention relates to the field of aerodynamics and particularly relates to a plate for a heat exchanger for the exchange of heat between two fluids having a low thermal conductivity, typically gases.
  • Said plate extends substantially in a general plane revealing a first plate face and a second plate face opposite to the first plate face, said plate comprising a so-called core zone intended for the flow of a first fluid on the plate. first face of the plate in a first direction, and for the flow of a second fluid on the second face of the plate in a second direction opposite to the first direction.
  • the core zone is the location where heat exchange is optimized.
  • the core zone comprises a set of reliefs having the form of corrugations increasing the specific surface of the plate.
  • This type of plate is satisfactory in that it allows for efficient heat exchange, despite the laminar nature of the flows.
  • the core zone generates high pressure losses by viscous friction on the walls of the corrugations.
  • the velocity profile may be irregular from one edge to the other of the heat exchanger, resulting in a different flow rate between the different channels.
  • the speed is lower in the channels arranged opposite the areas of higher pressure output.
  • the present invention relates to a plate for a heat exchanger for heat exchange, a first fluid flowing in contact with a first face of the plate and a second fluid flowing at contact of a second face of the plate, said plate comprising a set of corrugations forming a first set of open channels on the first face of the plate and a second set of open channels on the second face of the plate, the channels of the first and second sets being arranged alternately and separated by a plate wall.
  • the width of the open channels on the first face of the plate of the first set of channels varies transversely from a first side of the plate to a second side of the plate
  • the width of the open channels on the second face of the plate of the second set of channels varies transversely from a first side of the plate to a second side of the plate
  • the direction of variation of the width of the channels of the first set is the same as the direction of variation of the width of the channels of the second set from a first side to a second side of the board.
  • the width of a channel of the first set open on a first face of the plate and the width of an adjacent channel of the second set of channels open on the second face of the plate are equal.
  • the channel width variation of each set is performed in adjacent groups of channels.
  • the variation of the width of the channels of each set is carried out gradually over the width of the plate.
  • the plate comprises a zone for outputting the fluid, downstream of a portion comprising the set of corrugations, and a wall for guiding the flow delimiting the exit zone inclined with respect to the direction.
  • channels of the set of ripples are arranged on the side of the heat exchanger closest to the guide wall of the outlet zone.
  • the plate comprises a fluid inlet zone, upstream of a portion comprising the set of corrugations, and a flux guide wall delimiting the entry zone inclined with respect to the direction.
  • channels of the set of ripples are arranged on the heat exchanger side closest to the guide wall of the inlet zone.
  • the present invention also relates to a heat exchanger comprising a set of pl aq ues such as q ue described above superimposed in a stack.
  • Said assembly comprises an elementary plate of the first type and a second type of elementary plate different from that of the first type, the plate of the first type being alternated with a plate of the second type in the stack of plates so that the vertices of the The corrugations of the plate of the first type are opposite the cavities of the corrugations of the plate of the second type in the stack of plates.
  • the width variation of the channels of the first plate facing the channels of the second plate is made in the same direction transversely so that channels of the same width are arranged opposite at any point of the width of the plates.
  • This arrangement makes it possible to ensure a homogeneous distribution of the fluid between the cavities of the plate of the first type and the cavities opposite the plate of the second type, at any point along the width of the plates, so as to improve the heat exchange at the through walls of the plate.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an exchanger according to the invention
  • Figure 2 shows a schematic top view of a plate of the exchanger of Figure 1;
  • FIG 3 is a perspective view of a plate of the exchanger of Figure 1;
  • Figure 4 shows a schematic top view of a plate of the exchanger to explain the technical problem underlying the invention
  • Figure 5 shows a cross section of a portion of a pair of adjacent plates in one embodiment
  • FIG. 6 shows a cross section of a pair of adjacent plates throughout its extension.
  • a heat exchanger 1 comprises a plurality of plates 10, 20 superimposed in a stack 2.
  • Each plate 10, 20 extends along a general plane P.
  • the stack 2 is obtained by alternating a plate of a first type with a plate of a second type whose specificities are described later in the text.
  • each plate 10, 20 is in the form of a hexagon whose sides form an outer contour 3.
  • the end plate 10, 20 is supported or supports another plate 10, 20 of different type by means of contoured edges 4 distributed over the contour 3 of FIG. the plate 10, 20.
  • each plate 10 comprises an inner zone 30 otherwise called core zone 30 intended for the flow of a first fluid F1 on a second face F2 of the plate 10 and intended for flow. a second fluid fl2 on a first face F1 of the plate, 10.
  • Each plate 20 also includes an inner zone 30, otherwise known as a core zone 30 intended for the flow of a first fluid F1 on a first face F1 of the plate 20, and intended for the flow of a second fluid F1. on a second face F2 of the plate 20.
  • the first fluid fl1 flows in the core zone 30 in a first flow direction S1 and the second fluid fl2 flows in the core zone 30. in a second flow direction S2 opposite to the first flow direction S1.
  • the core area 30 comprises an assembly 6 of uniform corrugations 35 forming cavities or channels 36 for the flow of fluid F1, F1.
  • corrugations 35 are centered on the general plane P of the plate 10, 20.
  • the set of corrugations 35 is formed by the cavities 36 which extend between a bottom 33 of a hollow and an opening 32 joining two consecutive peaks 34 of the set of corrugations 35.
  • the opening 32 of the cavity 36 is alternately disposed facing the first face F 1 or is the second face F 2 between two adjacent corrugations.
  • the bottom 33 and the aperture 32 are separated from a line corresponding to the height H of the corrugation 35.
  • the ratio between the height H and the width at mid-height of a cavity 36 defining the slenderness of the cavity 36 or the corrugation 35 may for example be greater than or equal to three.
  • the function of a ripple 35 having such slenderness is described later in the text.
  • each plate 10, 20 also comprises a first inlet / outlet zone 41 intended to guide in a third flow direction S3, the first fluid fl1 from the outside of the plate to the core zone 30. , and to guide in a fourth flow direction S4, the second fluid fl2 from the core zone 30 to the outside of the plate 10, 20.
  • Each plate 10, 20 also comprises a second input / output zone 42 intended to guide the first fluid fl1 from the core zone 30 to the outside of the plate 10 in the direction of the third flow direction S3. , and to guide in the fourth flow direction S4, the second fluid fl2 from outside the plate 10, 20 to the core zone 30.
  • the directions taken by the third direction of flow and the fourth direction of flow S4 intersect in two directions forming an angle a corresponding to the value of the angle between the two. sides of the inlet / outlet zone 41, 42 of the exchanger.
  • the directions taken by the third direction of flow S3 and the fourth direction of flow S4 intersect in two directions forming an angle corresponding to the angle between two adjacent sides of a polygon conferring on a plate 10, 20 its general form.
  • a first elementary plate 10 or first type whose input / output zones 41, 42 cause a laminar flow according to the direction of the third flow direction S3 on the first face F1 and a laminar flow in the direction of the fourth flow direction S4 on the second face F2, and
  • a second elementary plate 20 or of a second type whose input / output zones 41, 42 cause a laminar flow in the direction of the fourth flow direction S4 on the first face F1 and a laminar flow in the direction of the third direction flow S3 on the second face F2.
  • the set 6 of the corrugations 35 of the core area 30 of the first type plate 1 0 and the set 6 of the corrugations 35 of the core area 30 of the second type plate 20 are in phase, the vertices 34 of the corrugations 35 of a plate of the first type 10 being aligned with the vertices 34 of the corrugations 35 of a plate of the second type 20.
  • the peaks 34 of the corrugations 35 of the core zone 30 of the first type plate 10 respectively of the second type plate 20 are vis-à-vis with the cavities 36 of the corrugations 35 of the core zone 30 of the adjacent plate of the second type 20 respectively of the adjacent plate of first type10 through openings 32 of cavities 36.
  • each input / output area 41, 42 comprises a second set 7 of patterns 45 formed by a set of rel iefs otherwise called guides 43 and bases 44, the guides 43 being arranged facing the face F1 of a plate 10,20 and the bases 44 being arranged facing the face F2 of a plate 10,20.
  • the positioning of the guards 43 and the bases 44 is performed in such a way that the guides 43 of a plate 10, 20 adjacent in the stack 2 rest or create points of support on or for the bases 44. of the plate 10, 20 considered, thereby reinforcing the cohesion of the stack 2 of plates 10, 20.
  • these guides 43 also allows the support of the edges of the plate 10, 20 on the edges of a plate 1 0, 20 adjacent to achieve sealing of the heat exchanger 1.
  • the superposition of two plates 1 0, 20 in the stack 2 creates a duct 5 for a first fluid fl1 between two adjacent plates 10, 20.
  • the first fluid fl1 passes through the conduit 5 by first entering a space between two input / output areas 41, 42.
  • the first fluid F1 then takes the form of a fluid blade with a substantially horizontal orientation given by the general orientation of the plates 10, 20.
  • the fluid fl 1 then reaches a space between two core areas 30 of two adjacent plates 10, 20 in which it is distributed in different channels formed by the cavities 36 of the core areas 30 of the two adjacent plates 10, 20.
  • L The general orientation of the fluid web penetrating into the heat exchanger then reverses to change from a substantially horizontal orientation to a substantially vertical orientation in the core zone 30 thereby increasing the space between the plates. on the input / output areas 41, 42 and to concentrate the pressure drops on the core area.
  • each channel of one of the two plates 10, 20 is in communication with two channels of the other plate 10, 20.
  • the gap separating the apex 34 from the corrugation 35 of a plate of the first type 1 0 and the two bottoms 33 of the two consecutive corrugations of the second plate 20 superimposed on the first plate 10 in the stack 2 of plates is minimized so as to increase the pressure losses in this zone.
  • This increase in pressure drop substantially reduces the fluid passages from a cavity 36 of the core zone of the first plate 10 to a cavity 36 of the core zone of the second plate 20 and vice versa.
  • the first fluid F1 finds a substantially horizontal general orientation.
  • the second fluid fl2 passes in the same way another duct 5 formed by the addition of a plate 10, 20 to the two previous plates in the stack 2.
  • the widths of the cavities or channels 36 traversed by the vertical laminar flows of either fl1 or fl2 fluid vary transversely from one side of the plate to a second side of the plate.
  • the widest channels on a given plate of the exchanger are positioned opposite the zone of high pressures ZPF encountered by the fluid fl1 or fl2 when it leaves the core zone 30 and arrives in the input-output zone 41, 42.
  • the narrowest channels are arranged vis-à-vis the zone of the low pressures ZPf encountered by the fluid fl 1 or fl2 when it leaves the core zone 30 and arrives in the input-output zone 41, 42.
  • Figure 5 shows a cross section of a portion of a pair of adjacent plates in one embodiment. Note that on a stack of two plates, the first type plate 10 has input-output areas 41, 42 for a first fluid fl1, while the second type plate 20 has input-output areas 41 , 42 for a second fluid fl2 (see in particular Figures 3 and 4).
  • a first type plate 10 defines with a plate of the second type 20 disposed below the plate of the first type 10, a passage section in which the first fluid fl1 flows in the direction R between the input-output areas 41 and 42 of the first-type plate 10.
  • the passage section is defined, because of the nesting of the first type 10 and second type plates 20, by the channels or cavities 36 of the first type plate 1 0 which are in communication with the channels of the first type and other of the channel 36 of the second type plate 20, arranged immediately below the drawing.
  • the channel 36 formed under the top 34 of the corrugation of the second type plate 20 immediately below the channel 36 formed under the top 34 of the corrugation of the first type plate 10 must have a width L2 equal to the width L2 of the cavity 36 of the first type plate 1 0 vis-a-vis.
  • widths L1 and L2 are measured on the median plane (P) of each plate at mid-height H / 2 of each undulation.
  • Figure 6 shows a cross section of a pair of adjacent plates throughout its extension. Note in Figure 6 that the corrugations of each plate of first or second type can, for each plate, be classified into two categories:
  • each set of channels thus forming respectively downwardly open first type channels of Figure 6 and upwardly open second type channels of Figure 6, a first type channel being adjacent to a second type channel of each side of the same plate.
  • the core areas of the first and second types of plate plates are divided into three groups from left to right:
  • the widths L1, L2 are constant.
  • the width variation of L1 and L2 is gradual all along the transverse to the corrugations, in the plane (P) at half height (H / 2) of the corrugations 35.
  • the largest cavity or channel widths of a plate 10, respectively 20, in register with the cavity 36 under the top 34 of the corrugations of a plate 20, respectively 1 0, are arranged on the side of the ZPF strong pressure zones relative to the input-type areas 41, 42.
  • a first guide wall 50 of the flow delimits the exit zone inclined relative to the direction of the channels, the channels having the largest width being arranged side of the exchanger closest to the first guide wall 50 of the exit zone.
  • a second guide wall 51 of the flow defines the entry zone inclined with respect to the direction of the channels, the channels having the smallest width being disposed on the side of the exchanger closest to the second guide wall 51 from the entrance area.
  • the width variation of the channels from one edge to the other of the plate is 10 hundredths of a millimeter by producing series of 13 channels around an average channel width value of 1.35. millimeter.
  • the ratio between the height H of the corrugations 35 and L1 is at least 3.
  • the first and second type plates are made of amorphous polyethylene terephthalate.

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Abstract

L'invention concerne une plaque (10, 20) pour un échangeur thermique destiné à l'échange de chaleur entre un premier fluide s'écoulant au contact d'une première face (F1) de la plaque (10, 20) et un second fluide s'écoulant au contact d'une deuxième face (F2) de la plaque (10, 20), ladite plaque (10, 20) comprenant un ensemble d'ondulations formant des cavités (36) s'étendant entre un fond (33) d'un creux et une ouverture (32) définie entre deux sommets (34) consécutifs de l'ensemble d'ondulations, le fond (33) et l'ouverture (32) étant séparés d'une distance correspondant à la hauteur (H) de l'ondulation. La plaque de l'invention est telle que la largeur des cavités (36) varie d'un côté à l'autre de l'échangeur d'une zone de pression forte vers une zone de pression faible de façon à égaliser le profil des vitesses des premier et second fluides.

Description

Plaque pour échangeur thermique
La présente invention concerne le domaine de l'aéraulique et a en particulier pour objet une plaque pour un échangeur thermique destiné à l'échange de chaleur entre deux fluides ayant une faible conductivité thermique, typiquement des gaz.
Il est connu de réaliser un échangeur thermique comprenant un ensemble de plaques superposées en un empilement dont l'espacement des plaques est faible de manière à obtenir un écoulement laminaire.
Ladite plaque s'étend sensiblement selon un plan général révélant une première face de plaque et une deuxième face de plaque opposée à la première face de plaque, ladite plaque comprenant une zone dite de cœur destinée à l'écoulement d'un premier fluide sur la première face de la plaque dans un premier sens, et destinée à l'écoulement d'un deuxième fluide sur la deuxième face de la plaque dans un deuxième sens opposé au premier sens.
La zone de cœur est l'emplacement où les échanges thermiques sont optimisés.
En particulier, la zone de cœur comprend un ensemble de reliefs présentant la forme d'ondulations augmentant la surface spécifique de la plaque.
Ce type de plaque est satisfaisant en ce qu'il permet d'avoir des échanges de chaleur efficaces, malgré le caractère laminaire des écoulements.
Cependant, la zone de cœur génère de fortes pertes de charge par frottement visqueux sur les parois des ondulations.
Par ailleurs, sur la largeur de l'échangeur ou d'une plaque de l'échangeur, le profil de vitesse peut être irrégulier d'un bord à l'autre de l'échangeur, ce qui entraîne un débit différent entre les différents canaux.
En particulier, la vitesse est plus faible dans les canaux disposés en regard des zones de plus forte pression en sortie.
Pour porter remède à cet inconvénient constaté, la présente invention concerne une plaque pour un échangeur thermique destiné à l'échange de chaleur, un premier fluide s'écoulant au contact d'une première face de la plaque et un second fluide s'écoulant au contact d'une deuxième face de la plaque, ladite plaque comprenant un ensemble d'ondulations formant un premier ensemble de canaux ouverts sur la première face de la plaque et un second ensemble de canaux ouverts sur la seconde face de la plaque, les canaux du premier et du second ensembles étant disposés de façon alternée et séparés par une paroi de plaque. Selon l'invention, la largeur des canaux ouverts sur la première face de la plaque du premier ensemble de canaux varie transversalement d'un premier côté de la plaque à un second côté de la plaque, la largeur des canaux ouverts sur la seconde face de la plaque du second ensemble de canaux varie transversalement d'un premier côté de la plaque à un second côté de la plaque.
Selon un aspect de l'invention, le sens de variation de la largeur des canaux du premier ensemble est le même que le sens de variation de la largeur des canaux du second ensemble d'un premier côté à un second côté de la plaque.
Selon une caractéristique supplémentaire, la largeur d'un canal du premier ensemble ouvert sur une première face de la plaque et la largeur d'un canal adjacent du second ensemble de canaux ouvert sur la seconde face de la plaque sont égales.
Selon une caractéristique supplémentaire, la variation de largeur des canaux de chaque ensemble est exécutée par groupes adjacents de canaux.
Selon une caractéristique supplémentaire, la variation de largeur des canaux de chaque ensemble est exécutée graduellement sur la largeur de la plaque.
Selon une caractéristique supplémentaire, la plaque comprend une zon e de sortie d u fl u ide, en aval d'une partie comprenant l'ensemble d'ondulations, et une paroi de guidage du flux délimitant la zone de sortie inclinée par rapport à la direction des canaux de l'ensemble d'ondulations. Les canaux de l'ensemble d'ondulations présentant la plus grande largeur sont disposés du côté de l'échangeur le plus proche de la paroi de guidage de la zone de sortie.
Selon une caractéristique supplémentaire, la plaque comprend une zone d'entrée du flu ide, en amont d'une partie comprenant l'ensemble d'ondulations, et une paroi de guidage du flux délimitant la zone d'entrée inclinée par rapport à la direction des canaux de l'ensemble d'ondulations. Les canaux de l'ensemble d'ondulations présentant la plus faible largeur sont disposés du côté de l'échangeur le plus proche de la paroi de guidage de la zone d'entrée. La présente invention a également pour objet un échangeur therm iq ue com prena nt u n ensem bl e de pl aq ues tel l es q ue décrites précédemment superposées en un empilement. Ledit ensemble comprend une plaque élémentaire de premier type et une plaque élémentaire de deuxième type différente de celle de premier type, la plaque de premier type étant alternée avec une plaque de deuxième type dans l'empilement de plaques de manière à ce que les sommets des ondulations de la plaque de premier type soient en regard des cavités des ondulations de la plaque de deuxième type dans l'empilement de plaques. La variation de largeur des canaux de la première plaque en regard des canaux de la seconde plaque est réalisée dans le même sens transversalement de façon à ce que des canaux de même largeur soient disposés en regard en tout point de la largeur des plaques.
Cette disposition permet d'assurer une répartition homogène du fluide entre les cavités de la plaque de premier type et les cavités en regard de la plaque de deuxième type, en tout point de la largeur des plaques, de manière à améliorer l'échange thermique au travers des parois de la plaque.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l'aide de la description et des dessins annexés parmi lesquels :
- la Figure 1 représente une vue en perspective d'un échangeur selon l'invention ;
la Figure 2 représente une vue de dessus schématique d'une plaque de l'échangeur de la Figure 1 ;
La Figure 3 représente une vue en perspective d'une plaque de l'échangeur de la Figure 1 ;
La Figure 4 représente une vue de dessus schématique d'une plaque de l'échangeur pour expliquer le problème technique à la base de l'invention ; La Figure 5 représente une coupe transversale d'une partie d'une paire de plaques adjacentes dans un mode de réalisation ;
- La Figure 6 représente une coupe transversale d'une paire de plaques adjacentes sur toute son extension.
Comme illustré aux figures 1 à 6, un échangeur thermique 1 comprend une pluralité de plaques 10, 20 superposées en un empilement 2.
Chaque plaque 10, 20 s'étend selon un plan général P. Dans le mode de réalisation présenté, l'empilement 2 est obtenu en alternant une plaque d'un premier type 10 avec une plaque d'un deuxième type 20 dont les spécificités sont décrites plus loin dans le texte.
Dans le mode de réalisation présenté, chaque plaque 10, 20 se présente sous la forme d'un hexagone dont les côtés forment un contour extérieur 3.
Horm is l es pl aq u es d 'extrém ité , ch aq u e pl aq u e 1 0, 20 est supportée ou supporte une autre plaque 10, 20 de type différent par l'intermédiaire de bordures profilées 4 réparties sur le contour 3 de la plaque 10, 20.
Comme illustré à la figure 2, chaque plaque, 10 comprend une zone intérieure 30 autrement dénommée zone de cœur 30 destinée à l'écoulement d'un premier fluide fl 1 sur une dexième face F2 de la plaque 10, et destinée à l'écoulement d'un deuxième fluide fl2 sur une première face F1 de la plaque, 10.
Chaque plaque, 20 comprend également une zone intérieure 30 autrement dénommée zone de cœur 30 destinée à l'écoulement d'un premier fluide fl 1 sur une première face F1 de la plaque 20, et destinée à l'écoulement d'un deuxième fluide fl2 sur une deuxième face F2 de la plaque 20.
Généralement, afin de favoriser les échanges de chaleur dans un échangeur thermique 1 , le premier fluide fl1 s'écoule dans la zone de cœur 30 selon un premier sens d'écoulement S1 et le deuxième fluide fl2 s'écoule dans la zone de cœur 30 selon un deuxième sens d'écoulement S2 opposé au premier sens d'écoulement S1 .
Dans la su ite de la description , il sera considéré que le sens d 'écou lement du prem ier fl u ide fl 1 est opposé au sens d 'écoulement d u deuxième fluide fl2.
Ces écoulements sont laminaires dans la zone de cœur 30 de l'échangeur thermique 1 , ce qui est habituellement induit par de faibles vitesses d'écoulement.
Da ns l 'exem ple présenté, la zone de cœu r 30 comprend un ensemble 6 d'ondulations 35 uniformes formant des cavités ou canaux 36 pour l'écoulement du fluide fl 1 , fl2.
Ces ondulations 35 sont centrées sur le plan général P de la plaque 10, 20. L'ensemble 6 d'ondulations 35 est formé par les cavités 36 qui s'étendent entre un fond 33 d'un creux et une ouverture 32 joignant deux sommets 34 consécutifs de l'ensemble 6 d'ondulations 35.
L'ouverture 32 de la cavité 36 est disposée de façon alternée en regard de la prem ière face F 1 pu is de la deuxième face F2 entre deux ondulations 35 adjacentes.
Le fond 33 et l 'ouvertu re 32 sont sépa rés d ' u n e d istan ce correspondant à la hauteur H de l'ondulation 35. Le rapport entre la hauteur H et la largeur à mi-hauteur d'une cavité 36 définissant l'élancement de la cavité 36 ou de l'ondulation 35 peut par exemple être supérieur ou égal à trois. La fonction d'une ondulation 35 ayant un tel élancement est décrite plus loin dans le texte.
En outre, chaque plaque 10, 20 comprend également une première zone d'entrée/sortie 41 destinée à guider selon un troisième sens d'écoulement S3, le premier fluide fl1 depuis l'extérieur de la plaque jusqu'à la zone de cœur 30, et à guider selon un quatrième sens d'écoulement S4, le deuxième fluide fl2 depuis la zone de cœur 30 jusqu'à l'extérieur de la plaque 10, 20.
Chaque plaque 10, 20 comprend également une deuxième zone d'entrée/sortie 42 destinée à guider selon le troisième sens d'écoulement S3, le premier fluide fl1 depuis la zone de cœur 30 jusqu'à l'extérieur de la plaque 10, 20, et à guider selon le quatrième sens d'écoulement S4, le deuxième fluide fl2 depuis l'extérieur de la plaque 10, 20 jusqu'à la zone de cœur 30.
Comme illustré dans la représentation présenté à la figure 2, les directions prises par le troisième sens d'écoulement et le quatrième sens d'écoulement S4 se croisent selon deux d irections formant un angle a correspondant à la valeur de l'angle entre les deux côtés de la zone d'entrée/sortie 41 , 42 de l'échangeur.
Plus généralement, les directions prises par le troisième sens d'écoulement S3 et le quatrième sens d'écoulement S4 se croisent selon deux directions formant un angle correspondant à l'angle entre deux côtés adjacents d'un polygone conférant à une plaque 10, 20 sa forme générale.
Pou r con server u n écou l em ent l aminaire dans les zones d'entrée/sortie 41 , 42 dans l'espacement formé entre chaque plaque 10, 20 de l'empilement 2, deux plaques élémentaires 10, 20 sont donc nécessaires :
- une première plaque élémentaire 10 ou de premier type dont les zones d'entrée/sortie 41 , 42 entraînent un écoulement laminaire selon la direction du troisième sens d'écoulement S3 sur la première face F1 et un écoulement laminaire selon la direction du quatrième sens d'écoulement S4 sur la deuxième face F2, et
- une deuxième plaque élémentaire 20 ou de deuxième type dont les zones d'entrée/sortie 41 , 42 entraînent un écoulement laminaire selon la direction du quatrième sens d'écoulement S4 sur la première face F1 et un écoulement laminaire selon la direction du troisième sens d'écoulement S3 sur la deuxième face F2.
En outre, l'ensemble 6 des ondulations 35 de la zone de cœur 30 de la plaque de premier type 1 0 et l'ensemble 6 des ondulations 35 de la zone de cœur 30 de la plaque de deuxième type 20 sont en phase, les sommets 34 des ondulations 35 d'une plaque de premier type 10 étant alignés avec les sommets 34 des ondulations 35 d'une plaque de deuxième type 20.
Ainsi, lors de la superposition d'une plaque de premier type 1 0 et d'une plaque de deuxième type 20 pour former l'empilement 2 de plaques 10,20, les sommets 34 des ondulations 35 de la zone de cœur 30 de la plaque de premier type 1 0 respectivement de la plaque de deuxième type 20, sont en vis-à-vis avec les cavités 36 des ondulations 35 de la zone de cœur 30 de la plaque adjacente de deuxième type 20 respectivement de la plaque adjacente de premier type10 au travers des ouvertures 32 des cavités 36.
Afin de rigidifier l'empilement 2 de plaques 1 0, 20, chaque zone d'entrée/sortie 41 , 42 comprend un deuxième ensemble 7 de motifs 45 formé par un ensemble de rel iefs autrement appelés guides 43 et bases 44, les guides 43 étant disposés en regard de la face F1 d'une plaque 10,20 et les bases 44 étant disposées en regard de la face F2 d'une plaque 10,20.
La d isposition des gu ides 43 et des bases 44 est réalisée de manière à ce que les guides 43 d'une plaque 10, 20 adjacente dans l'empilement 2 s'appuient ou créent des points d'appui sur ou pour les bases 44 de la plaque 10, 20 considérée, renforçant ainsi la cohésion de l'empilement 2 de plaques 10, 20.
En outre, la hauteur de ces guides 43 permet également l'appui des bordu res de la plaq ue 1 0, 20 su r l es bord u res d 'u ne plaq ue 1 0, 20 adjacente afin de réaliser l'étanchéité de l'échangeur thermique 1 .
La superposition de deux plaques 1 0, 20 dans l'empilement 2 crée un conduit 5 pour un premier fluide fl1 entre deux plaques 10, 20 adjacentes. Le premier fluide fl1 traverse le conduit 5 en pénétrant tout d'abord dans un espace se trouvant entre deux zones d'entrée/sortie 41 , 42.
Le premier fluide fl1 prend alors la forme d'une lame de fluide avec une orientation sensiblement horizontale donnée par l'orientation générale des plaques 10, 20.
Le fluide fl 1 atteint ensuite un espace se trouvant entre deux zones de cœur 30 de deux plaques adjacentes 10, 20 dans lequel il est réparti dans différents canaux formés par les cavités 36 des zones de cœur 30 des deux plaques adjacentes 10, 20. L'orientation générale de la lame de fluide pénétrant dans l 'échangeur therm iq ue s' inverse alors pour passer d'une orientation sensiblement horizontale à une orientation sensiblement verticale dans la zone de cœur 30 permettant ainsi d'augmenter l'espace entre les plaques sur les zones d'entrée/sortie 41 , 42 et de concentrer les pertes de charge sur la zone de cœur.
Du fait de la superposition de deux plaques ondulées adjacentes, chaque canal d'une des deux plaques 10, 20 est en communication avec deux canaux de l'autre plaque 10, 20.
Cependant, l'écart séparant le sommet 34 de l'ondulation 35 d'une plaque de premier type 1 0 et les deux fonds 33 des deux ondulations 35 consécutives de la deuxième plaque 20 superposée à la première plaque 10 dans l'empilement 2 de plaques est minimisé de manière à augmenter les pertes de charge dans cette zone.
Cette augmentation de pertes de charge réduit sensiblement les passages de fluide depuis une cavité 36 de la zone de cœur de la première plaque 10 vers une cavité 36 de la zone de cœur de la deuxième plaque 20 et inversement.
Enfin, en sortie des zones de cœur 30, le premier fluide fl 1 retrouve une orientation générale sensiblement horizontale. De même, le deuxième fluide fl2 traverse de la même façon un autre conduit 5 formé par l'adjonction d'une plaque 10, 20 aux deux plaques précédentes dans l'empilement 2.
A la Figure 4, on a représenté une vue de dessus schématique d'une plaque de l'échangeur pour expliquer le problème technique à la base de l'invention.
Les él éments déjà décrits ne sont pas décrits plus avant. Cependant, comme illustré à la figure 4, lorsque l'on se déplace le long de la direction H, sur la zone d'entrée-sortie 42 on trouve une zone de pressions fortes ZPF et à l'opposé une zone de pressions faibles ZPf, les pressions s'étageant entre ces deux zones et ceci pour un sens de circulation de fluide depu is la zone de cœur vers l'extérieur. D'autres répartitions de zones de pressions différentes peuvent se rencontrer.
Lorsq u e l e fl u id e pén étra nt d an s l 'éch ang eu r ci rcu l e selon l'orientation H montrée à la Figure 4, des différences de vitesse de sortie des fluides fl1 ou fl2 de l'ordre de 30% peuvent être observées d'un bord à l'autre de l'échangeur. Lorsque le flu ide pénétrant dans l'échangeur circule selon l'orientation V montrée à la Figure 4, des différences de l'ordre de 4% peuvent être observées.
Selon l'invention, on a découvert que cette disposition des pressions limitait la qualité de l'échangeur. Il a été développé une solution dans laquelle les largeurs des cavités ou canaux 36 parcourus par les flux laminaires verticaux de l'un et l'autre fluide fl1 ou fl2 varient transversalement d'un premier côté de la plaque à un second côté de la plaque, dans la direction H. Dans un mode de réalisation, les canaux les plus larges sur une plaque donnée de l'échangeur sont d isposés en vis-à-vis de la zone de pressions fortes ZPF rencontrée par le fluide fl1 ou fl2 lorsqu'il quitte la zone de cœur 30 et arrive en zone d'entrée-sortie 41 , 42. Les canaux les plus étroits sont disposés en vis-à- vis de la zone des pressions faibles ZPf rencontrées par le fluide fl 1 ou fl2 lorsqu'il quitte la zone de cœur 30 et arrive en zone d'entrée-sortie 41 , 42.
La Figure 5 représente une coupe transversale d'une partie d'une paire de plaques adjacentes dans un mode de réalisation. On note que sur un empilement de deux plaques, la plaque de premier type 10 présente des zones d'entrée-sortie 41 , 42 pour un premier fluide fl1 , tandis que la plaque de second type 20 présente des zones d'entrée-sortie 41 , 42 pour un second flu ide fl2 (voir notamment Figures 3 et 4).
Comme cela est visible sur la Figure 5, une plaque de premier type 10 définit avec une plaque de second type 20, disposée en dessous de la plaque de premier type 10, une section de passage dans laquelle circule le premier fluide fl1 dans le sens R entre les zones d'entrée-sortie 41 et 42 de la plaque de premier type 10.
La section de passage est défin ie, du fait de l'imbrication des plaques de premier type 10 et de second type 20, par les canaux ou cavités 36 de la plaque de premier type 1 0 qui se trouvent en communication avec les canaux de part et d'autre du canal 36 de la plaque de deuxième type 20, disposée immédiatement en-dessous au dessin . Il en résulte que le canal 36 pratiqué sous le sommet 34 de l'ondulation de la plaque de deuxième type 20 immédiatement placé en dessous du canal 36 pratiqué sous le sommet 34 de l'ondulation de la plaque de premier type 10 doit présenter une largeur L2 égale à la largeur L2 de la cavité 36 de la plaque de premier type 1 0 en vis-à- vis. Ces canaux ouverts de largeur L1 sur le dessus de la plaque de premier type 10 sont parcourus par le second fluide fl2 dans le sens noté A à la Figure 5, lorsque la plaque de premier type 10 est surmontée (non représenté) d'une plaque de deuxième type 20. La situation se reproduit sur tout l'empilement de l'échangeur.
On note que les largeurs L1 et L2 sont mesurées sur le plan médian (P) de chaque plaque, à mi-hauteur H/2 de chaque ondulation.
La Figure 6 représente une coupe transversale d'une paire de plaques adjacentes sur toute son extension. On remarque à la Figure 6 que les ondulations de chaque plaque de premier ou de deuxième type peuvent, pour chaque plaque, être classées en deux catégories :
u n prem ier ensem ble de canaux ouverts par les ondulations sur la première face de chaque plaque ; et
un second ensemble de canaux ouverts entre les mêmes ondulations sur la seconde face de chaque plaque ;
chaque ensemble de canaux formant ainsi respectivement des canaux de premier type ouverts vers le bas de la figure 6 et des canaux de second type ouverts vers le haut de la figure 6, un canal de premier type étant adjacent à un canal de second type de chaque côté d'une même plaque. Les zones de cœur d e la pa ire de plaques de prem ier type 1 0 et de deuxième type 20 sont partagées en trois groupes de gauche à droite :
une partie P1 dans laquelle les canaux de premier et de second types sont de même largeur L1 = L2, et ceci identiquement pour les deux plaques de premier type 10 et de deuxième type 20 ; et
- une partie P2 dans laquelle les canaux de premier et de second types sont de même largeur L1 '= L2' avec L2'>L2; et
une partie P3 dans laquelle les canaux de premier et de second types sont de même largeur L1 "= L2" avec L2">L2'.
Dans d'autres modes de réalisation, plusieurs groupes de diverses largeurs d im inuant, de la gauche vers la droite sur la figure 6, sont prévus. Dans chaque groupe de canaux considéré, les largeurs L1 , L2 sont constantes. Dans d'autres modes de réalisation, la variation de largeur de L1 et de L2 est graduelle tout le long de la transversale aux ondulations, dans le plan (P) à mi hauteur (H/2) des ondulations 35.
On remarque que les plus fortes largeurs de cavité ou de canal d'une plaque 1 0, respectivement 20, en reg a rd de la cavité 36 sous sommet 34 des ondulations d'une plaque 20, respectivement 1 0, sont disposées du côté des zones de pression forte ZPF relativement aux zones d'entrée-sorte 41 , 42. Une première paroi de guidage 50 du flux dél imite la zone de sortie inclinée par rapport à la direction des canaux, les canaux présentant la plus grande largeur étant disposés du côté de l'échangeur le plus proche de la première paroi de guidage 50 de la zone de sortie.
Inversement, une seconde paroi de guidage 51 du flux délimite la zone d'entrée inclinée par rapport à la direction des canaux, les canaux présentant la plus faible largeur étant disposés du côté de l'échangeur le plus proche de la seconde paroi de guidage 51 de la zone d'entrée.
Dans un exemple de réalisation, la variation de largeur des canaux d'un bord à l'autre de la plaque est de 10 centièmes de millimètres en réalisant des séries de 13 canaux autour d'une valeur moyenne de largeur de canaux de 1 ,35 millimètre.
En utilisant une telle disposition des ondulations et des canaux, on a mesuré une égalisation des vitesses de sortie des fluides fl 1 , fl2 dans une section transversale (P0) de la zone d'entrée-sortie 41 .
Dans un mode de réalisation, le rapport entre la hauteur H des ondulations 35 et L1 , est au moins égale à 3.
Dans un mode de réalisation, les plaques de premier et de deuxième types sont réalisées en polyéthylène téréphtalate amorphe.
Il apparaît bien entendu que les différents modes de réalisations détaillés ci-dessus ne constituent que des exemples de mises en œuvre de l'invention telle que définie par les revendications ci-jointes. Des variantes de ces différents modes de réalisation peuvent être envisagées et les différents modes de réal isations décrits peuvent être combinés de façon aisée par l'homme du métier.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Plaque (10, 20) pour un échangeur thermique (1 ) destiné à l'échange de chaleur entre un premier fluide (fl 1 ) s'écoulant au contact d'une première face (F1 , F2) de la plaque (20, respectivement 10) et un second fluide (fl2) s'écoulant au contact d'une deuxième face (F1 , F2) de l a plaq u e ( 1 0, respectivement 20), lad ite plaque (1 0, 20) comprenant un ensemble (6) d'ondulations (35) formant un premier ensemble de canaux ouverts sur la première face de la plaque et un second ensemble de canaux ouverts sur la seconde face de la plaque,
les canaux du premier et du second ensemble étant disposés de façon alternée et séparés par une paroi de plaque,
caractérisée en ce que
la largeur des canaux ouverts sur la première face de la plaque du premier ensemble de canaux varie transversalement d'un premier côté de la plaque à un second côté de la plaque,
la largeur des canaux ouverts sur la seconde face de la plaque du second ensemble de canaux varie transversalement d'un premier côté de la plaque à un second côté de la plaque.
2. Plaque selon la revendication 1 , dans laquelle le sens de variation de la largeur des canaux du premier ensemble est le même que le sens de variation de la largeur des canaux du second ensemble d'un premier côté à un second côté de la plaque.
3. Plaque selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle la largeur (L1 ) d'un canal du premier ensemble ouvert sur une première face de la plaque et la largeur (L2) d'un canal adjacent du second ensemble de canaux ouvert sur la seconde face de la plaque sont égales.
4. Plaque selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la variation de largeur des canaux de chaq ue ensemble est exécutée par groupes adjacents de canaux (P1 , P2, P3).
5. Plaque selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la variation de largeur des canaux de chaque ensemble est exécutée graduellement sur la largeur de la plaque.
6. Plaque, selon l'une des revendications précédentes, comprenant :
- une zone de sortie du fluide en aval d'une partie comprenant l'ensemble (6) d'ondulations (35), et - une paroi de guidage (50) du flux délimitant la zone de sortie inclinée par rapport à la direction des canaux de l'ensemble (6) d'ondulations (35), les canaux de l'ensemble d'ondulations présentant la plus grande largeur étant d isposés du côté de l 'échangeur le pl us proche de la paroi de guidage (50) de la zone de sortie.
Plaque, selon l'une des revendications précédentes, comprenant :
- une zone d 'entrée d u fl u ide en amont d'une partie comprenant l'ensemble (6) d'ondulations (35), et
- une paroi de guidage du flux (51 ) délimitant la zone d'entrée inclinée par rapport à la direction des canaux de l'ensemble (6) d'ondulations (35), les canaux de l'ensemble d'ondulations (35) présentant la plus faible largeur étant disposés du côté de l'échangeur le plus proche de la paroi de guidage de la zone d'entrée.
Echangeur thermique (1 ) comprenant un ensemble de plaques (1 0, 20), selon l'une des revendications précédentes, superposées en un empilement (2), ledit ensemble comprend une plaque élémentaire de premier type (10) et une plaque élémentaire de deuxième type (20) différente de celle de premier type (10), la plaque de premier type (10) étant alternée avec une plaque de deuxième type (20) dans l'empilement (2) de plaques (10, 20) de manière à ce que les sommets (34) des ondulations (35) de la plaque de premier type (10) soient disposés en regard des cavités (36) des ondulations (35) de la plaque de deuxième type (20) dans l'empilement (2) de plaques (10, 20), la variation de largeur des canaux de la première plaque en regard des canaux de la seconde plaque est réalisée dans le même sens transversalement de façon à ce que des canaux de même largeur soient disposés en regard en tout point de la largeur des plaques.
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