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EP3728976A1 - Element intercalaire a texturation de surface, echangeur de chaleur et procede de fabrication associes - Google Patents

Element intercalaire a texturation de surface, echangeur de chaleur et procede de fabrication associes

Info

Publication number
EP3728976A1
EP3728976A1 EP18833695.2A EP18833695A EP3728976A1 EP 3728976 A1 EP3728976 A1 EP 3728976A1 EP 18833695 A EP18833695 A EP 18833695A EP 3728976 A1 EP3728976 A1 EP 3728976A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plate
pair
wave
oriented
legs
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18833695.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Frédéric Crayssac
Raphaël FAURE
Nicolas Richet
Marc Wagner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP3728976A1 publication Critical patent/EP3728976A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—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
    • F28D9/0062—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 spaced plates with inserted elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D53/00—Making other particular articles
    • B21D53/02—Making other particular articles heat exchangers or parts thereof, e.g. radiators, condensers fins, headers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • F28F13/187—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings especially adapted for evaporator surfaces or condenser surfaces, e.g. with nucleation sites
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    • F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
    • F28F3/027—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements with openings, e.g. louvered corrugated fins; Assemblies of corrugated strips
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2215/00—Fins
    • F28F2215/10—Secondary fins, e.g. projections or recesses on main fins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/04—Fastening; Joining by brazing

Definitions

  • the present invention relates to a spacer element for a plate and fin type heat exchanger, said spacer element having a surface texturing, and a method of manufacturing such an element and a heat exchanger comprising such an element.
  • the present invention finds particular application in the field of gas separation by cryogenics, in particular the separation of air by cryogenics (known by the acronym "ASU" for air separation unit) exploited for the production of oxygen gas under pressure.
  • ASU air separation unit
  • the present invention can be applied to a heat exchanger which vaporizes a liquid flow, for example liquid oxygen, nitrogen and / or argon by heat exchange with a caloric gas, by example air or nitrogen.
  • the heat exchanger is in the tank of a distillation column, it can constitute a vaporizer operating as a thermosiphon for which the exchanger is immersed in a bath of liquid descending the column or a vaporizer operating in vaporization with a film fed directly by the liquid falling from the column and / or by a recirculation pump.
  • the present invention can also be applied to a heat exchanger which vaporises at least one liquid-gas mixture flow rate, in particular a multi-component mixing flow rate, for example a mixture of hydrocarbons, by heat exchange with at least one another fluid, for example natural gas.
  • a heat exchanger which vaporises at least one liquid-gas mixture flow rate, in particular a multi-component mixing flow rate, for example a mixture of hydrocarbons, by heat exchange with at least one another fluid, for example natural gas.
  • the technology commonly used for a heat exchanger is that of plate and finned aluminum exchangers or brazed waves, which allow to obtain very compact devices with a large exchange surface.
  • These exchangers comprise separating plates between which are inserted heat exchange structures, generally corrugated structures or waves, formed of a succession of fins or wave legs, thus constituting a stack of passages for the different fluids to put in heat exchange relationship.
  • the performance of an exchanger is related to the heat exchange coefficient of the heat exchange structures in contact with the fluids.
  • the heat exchange coefficient of a structure depends in particular on the nature of the material constituting it, the porosity of this material, its roughness and the flow regime of the fluids.
  • documents US 2005/0121181 A, US 2016/0305720 A1 or US 5 514 248 A are known from different configurations of exchange structures, in particular corrugated structures having deformations in the form of bosses, perforations or openings of the type Blinds.
  • surface deposits of porous or relief-forming coatings may be made on the surface of structures, or else such surface conditions may be created by mechanical treatments or chemical etching.
  • WO-A-2004/109211 discloses a method of depositing a porous coating on the surface of a separator plate of a heat exchanger.
  • a problem that arises with the use of intensified surfaces by texturing in brazed aluminum exchangers concerns the assembly of elements comprising such surfaces during the manufacture of the exchanger.
  • connection of the constituent elements of the exchanger is carried out by brazing with use of a filler metal, called solder or brazing agent, the assembly being obtained by melting and diffusion of the brazing agent within parts to be brazed, without melting them.
  • one solution is to effect the texturing of the heat exchange structures after soldering of these structures in the exchanger has been achieved.
  • the present invention aims to solve all or part of the problems mentioned above, including improving the manufacture of a heat exchanger plate type and brazed fins having exchange structures with improved thermal properties.
  • the solution according to the invention is then an intermediate element for a plate and fin type heat exchanger brazed, intended to be mounted between a first plate and a second plate of the exchanger, said intermediate element comprising:
  • At least a first assembly portion configured to be assembled with the first plate and comprising a first pair of opposed surfaces, one of the surfaces of the first pair being oriented on the side of the first plate and the other of the surfaces of the first pair. the first pair being oriented on the side of the second plate when the intermediate element is in the mounted state,
  • At least one surface texturing in the form of a porous structure or of reliefs formed on a surface of the intermediate element, at least one fin or wave leg having said surface texturing,
  • the first assembly portion is free of surface texturing on the surface of the first oriented pair, in the mounted state, on the side of the first plate.
  • the element of the invention may comprise one or more of the following technical characteristics:
  • the intermediate element comprises a solid or solid substrate, the surface texturing being formed or deposited on a surface of the substrate.
  • at least one fin or wave leg comprises a third pair of opposite surfaces, one and / or the other of the surfaces of the third pair having said surface texturing.
  • the first assembly portion has the surface texturing on the surface of the first oriented pair, in the assembled state, on the side of the second plate.
  • the first assembly portion is arranged between two successive fins or legs, the surface of the first pair oriented, in the mounted state, on the side of the second plate having two ends each connected to a respective surface of each two fins or legs of waves, the surface of the first pair and said respective surfaces of the fins having surface texturing.
  • the element comprises at least a second assembly portion configured to be assembled with the second plate and comprising a second pair of opposed surfaces, one of the surfaces of the second pair being oriented on the side of the first plate and the other surfaces of the second pair being oriented on the side of the second plate when the intermediate element is in the mounted state, said second assembly portion being free of surface texturing on at least the surface of the second oriented pair, in the mounted state, on the side of the second plate.
  • the second assembly portion has the surface texturing on the surface of the second oriented pair, in the mounted state, on the side of the first plate.
  • the second assembly portion is arranged between two successive fins or wave legs, the surface of the second pair oriented, in the mounted state, on the side of the first plate having two ends each connected to a respective surface of each two fins or wavelength legs, said surface of the second pair and said respective surfaces of the fins having surface texturing.
  • the first assembly portion and / or the second assembly portion are arranged, in the assembled state, parallel to the first and second plates, the fins or wave legs succeeding in a lateral direction and defining, in the mounted state, a plurality of channels configured to channel the first fluid in a longitudinal direction parallel to the first and second plates and orthogonal to the direction lateral.
  • said at least one fin or wavelength extends in a plane parallel to the longitudinal direction and form an angle ⁇ with respect to the first assembly portion and / or the second assembly portion, the angle a being less than or equal to 90 °.
  • the surface texturing is in the form of a porous structure having an open porosity of between 15 and 60%, preferably an open porosity of between 20 and 45% (% by volume), or in the form of reliefs defining, in cross-section, cavities open on the surface of the intermediate element.
  • the element is in the form of a corrugated product comprising a succession of wave legs alternately connected by wave peaks and wave bases, at least one wave vertex comprising said first assembly portion and / or at least one wave base comprising said second assembly portion.
  • the corrugated product having a density, defined as the number of legs of wave per unit of length measured along the lateral direction, lower than 18 legs by 2.54 centimeters preferably less than 10 legs per 2.54 centimeters, more preferably less than or equal to 5 legs per 2.54 centimeters.
  • the corrugated product is formed from a flat product having a thickness of at least 0.15 mm, preferably between 0.2 and 0.4 mm.
  • the invention further relates to a heat exchanger of the brazed plate and fin type comprising a plurality of plates arranged parallel to each other so as to define a series of passages for the flow of a first fluid to be in exchange relation.
  • thermal device with at least a second fluid, and at least one intermediate element mounted between two successive plates defining a passage so as to form, within the passage, several channels for the flow of said first fluid, characterized in that the intermediate element is according to the invention.
  • the invention relates to a method for manufacturing an intermediate element for a heat exchanger of the type with brazed plates and fins, said method comprising the following steps:
  • the intermediate element a) shaping the intermediate element so that it has fins or legs defining, when the intermediate element is mounted between a first plate and a second plate of the exchanger, a plurality of channels for the flow of a first fluid, and at least a first assembly portion configured to be assembled with a first plate and comprising a first pair of opposing surfaces, one of which is oriented on the side of the first plate and the other is oriented towards the second plate when the intermediate element is in the mounted state,
  • the method comprises, prior to step c), a step b) of depositing a fusible coating on that of the surfaces of the first pair oriented in the mounted state, on the side of the first plate, the step of ) comprising a heat treatment of the spacer element so as to remove the fusible coating and the surface texturizing portion formed on said fusible coating.
  • the method comprises, prior to step c), the application of a mask on that of the surfaces of the first oriented pair, in the mounted state, on the side of the first plate, step d) being carried out by removing the mask.
  • step d) is carried out mechanically, preferably by brushing or sanding.
  • Figure 1 illustrates an example of a heat exchanger comprising a spacer element according to the invention
  • Figure 2 illustrates an example of assembly of a spacer element according to the invention brazed to a heat exchanger plate;
  • Figures 3 to 6 show different views of a spacer element according to one embodiment of the invention
  • Figure 7 illustrates various embodiments of a spacer element assembled between two heat exchanger plates
  • Figure 8 illustrates steps of a method of manufacturing a spacer element according to one embodiment of the invention.
  • a heat exchanger comprises a stack of plates arranged parallel to one above the other with spacing and thus forming several series of parallelepipedal and flat shaped passages for the flow of a first fluid. and at least one second fluid to be in indirect heat exchange relationship via the plates.
  • the first fluid comprises a refrigerant to be vaporized at least partially.
  • Figure 1 schematically illustrates an example of passage 33 of a exchanger 1 of the evaporator-condenser type fed with liquid oxygen.
  • This vaporizer-condenser vaporizes the liquid oxygen OL under low pressure (typically slightly higher than the atmospheric pressure) collected at the bottom of a column, by medium pressure nitrogen condensation (typically from 5 to 6 bars absolute) circulating in passages adjacent passages 33 (not shown) dedicated to the circulation of oxygen.
  • the medium pressure nitrogen is most often taken in the gaseous state at the head of a medium pressure air distillation column to which the low pressure column mentioned above is connected. After passing and at least partial condensation in the vaporizer-condenser, this nitrogen is returned to the medium pressure column.
  • the exchanger 1 can vaporize at least one liquid-gas mixture flow rate, in particular a multi-component mixing flow rate, by for example, a mixture of hydrocarbons, by heat exchange with at least one other fluid, for example natural gas.
  • All or part of the vaporization passages 33 of the exchanger 1 are provided with intermediate elements 22 defining, within the passages 33, channels 26 for the circulation of liquid oxygen and can take different forms.
  • the intermediate elements 22 may have corrugated shapes, as shown in FIG. 3, and comprise wave legs 123 alternatively connected by wave-peaks 121 and wave bases 122.
  • the spacer elements 22 may take on other particular shapes defined according to the desired fluid flow characteristics. More generally, the term “fins” covers blades or other secondary surfaces of heat exchange, which extend between the primary surfaces of heat exchange, that is to say the plates of the heat exchanger, in the passages of the exchanger.
  • the intermediate elements 22 are soldered to the separator plates of the exchanger.
  • the bonding is carried out by vacuum brazing using a filler metal 30, referred to as solder or brazing agent, the assembly being obtained by melting and diffusion of brazing agent 30 in the parts to be soldered, that is to say in the base metal, without melting them.
  • Figure 2 is a partial view of an intermediate element 22 assembled to a first plate 6 adapted to define, in association with another second parallel plate 7 (not shown), a passage 33 of the exchanger 1.
  • the intermediate element 22 and the plate 6 respectively comprise assembly portions 121, 60 intended to be brazed with each other.
  • the assembly portions 121, 60 are positioned against each other, preferably with a small gap between them in order to interpose the brazing agent 30.
  • the assembly portions 121, 60 may be those where the clearance between the parts 22, 6 is the smallest, typically the portions at which the parts 22, 6 are in contact with each other or substantially contact, that is to say with a very weak game existing between all or part of said portions, one with the other.
  • the plates 6, 7 of the exchanger are rolled plates comprising a central sheet 40, each face of which is coated with a layer 30.
  • the brazing agent 30 may take the form of The coating layer 30 may be deposited by spraying or by brushing the brazing agent 30 in the form of a powder suspension containing the powder, a dispersing agent or a coating agent. , a binder, additives to control the viscosity.
  • the brazing agent 30 has a thickness e of between 50 and 300 miti, preferably between 100 and 250 pm.
  • the brazing agent 30 is preferably formed of a metallic material having a lower melting temperature than the materials constituting the parts 6, 22.
  • the parts 6, 22 and 30 are preferably formed of aluminum alloy.
  • the plates 6 and the elements 22 of the exchanger are advantageously formed of a first aluminum alloy of the 3XXX family, preferably of the 3003 type (ASME SB-2019 SECTION 2-B).
  • the brazing agent 30 is formed of a second aluminum alloy, preferably an alloy of the 4XXX type (ASME SB-2019 SECTION 2-B), in particular of the 4004 type.
  • the spacer element 22 comprises a plurality of fins or wave legs 123 configured to delimit, when the element 22 is mounted between a first plate 6 and a second plate 7 of the exchanger, a plurality of channels 26 for the flow of the first fluid.
  • the element 22 further comprises at least a first assembly portion 121 configured to be assembled with the first plate 6 and comprising a first pair of opposed surfaces 121a, 121b, one 121a having surfaces of the first pair being oriented on the side of the first plate 6 and the other 121 b of the surfaces of the first pair being oriented on the side of the second plate 7 when the intermediate element 22 is in the mounted state.
  • the intermediate element 22 further comprises at least one surface texturing 23 in the form of a porous structure or reliefs formed on a surface of the intermediate element 22.
  • At least one surface texturing is present on a surface of at least one fin or waving leg 123 of the intermediate element 22.
  • the intermediate element may have a surface or a plurality of predetermined forms of surface texturization distributed over different areas of its surface, it being understood that surface texturing may be carried out in the surface of the constituent material of the intermediate element as well as deposited therein, that is, that is to say result from an addition of additional material on the surface of the intermediate element.
  • the first assembly portion 121 is free of surface texturing 23 on its surface 121a which is oriented, in the mounted state, on the side of the first plate 6.
  • the wettability and the good soldability of the surface of the spacer element intended to be positioned against an adjacent plate are preserved in order to be assembled by brazing.
  • the distribution of solder at the joint can be controlled, resulting in a seal having good mechanical and thermal properties. It is thus possible to use the traditional methods of manufacturing soldered plate and fin exchangers.
  • the intermediate element 22 is a corrugated product comprising a succession of wave legs 123 alternately connected by wave-points 121 and wave-bases 122. At least one wave-top 121 comprises a first assembly portion 121 according to the invention.
  • insert element 22 may take any other suitable form and does not necessarily include all the features detailed below.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of a corrugated heat exchange structure 22.
  • a plurality of wave legs 123 of elongate shape extend parallel to each other and generally in a so-called longitudinal direction z.
  • the wave legs succeed one another in a lateral direction x, which is perpendicular to the longitudinal direction z, and are alternately connected by wave vertices 121 and wave bases 122.
  • the wave peaks 121 and the wave bases 122 are of plane shape and extend parallel to each other and perpendicular to the wave legs 123.
  • the channels 26 for the first fluid which are formed between two successive wave legs and a vertex or a base arranged between said successive wave legs, and have a cross section of generally rectangular shape.
  • Figure 4 illustrates a straight wave having flat surface wave legs 123.
  • Other configurations of intermediate element 22 are of course conceivable, including perforated straight wave, partial offset wave, wave wave or herringbone ("herringbone" in English) configurations.
  • FIG. 7 (a) An element 22 according to Figure 4 is visible in Figure 7 (a) in the mounted state, that is to say mounted between a first and a second plate 6, 7 directly adjacent forming a passage 33.
  • the passage 33 is of generally parallelepipedal shape and configured to channel the first fluid parallel to the longitudinal direction z.
  • the first fluid flows over the width of the passage 33, measured along the lateral direction x, between an inlet and an outlet of the passage 33 located at two opposite ends along the length of the passage 33, measured in the longitudinal direction z.
  • the wave legs 123 define in the passage 33 a plurality of channels 26 which extend parallel to the longitudinal direction z.
  • the element 22 preferably extends over almost all, or even all, of the height of the passages, measured in a vertical direction y perpendicular to the plates 6, 7, in order to be in contact or quasi-contact with the plates 6, 7.
  • the wave peaks 121 and the wave bases 122 are arranged parallel to the plates 6, 7.
  • the height of the element 22 can be adapted to the height of the passage 33 so that there is a set of a predetermined value, as indicated by the reference "d" in FIG. 8 (e), between the wave peaks 121 and the first plate 6 and between the wave bases 122 and the second plate 7.
  • a predetermined value as indicated by the reference "d" in FIG. 8 (e)
  • the solder can modify the microstructure of the surface texturing by filling the pores or cavities present on the surface.
  • the clearance d is between 0 and 0.1 mm, more preferably between 0 and 0.05 mm.
  • the intermediate element 22 is arranged in the so-called "easyway" configuration in the passage 33, that is to say that the wave legs 123 extend generally in the direction of flow of the first fluid in the passage 33.
  • the direction of flow of the first fluid is preferably vertical, the direction of flow may be upward or downward.
  • an intermediate element 22 according to the invention in a zone 3 of a passage 33 of the exchanger in which the ascending oxygen penetrates, the intermediate element thus having on the surface porosities or reliefs multiplying the priming for the formation of the oxygen gas bubble OG.
  • each wave vertex 121 comprises a first assembly portion 121 according to the invention.
  • the surface 121 a of the wave vertex positioned against the first plate 6 is thus free of surface texturing 23, which allows to firmly braze a reciprocal assembly portion on the first plate 6 during the manufacture of the exchanger.
  • each wave base 122 comprises a second assembly portion 122 configured to be assembled, in the assembled state, with the second plate 7.
  • said second assembly portion comprises a second pair of opposed surfaces 122a, 122b, 122b of the surfaces of the second pair oriented on the side of the second plate 7 being free of surface texturing 23.
  • said first assembly portions 121, the fins or wave legs 123, and said second assembly portions 122 if present are monoblock, i. e. formed of a single piece.
  • each wave leg 123 comprises a third pair of opposed surfaces 123a, 123b, one and / or the other of the surfaces 123a, 123b of the third having said surface texturing 23, preferably all or almost all of it.
  • almost all of a surface or element means a portion representing at least 90%, preferably at least 95%, more preferably at least 98%. % of the area of that area or the total area of that element.
  • Figure 5 illustrates an example where all the wave legs 123 have at least one surface texturing on their two surfaces 123a, 123b.
  • Each channel 26 thus has two side walls 123a, 123b whose internal surfaces are intensified.
  • the first assembly portion 121 also has the surface texturing 23 on the surface 121 b of the first oriented pair, in the mounted state, on the side of the second plate 7, preferably on all or almost all -totality of said surface 121 b.
  • the second assembly portion 122 may also have the surface texturing 23 on the surface 122a of the second oriented pair, in the assembled state, on the side of the first plate 6, preferably on all or almost all of said surface 122a. This makes it possible to maximize the area of surface texturing 23 present on the intermediate element 22 and thus to maximize the heat transfer efficiency within the channels 26 delimited by the intermediate element.
  • each channel 26 has an inner surface formed, in the mounted state, alternately by the surface 122a of a wave base 122 facing the first plate 6, the surface 6b of the first plate 6 facing towards the base 122 and the respective surfaces 123a, 123b of the two wave legs 123 connected to the ends of said wave base 122, and by the surface 121b of a wave vertex 121 facing the second plate 7, the surface 7a of the second plate 7 facing the wave vertex 121 and the respective surfaces 123a, 123b of the two wave legs 123 connected to the ends of said wave vertex 121.
  • the heat exchange is intensified over a greater part of the surfaces of the element 22 which form in the mounted state, the inner surface of the channels 26.
  • the surfaces 6a, 6b, and 7a, 7b of the plates 6, 7 are free of surface texturing. This preserves the quality of solder joints formed with the plates.
  • Figure 7 (a) illustrates a configuration in which the wave legs 123 extend parallel to the longitudinal direction z and perpendicular to the wave peaks 121 and the wave bases 122 of the element 22.
  • the wave legs 123 extend in a plane which is parallel to the longitudinal direction z and which forms an angle ⁇ less than 90 °. with the first assembly portion 121 on the one hand and with the second assembly portion 122 on the other.
  • the inner surface portion of the channels 26, which may have surface texturing is maximized and the internal surface portion of the channels is minimized.
  • channels 26 which can not generally present texturing, this portion being formed, according to the channel considered, by the surface 6b of the first plate 6 oriented towards the wave base 122 or the surface 7a of the second plate 7 oriented towards the wave top 121.
  • the angle a is between 60 and 90 °, more preferably the angle a is between 70 and 85 °.
  • accessibility to the surfaces on which the surface texturing is to be formed is maintained while increasing the intensified channel area.
  • the corrugated product 22 is preferably formed from a flat product, such as a sheet or strip, having a thickness of at least 0.15 mm, preferably between 0.2 and 0.4 mm. This thickness is indicated by the letter "t" in FIG. 3.
  • the implementation of surface texturing 23 requires large thermal fluxes, particularly when the function of the surface texturing 23 is to intensify the boiling of the first fluid. It is therefore advantageous to use a relatively thick spacer element in order to maintain the largest possible fin coefficient, that is to say a better ability of the fins to transmit heat.
  • the fin coefficient is a number typically between 0 and 1, the latter being equal to 1 at the point of contact with an adjacent plate and decreasing on the fin when moving away from the plate.
  • the point in the middle of the fin is the point where the fin coefficient is the lowest.
  • the corrugated product 22 has a density, defined as the number of legs per unit length measured along the lateral direction x, less than 18 legs per 2.54 centimeters, preferably less than 10 legs. wave by 2.54 centimeters, more preferably less than or equal to 5 legs per 2.54 cm.
  • the density can be between 1 and 5 legs per 2.54 centimeters. Note that these density values are applicable to a spacer element which is not necessarily a corrugated product, the fins succeeding one another in the lateral direction x and the density then being defined as the number of fins per unit length, measured following the lateral direction x.
  • the use of a relatively low density facilitates the deposition phase of the surface texturing on the fins or legs of wave, their surface being more accessible.
  • the use of a spacer element of lower density facilitates the removal of bubbles created in the surface texturing.
  • the spacer element 22 comprises a solid substrate, or otherwise a solid substrate, in particular a non-porous substrate, on which the texturing 23 is formed.
  • the substrate is visible in black in FIG. 7 for example.
  • the substrate may comprise one or more first and / or second assembly portions, the fins or wave legs.
  • the intermediate element is preferably monobloc, that is to say formed of a single piece.
  • the surface texturing 23 may result from a surface coating deposited on the element or from a modification of the surface state of said component element obtained by a chemical, mechanical or equivalent treatment for example by sandblasting, grooving ....
  • the surface coating can be deposited on the substrate deposited by a liquid route, in particular by dipping, spraying or electrolytically, by the dry route, in particular by chemical vapor deposition (Chemical Vapor Deposition or CVD) or physical deposition. in the vapor phase (physical vapor deposition or CVD), or by thermal spraying, in particular by flame or by plasma.
  • CVD chemical Vapor Deposition
  • CVD physical vapor deposition
  • thermal spraying in particular by flame or by plasma.
  • the surface texturing is formed from aluminum or an aluminum alloy comprising, for 100% of its mass, at least 80% by weight of aluminum, preferably at least 90%, more preferably at least 80% by weight. less than 99% aluminum.
  • the surface texturing 23 is in the form of a porous structure, preferably a porous layer.
  • the porous structure may for example be formed of a deposition of slightly sintered aluminum particles, entangled aluminum filaments, semi-fused aluminum particles bonded to each other, such as aluminum particles which are obtained after projection that is obtained by flame thermal projection.
  • the surface texturing 23 has before brazing an open porosity of between 15 and 60%, preferably between 20 and 45%, more preferably an initial open porosity of between 25 and 35% (% by volume).
  • the open porosity is defined as the ratio between the volume of the open pores, that is to say the pores fluidly communicating with the external environment in which the piece 22 is located, and the total volume of the porous structure .
  • the pores of the porous structure 23 preferably have a diameter between 1 and 200 miti, preferably between 5 and 100 pm. Noting that the pores are not necessarily circular in section but may have irregular shapes.
  • the term "diameter” therefore also covers an equivalent hydraulic diameter which can be calculated from the measurement of the pressure drop experienced by a gas flow through the porous structure and by assuming that the pores have a regular shape, in particular a spherical shape, cylindrical, ...
  • the pores of the porous structure 23 have a volume of between 1000 and 1000 000 pm 3 .
  • the pore volume may for example be determined by tomography or image analysis of polished sections of samples taken in a multitude of directions in space.
  • the surface texturing 23 may be in the form of reliefs, or patterns, printed or made in or on the material constituting the intermediate element 22.
  • these reliefs define, in cross section, open cavities on the surface of the element 22.
  • micro-reliefs or various size or morphology, such as grooves, discrete or uninterrupted, streaks, protuberances, ... may be formed or deposited on the surface of the
  • the reliefs forming the surface texturing 23 can be made by laser or mechanical and / or chemical machining.
  • micro-reliefs are meant reliefs which have at least one small characteristic dimension with respect to a dimension of the element, in particular reliefs which extend a height, measured in a direction perpendicular to the surface of the element insert having the texturing, and / or a width, measured in a direction perpendicular to the surface of the interlayer having the texturing, of the order of a few micrometers and several hundred micrometers.
  • FIG. 8 illustrates the main steps of a manufacturing process that can be used to manufacture an intermediate element 22, in the case where it is in the form of a corrugated product intended to be arranged between a first plate 6 and a second plate 7.
  • the manufacturing method described below can be applied to other forms of spacer elements.
  • the intermediate member 22 is first shaped, typically by stamping, then cut into width and length to form a corrugated mat 22 of the desired size and degreased.
  • element 22 has, after shaping, a succession of vertices and wave bases constituting first and second assembly portions intended to be brazed under empty respectively with adjacent plates 6, 7 of the exchanger.
  • the method comprises a step c) during which at least one surface texturing 23 is formed on all or almost all of the intermediate element 22.
  • a surface texturing is applied at all surfaces of the spacer element, including pairs of opposing surfaces at the vertex and base levels.
  • texturing 23 may be formed by depositing a suspension type coating.
  • the material constituting the texturing and additives such as thickening, porogenic elements, etc. is suspended in a binder. This technique makes it possible to produce coatings on waves of greater density than it is difficult to treat by thermal spraying because of poor accessibility to surfaces.
  • a first solution, illustrated in FIG. 8 (c), is to deposit, before forming texturing 23, a fusible coating on the surfaces of the element 22 that it is desired to see, at the end of the manufacturing process, free of surface texturing 23. Heat treatment of the element 22 is then carried out so as to remove the fuse coating 25, and with it the surface portions 23.
  • a mask may be affixed to these surfaces prior to surface texturing. Once the surface texturing formed on the entire element 22, the mask is removed.
  • the mask can be made from a sheet having openings.
  • the mask is plated as close as possible to the surfaces to be masked of the element 22 in order to avoid any deposit.
  • the openings are positioned facing the surfaces of the element 22 on which the texturing 23 is to be formed.
  • the mask may be formed of an alloy steel or a nickel alloy, preferably a nickel-iron-chromium alloy, in particular an alloy of the 800H type, which offers good resistance to high temperature.
  • Another solution is to remove the surface texturing in the desired areas by means of a mechanical process, for example by brushing or sanding the surfaces of the element 22.
  • the intermediate member 22 thus manufactured is then mounted between a first plate 6 and a second plate 7 of the exchanger, and then soldered to said plates, as shown in Figure 8 (e).
  • Deposition tests of a porous structure were carried out on a corrugated product having a density of 6 wavelengths per 2.54 centimeters and a height of 5 mm.
  • the corrugated product was formed from a strip of 0.5 mm thickness.
  • a mask formed of an alloy sheet of type 800H was affixed to the corrugated product. It had a series of laser cut 4.2 mm wide slots. The solid portions of the mask were arranged at the wave-points of the corrugated product.
  • the deposit was made by flame thermal spraying from an aluminum wire comprising, for 100% of its mass, 99.5% of aluminum. These tests have made it possible to selectively deposit on the waved product's wavelengths a surface texturing in the form of a porous layer with a thickness of 200 to 300 ⁇ m and an open porosity of around 30%. .
  • the porous layer exhibited good adhesion characteristics on the surface of the corrugated product.

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Abstract

L'invention concerne un élément intercalaire (22) pour échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, destiné à être monté entre une première plaque (6) et une deuxième plaque (7) de l'échangeur, ledit élément intercalaire (22) comprenant au moins une première portion d'assemblage (121) configurée pour être assemblée avec la première plaque (6) et comprenant une première paire de surfaces (121a, 121b) opposées, l'une (121a) des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la première plaque (6) et l'autre (121b) des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la deuxième plaque (7) lorsque l'élément intercalaire (22) est à l'état monté, plusieurs ailettes ou jambes d'onde (123) s'étendant depuis ladite première portion d'assemblage (121) de façon à délimiter, lorsque l'élément intercalaire (22) est à l'état monté, une pluralité de canaux (26) pour l'écoulement d'un premier fluide,et au moins une texturation de surface (23) sous la forme d'une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface de l'élément intercalaire (22), au moins une ailette ou jambe d'onde (123) présentant ladite texturation de surface (23). Selon l'invention, la première portion d'assemblage (121)est exempte de texturation de surface (23)sur la surface (121a) de la première paire orientée, à l'état monté, du côté de la première plaque (6).

Description

ELEMENT INTERCALAIRE A TEXTURATION DE SURFACE ECHANGEUR DE CHALEUR ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIES
La présente invention concerne un élément intercalaire pour un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes, ledit élément intercalaire présentant une texturation de surface, ainsi qu’un procédé de fabrication d’un tel élément et un échangeur de chaleur comprenant un tel élément.
La présente invention trouve notamment application dans le domaine de la séparation de gaz par cryogénie, en particulier de la séparation d’air par cryogénie (connue sous l’acronyme anglais « ASU » pour unité de séparation d’air) exploitée pour la production d’oxygène gazeux sous pression. En particulier, la présente invention peut s’appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise un débit liquide, par exemple de l’oxygène liquide, de l’azote et/ou de l’argon par échange de chaleur avec un gaz calorigène, par exemple l’air ou l’azote.
Si l’échangeur de chaleur se trouve dans la cuve d’une colonne de distillation, il peut constituer un vaporiseur fonctionnant en thermosiphon pour lequel l’échangeur est immergé dans un bain de liquide descendant la colonne ou un vaporiseur fonctionnant en vaporisation à film alimenté directement par le liquide tombant de la colonne et/ou par une pompe de recirculation.
La présente invention peut également s’appliquer à un échangeur de chaleur qui vaporise au moins un débit de mélange liquide-gaz, en particulier un débit de mélange à plusieurs constituants, par exemple un mélange d’hydrocarbures, par échange de chaleur avec au moins un autre fluide, par exemple du gaz naturel.
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.
Les performances d’un échangeur sont liées au coefficient d’échange thermique des structures d’échange thermique se trouvant en contact avec les fluides. Le coefficient d’échange thermique d’une structure dépend notamment de la nature du matériau la constituant, de la porosité de ce matériau, de sa rugosité et du régime d’écoulement des fluides.
On connaît par exemple des documents US 2005/0121181 A, US 2016/0305720 A1 ou US 5 514 248 A différentes configurations de structures d’échange, notamment des structures ondulées présentant des déformations sous forme de bossages, des perforations ou des ouvertures du type Persiennes.
Il est possible de modifier le coefficient d’échange thermique d’une structure d’échange en modifiant la géométrie ou les propriétés physico- chimiques de sa surface. Ceci permet d’augmenter la surface effective d’échange et/ou de modifier les interactions entre le fluide et la surface, en changeant des propriétés de la surface considérée comme sa mouillabilité ou sa capacité à intensifier l’ébullition d’un fluide. On parle alors de surfaces intensifiées. De telles surfaces sont décrites notamment dans l’article « Heat transfer enhancement - A review of techniques and their possible impact on energy efficiency in the U. K. », D. A. Reay, Heat recovery Systems & CHP, Vol. 11 , No. 1 , pp. 1 -40, 1991.
Par exemple, on peut réaliser des dépôts de surface de revêtements poreux ou formant des reliefs à la surface des structures, ou bien créer de tels états de surfaces par des traitements mécaniques ou par attaque chimique.
On connaît du document WO-A-2005/075920 différentes techniques de dépôt de revêtements poreux ou de reliefs à la surface d’une onde pour échangeur de chaleur.
Le document WO-A-2004/109211 décrit un procédé de dépôt d’un revêtement poreux à la surface d’une plaque séparatrice d’un échangeur de chaleur. Un problème qui se pose avec l’utilisation de surfaces intensifiées par texturation dans des échangeurs en aluminium brasés concerne l’assemblage d’éléments comportant de telles surfaces lors de la fabrication de l’échangeur.
En effet, la liaison des éléments constitutifs de l’échangeur est réalisée par brasage avec utilisation d’un métal d’apport, appelé brasure ou agent de brasage, l’assemblage étant obtenu par fusion et diffusion de l’agent de brasage au sein des pièces à braser, sans fusion de celles-ci.
Or, la présence d’un revêtement poreux ou de reliefs au niveau de la zone de liaison entre les pièces à assembler, puisqu’au jeu existant entre les pièces à assembler, s’ajoute la porosité ouverte du revêtement ou les cavités ménagées sur les surfaces texturées. Lors de sa fusion, le métal d’apport comble ces porosités ou cavités avant le jeu entre les pièces, ce qui peut engendrer des défauts dans le joint brasé, tels des porosités, un manque de brasure, voire une absence de joint. Ceci affecte les propriétés mécaniques et/ou thermiques du joint, et donc celles de l’échangeur qui sont directement liées à la qualité du joint brasé.
Pour tenter de remédier à ces inconvénients, une solution est de réaliser la texturation des structures d’échange thermique après que le brasage de ces structures dans l’échangeur a été réalisé.
Toutefois, il est alors difficile d’accéder aux canaux formés par les structures d’échange dans les passages de l’échangeur et il est impossible d’utiliser des techniques de texturation mécanique ou de revêtement par projection thermique. D’autres techniques de traitement de surface sont difficiles à mettre en œuvre. Par exemple, pour les techniques impliquant des étapes préalables de traitement thermique ou de dépôt d’une couche d’imprégnation pour assurer l’adhésion du revêtement, c’est l’échangeur entier qu’il faut traiter. Il y a alors des risques de boucher les canaux, de débraser des pièces de l’échangeur ou de créer des phases métallurgiques fragiles et d’endommager la matrice brasée.
Par ailleurs, il a été proposé de réaliser des texturations de surface sur les plaques séparatrices avant brasage. Mais dans ce cas, il n’y a pas de structure d’échange thermique brasée aux plaques et il est nécessaire de procéder à un recuit des plaques. Or, les structures d’échange ont aussi un rôle d’entretoises et contribuent à la rigidité de l’assemblage. De plus, les plaques recuites perdent de leur résistance mécanique. Il est alors nécessaire d’agencer des barres de renfort supplémentaires dans les passages et de doubler l’épaisseur des plaques.
La présente invention a pour but de résoudre tout ou partie des problèmes mentionnés ci-avant, notamment d’améliorer la fabrication d’un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés présentant des structures d’échanges à propriétés thermiques améliorées.
La solution selon l’invention est alors un élément intercalaire pour échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, destiné à être monté entre une première plaque et une deuxième plaque de l’échangeur, ledit élément intercalaire comprenant :
- au moins une première portion d’assemblage configurée pour être assemblée avec la première plaque et comprenant une première paire de surfaces opposées, l’une des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la première plaque et l’autre des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la deuxième plaque lorsque l’élément intercalaire est à l’état monté,
- plusieurs ailettes ou jambes d’onde s’étendant depuis ladite première portion d’assemblage de façon à délimiter, lorsque l’élément intercalaire est à l’état monté, une pluralité de canaux pour l’écoulement d’un premier fluide, et
- au moins une texturation de surface sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface de l’élément intercalaire, au moins une ailette ou jambe d’onde présentant ladite texturation de surface,
caractérisé en ce la première portion d’assemblage est exempte de texturation de surface sur la surface de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque.
Selon le cas, l’élément de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :
- l’élément intercalaire comprend un substrat massif ou plein, la texturation de surface étant formée ou déposée sur une surface du substrat. - au moins une ailette ou jambe d’onde comprend une troisième paire de surfaces opposées, l’une et/ou l’autre des surfaces de la troisième paire présentant ladite texturation de surface.
- la totalité ou la quasi-totalité de l’une et l’autre des surfaces de la troisième paire présente ladite texturation de surface.
- la première portion d’assemblage présente la texturation de surface sur la surface de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque.
- la première portion d’assemblage est agencée entre deux ailettes ou jambes d’ondes successives, la surface de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque ayant deux extrémités reliées chacune à une surface respective de chacune des deux ailettes ou jambes d’ondes, la surface de la première paire et lesdites surfaces respectives des ailettes présentant la texturation de surface.
- l’élément comprend au moins une deuxième portion d’assemblage configurée pour être assemblée avec la deuxième plaque et comprenant une deuxième paire de surfaces opposées, l’une des surfaces de la deuxième paire étant orientée du côté de la première plaque et l’autre des surfaces de la deuxième paire étant orientée du côté de la deuxième plaque lorsque l’élément intercalaire est à l’état monté, ladite deuxième portion d’assemblage étant exempte de texturation de surface sur au moins la surface de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque.
- la deuxième portion d’assemblage présente la texturation de surface sur la surface de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque.
- la deuxième portion d’assemblage est agencée entre deux ailettes ou jambes d’ondes successives, la surface de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque ayant deux extrémités reliées chacune à une surface respective de chacune des deux ailettes ou jambes d’ondes, ladite surface de la deuxième paire et lesdites surfaces respectives des ailettes présentant la texturation de surface.
- la première portion d’assemblage et/ou la deuxième portion d’assemblage sont agencées, à l’état monté, parallèlement aux première et deuxième plaques, les ailettes ou jambes d’onde se succédant suivant une direction latérale et délimitant, à l’état monté, une pluralité de canaux configurés pour canaliser le premier fluide suivant une direction longitudinale parallèle aux première et deuxième plaques et orthogonale à la direction latérale.
- ladite au moins une ailette ou jambe d’ondes s’étendent dans un plan parallèle à la direction longitudinale et forment un angle a par rapport à la première portion d’assemblage et/ou la deuxième portion d’assemblage, l’angle a étant inférieur ou égal à 90°.
- la texturation de surface est sous la forme d’une structure poreuse ayant une porosité ouverte comprise entre 15 et 60 %, de préférence une porosité ouverte comprise entre 20 et 45 % (% en volume), ou sous la forme de reliefs définissant, en coupe transversale, des cavités ouvertes à la surface de l’élément intercalaire.
- l’élément est sous la forme d’un produit ondulé comprenant une succession de jambes d’onde reliées alternativement par des sommets d’onde et des bases d’onde, au moins un sommet d’onde comprenant ladite première portion d’assemblage et/ou au moins une base d’onde comprenant ladite deuxième portion d’assemblage.
- les jambes d’onde se succèdent selon une direction latérale, le produit ondulé ayant une densité, définie comme le nombre de jambes d’onde par unité de longueur mesuré le long de la direction latérale, inférieure à 18 jambes par 2,54 centimètres, de préférence inférieure à 10 jambes par 2,54 centimètres, de préférence encore inférieure ou égale à 5 jambes par 2,54 centimètres.
- le produit ondulé est formé à partir d’un produit plat ayant une épaisseur d’au moins 0,15 mm, de préférence comprise entre 0,2 et 0,4 mm.
L’invention concerne en outre 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, et au moins un élément intercalaire monté entre deux plaques successives définissant un passage de façon à former, au sein du passage, plusieurs canaux pour l’écoulement dudit premier fluide, caractérisé en ce que l’élément intercalaire est conforme à l’invention. Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un élément intercalaire pour échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
a) mise en forme de l’élément intercalaire de sorte qu’il présente des ailettes ou jambes d’onde délimitant, lorsque l’élément intercalaire est monté entre une première plaque et une deuxième plaque de l’échangeur, une pluralité de canaux pour l’écoulement d’un premier fluide, et au moins une première portion d’assemblage configurée pour être assemblée avec une première plaque et comprenant une première paire de surfaces opposées dont l’une est orientée du côté de la première plaque et l’autre est orientée du côté de la deuxième plaque lorsque l’élément intercalaire est à l’état monté,
c) formation d’une texturation de surface sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs sur la totalité ou la quasi-totalité de l’élément intercalaire, d) retrait sélectif d’au moins une portion de ladite texturation de surface s’étendant sur celle des surfaces de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque.
Le procédé selon l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le procédé comprend, préalablement à l’étape c), une étape b) de dépôt d’un revêtement fusible sur celle des surfaces de la première paire orientée à l’état monté, du côté de la première plaque, l’étape d) comprenant un traitement thermique de l’élément intercalaire de manière à retirer le revêtement fusible et la portion de texturation de surface formée sur ledit revêtement fusible.
- le procédé comprend, préalablement à l’étape c), l’application d’un masque sur celle des surfaces de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque, l’étape d) étant réalisée par retrait du masque.
- l’étape d) est réalisée mécaniquement, de préférence par brossage ou ponçage.
La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux schémas ci-annexés, parmi lesquels :
la Figure 1 illustre un exemple d’échangeur de chaleur comportant un élément intercalaire selon l’invention ; la Figure 2 illustre un exemple d’assemblage d’un élément intercalaire selon l’invention brasé à une plaque d’échangeur ;
les Figures 3 à 6 montrent différentes vues d’un élément intercalaire selon un mode de réalisation de l’invention ;
la Figure 7 illustre différents modes de réalisation d’un élément intercalaire assemblé entre deux plaques d’échangeur ;
la Figure 8 illustre des étapes d’un procédé de fabrication d’un élément intercalaire selon un mode de réalisation de l’invention.
De façon connue en soi, un échangeur de chaleur comprend un empilement de plaques disposées parallèlement l’une au-dessus de l’autre avec espacement et formant ainsi plusieurs séries de passages de forme parallélépipédique et plate pour l’écoulement d’un premier fluide et d’au moins un deuxième fluide à mettre en relation d’échange de chaleur indirect via les plaques. De préférence, le premier fluide comprend un liquide frigorigène à vaporiser au moins partiellement.
La Figure 1 illustre de façon schématique un exemple de passage 33 d’un échangeur 1 du type vaporiseur-condenseur alimenté en oxygène liquide. Ce vaporiseur-condenseur vaporise l'oxygène liquide OL sous basse pression (typiquement légèrement supérieure à la pression atmosphérique) recueilli en bas d'une colonne, par condensation d'azote moyenne pression (typiquement de 5 à 6 bars absolus) circulant dans des passages adjacents des passages 33 (non illustrés) dédiés à la circulation d'oxygène. L'azote moyenne pression est le plus souvent prélevé à l'état gazeux en tête d'une colonne de distillation d'air à moyenne pression à laquelle la colonne basse pression citée ci-dessus est connectée. Après son passage et sa condensation au moins partielle dans le vaporiseur-condenseur, cet azote est renvoyé dans la colonne moyenne pression.
C'est plus spécifiquement dans le cadre de cette application que l'invention sera décrite par la suite, étant entendu que son application peut être envisagée dans d'autres contextes, notamment avec des fluides d’une autre nature. Ainsi, l’échangeur 1 peut vaporiser au moins un débit de mélange liquide-gaz, en particulier un débit de mélange à plusieurs constituants, par exemple un mélange d’hydrocarbures, par échange de chaleur avec au moins un autre fluide, par exemple du gaz naturel.
Tout ou partie des passages de vaporisation 33 de l’échangeur 1 sont pourvus d’éléments intercalaires 22 définissant, au sein des passages 33, des canaux 26 pour la circulation de l’oxygène liquide et pouvant revêtir différentes formes.
Les éléments intercalaires 22 peuvent avoir des formes ondulées, comme montré sur la Figure 3, et comprendre des jambes d’onde 123 reliées alternativement par des sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122. Dans ce cas, on appelle « ailettes » les jambes d’onde qui relient les sommets et les bases successifs de l’onde.
Les éléments intercalaires 22 peuvent revêtir d’autres formes particulières définies selon les caractéristiques d’écoulement de fluide souhaitées. De manière plus générale, le terme « ailettes » couvre des lames ou autres surfaces secondaires d’échange thermique, qui s’étendent entre les surfaces primaires d’échange thermique, c’est-à-dire les plaques de l’échangeur, dans les passages de l’échangeur.
Les éléments intercalaires 22 sont liés par brasage aux plaques séparatrices de l’échangeur. Avantageusement, la liaison est réalisée par brasage sous vide avec utilisation d’un métal d’apport 30, appelé brasure ou agent de brasage, l’assemblage étant obtenu par fusion et diffusion d’agent de brasage 30 au sein des pièces à braser, c’est-à-dire dans le métal de base, sans fusion de celles-ci.
La Figure 2 est une vue partielle d’un élément intercalaire 22 assemblé à une première plaque 6 adaptée pour définir, en association avec une autre deuxième plaque 7 parallèle (non illustrée), un passage 33 de l’échangeur 1 .
L’élément intercalaire 22 et la plaque 6 comportent respectivement des portions d’assemblage 121 , 60 destinées à être brasées l’une avec l’autre. Les portions d’assemblage 121 , 60 sont positionnées l’une contre l’autre, de préférence avec un faible jeu entre elles afin d’y interposer l’agent de brasage 30. Typiquement les portions d’assemblage 121 , 60 peuvent être celles où le jeu entre les pièces 22, 6 est le plus faible, typiquement les portions au niveau desquelles les pièces 22, 6 sont en contact l’une avec l’autre ou en quasi- contact, c’est-à-dire avec un jeu très faible existant entre tout ou partie desdites portions, l’une avec l’autre.
De préférence, les plaques 6, 7 de l’échangeur sont des plaques colaminées comprenant une feuille centrale 40 dont chaque face est revêtue d’une couche 30. Selon un autre mode de réalisation, l’agent de brasage 30 peut prendre la forme d’un feuillard ou d’une couche de revêtement de surface 30. La couche de revêtement 30 peut être déposée par pulvérisation ou par application au pinceau de l’agent de brasage 30 sous forme d’une suspension de poudre contenant la poudre, un dispersant, un liant, des additifs pour contrôler la viscosité.
De préférence, l’agent de brasage 30 a une épaisseur e comprise entre 50 et 300 miti, de préférence comprise entre 100 et 250 pm.
L’agent de brasage 30 est de préférence formé d’un matériau métallique ayant une température de fusion inférieure à celle des matériaux constitutifs des pièces 6, 22. Les pièces 6, 22 et 30 sont de préférence formées d’alliage d’aluminium. Les plaques 6 et les éléments 22 de l’échangeur sont avantageusement formées d’un premier alliage d’aluminium de la famille 3XXX, de préférence du type 3003 (norme ASME SB-2019 SECTION 2-B). L’agent de brasage 30 est formé d’un deuxième alliage d’aluminium, de préférence un alliage du type 4XXX (norme ASME SB-2019 SECTION 2-B), en particulier du type 4004.
Comme on le voit en coupe transversale sur la Figure 4, l’élément intercalaire 22 comprend plusieurs ailettes ou jambes d’onde 123 configurées pour délimiter, lorsque l’élément 22 est monté entre une première plaque 6 et une deuxième plaque 7 de l’échangeur, une pluralité de canaux 26 pour l’écoulement du premier fluide.
L’élément 22 comprend en outre au moins une première portion d’assemblage 121 configurée pour être assemblée avec la première plaque 6 et comprenant une première paire de surfaces 121 a, 121 b opposées, l’une 121 a des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la première plaque 6 et l’autre 121 b des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la deuxième plaque 7 lorsque l’élément intercalaire 22 est à l’état monté. L’élément intercalaire 22 comprend en outre au moins une texturation de surface 23 sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface de l’élément intercalaire 22.
Dans le cadre de l’invention, au moins une texturation de surface est présente sur une surface d’au moins une ailette ou jambe d’onde 123 de l’élément intercalaire 22. Il est à noter que l’élément intercalaire peut présenter une ou plusieurs formes prédéterminées de texturation de surface réparties sur différentes zones de sa surface, étant entendu qu’une texturation de surface peut aussi bien être réalisée dans la surface du matériau constitutif de l’élément intercalaire qu’y être déposée, c’est-à-dire résulter d’un apport de matière supplémentaire sur la surface de l’élément intercalaire.
Selon l’invention, la première portion d’assemblage 121 est exempte de texturation de surface 23 sur sa surface 121 a qui est orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque 6.
Ainsi, on préserve la mouillabilité et la bonne brasabilité de la surface de l’élément intercalaire destinée à être positionnée contre une plaque adjacente pour y être assemblée par brasage. Au cours du brasage, la répartition de l’agent de brasage au niveau du joint peut être contrôlée, ce qui conduit à un joint ayant de bonnes propriétés mécaniques et thermiques. Il est ainsi possible d’utiliser les procédés traditionnels de fabrication d’échangeurs à plaques et ailettes brasés.
De plus, il n’est pas nécessaire de réaliser une texturation de surface après montage de l’élément intercalaire 22 puique celui-ci présente déjà la texturation sur les zones souhaitées des ailettes. On peut ainsi incorporer une structure d’échange thermique à surface intensifiée dans l’échangeur tout en préservant l’intégrité structurelle de la matrice de l’échangeur et de ses canaux internes.
L’absence de texturation de surface sur la surface située du côté de la première plaque permet également un meilleur contrôle de la hauteur de l’élément intercalaire. Or, la hauteur de l’élément intercalaire est un paramètre important qui conditionne, en étant adaptée avec précision à l’écart entre la première et la deuxième plaques 6, 7 de l’échangeur, la qualité et donc les propriétés du joint brasé. Selon un mode de réalisation avantageux, l’élément intercalaire 22 est un produit ondulé comprenant une succession de jambes d’onde 123 reliées alternativement par des sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122. Au moins un sommet d’onde 121 comprend une première portion d’assemblage 121 selon l’invention.
Les explications qui suivent sont faites en référence aux Figures 4 à 7, étant entendu que l’élément intercalaire 22 peut revêtir toute autre forme adéquate et n’inclut pas nécessairement toutes les caractéristiques détaillées ci- après.
La Figure 4 montre une vue en coupe transversale d’une structure d’échange thermique ondulée 22. Plusieurs jambes d’onde 123 de forme longiligne s’étendent parallèlement entre elles et globalement suivant une direction dite longitudinale z. Les jambes d’onde se succèdent suivant une direction latérale x, qui est perpendiculaire à la direction longitudinale z, et sont reliées alternativement par des sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122.
Selon l’exemple illustré sur la Figure 3, les sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122 sont de forme plane et s’étendent parallèlement entre eux et perpendiculairement aux jambes d’onde 123. Les canaux 26 pour le premier fluide, qui sont formés entre deux jambes d’onde successives et un sommet ou une base agencé entre lesdites jambes d’onde successive, présentent ainsi une section transversale de forme générale rectangulaire.
La Figure 4 illustre une onde droite présentant des jambes d’onde 123 à surface plane. D’autre configurations d’élément intercalaire 22 sont bien sûr envisageables, notamment des configurations du type onde droite perforée, onde à décalage partiel, onde à vagues ou à arête de hareng (« herringbone » en anglais).
Un élément 22 selon la Figure 4 est visible sur la Figure 7(a) à l’état monté, c’est-à-dire monté entre une première et une deuxième plaque 6, 7 directement voisines formant un passage 33. Le passage 33 est de forme globalement parallélépipédique et configuré pour canaliser le premier fluide parallèlement à la direction longitudinale z.
En fonctionnement, le premier fluide s’écoule sur la largeur du passage 33, mesurée suivant la direction latérale x, entre une entrée et une sortie du passage 33 situées à deux extrémités opposées suivant la longueur du passage 33, mesurée suivant la direction longitudinale z. Les jambes d’onde 123 délimitent au sein du passage 33 une pluralité de canaux 26 qui s’étendent parallèlement à la direction longitudinale z.
Comme on le voit sur la Figure 7(a), l’élément 22 s’étend de préférence sur la quasi-totalité, voire la totalité, de la hauteur des passages, mesurée suivant une direction verticale y perpendiculaire aux plaques 6, 7, de manière à être en contact ou quasi-contact avec les plaques 6, 7. Les sommets d’onde 121 et les bases d’onde 122 sont agencés parallèlement aux plaques 6, 7.
Selon un mode de réalisation particulier, on peut adapter la hauteur de l’élément 22 à la hauteur du passage 33 de sorte qu’il existe un jeu d’une valeur prédéterminée, tel qu’indiqué par la référence « d » sur la Figure 8(e), entre les sommets d’onde 121 et la première plaque 6 et entre les bases d’onde 122 et la deuxième plaque 7. Ceci permet d’empêcher des remontées capillaires d’agent de brasage en dehors de la zone du joint brasé durant l’étape de brasage sous vide, ce qui peut être préjudiciable aux performances de l’échangeur puisqu’en s’écoulant, la brasure peut modifier la microstructure de la texturation de surface en comblant les porosités ou cavités présents en surface.
De préférence, le jeu d est compris entre 0 et 0,1 mm, de préférence encore compris entre 0 et 0,05 mm.
De préférence, l’élément intercalaire 22 est disposé en configuration dite « easyway » dans le passage 33, c’est-à-dire que les jambes d’onde 123 s’étendent globalement suivant la direction d’écoulement du premier fluide dans le passage 33. A noter qu’en service, la direction d’écoulement du premier fluide est de préférence verticale, le sens d’écoulement pouvant être ascendant ou descendant.
Avantageusement, on pourra agencer un élément intercalaire 22 selon l’invention dans une zone 3 d’un passage 33 de l’échangeur dans laquelle pénètre l’oxygène montant, l’élément intercalaire présentant ainsi en surface des porosités ou reliefs multipliant les sites d’amorçage pour la formation du bulles d’oxygène gazeux OG.
De préférence, chaque sommet d’onde 121 comprend une première portion d’assemblage 121 selon l’invention. La surface 121 a du sommet d’onde positionnée contre la première plaque 6 est ainsi exempte de texturation de surface 23, ce qui permet de la braser solidement à une portion d’assemblage réciproque sur la première plaque 6 lors de la fabrication de l’échangeur.
Avantageusement, chaque base d’onde 122 comprend une deuxième portion d’assemblage 122 configurée pour être assemblée, à l’état monté, avec la deuxième plaque 7.
Comme illustré sur la Figure 4, ladite deuxième portion d’assemblage comprend une deuxième paire de surfaces 122a, 122b opposées, celle 122b des surfaces de la deuxième paire orientée du côté de la deuxième plaque 7 étant exempte de texturation de surface 23.
On peut ainsi braser solidement une autre portion de l’élément intercalaire 22 à une portion d’assemblage réciproque sur la première plaque 7 lors de la fabrication de l’échangeur, ce qui améliore encore la solidité et la rigidité du passage 33.
De préférence, lesdites premières portions d’assemblage 121 , les ailettes ou jambes d’onde 123, et lesdites deuxièmes portions d’assemblage 122 si présentes, sont monobloc, i. e. formées d’une seule pièce.
De préférence, chaque jambe d’onde 123 comprend une troisième paire de surfaces 123a, 123b opposées, l’une et/ou l’autre des surfaces 123a, 123b de la troisième présentant ladite texturation de surface 23, de préférence sur sa totalité ou sa quasi-totalité.
A noter que dans la cadre de la présente invention, la quasi-totalité d’une surface ou d’un élément s’entend d’une portion représentant au moins 90%, de préférence au moins 95%, de préférence encore au moins 98% de la superficie de cette surface ou de la superficie totale de cet élément.
La Figure 5 illustre un exemple où toutes les jambes d’onde 123 présentent au moins une texturation de surface sur leur deux surfaces 123a, 123b. Chaque canal 26 présente ainsi deux parois latérales 123a, 123b dont les surfaces internes sont intensifiées.
De préférence, la première portion d’assemblage 121 présente également la texturation de surface 23 sur la surface 121 b de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque 7, de préférence sur la totalité ou la quasi-totalité de ladite surface 121 b. La deuxième portion d’assemblage 122 peut aussi présenter la texturation de surface 23 sur la surface 122a de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque 6, de préférence sur la totalité ou la quasi-totalité de ladite surface 122a. Cela permet de maximiser la superficie de texturation de surface 23 présente sur l’élément intercalaire 22 et donc de maximiser l’efficacité de transfert thermique au sein des canaux 26 délimités par l’élément intercalaire.
Une telle configuration est illustrée sur les Figures 6 et 7(a). En fait, chaque canal 26 a une surface interne formée, à l’état monté, alternativement par la surface 122a d’une base d’onde 122 orientée vers la première plaque 6, la surface 6b de la première plaque 6 orientée vers la base d’onde 122 et les surfaces respectives 123a, 123b des deux jambes d’onde 123 reliées aux extrémités de ladite base d’onde 122, et par la surface 121 b d’un sommet d’onde 121 orientée vers la deuxième plaque 7, la surface 7a de la deuxième plaque 7 orientée vers le sommet d’onde 121 et les surfaces respectives 123a, 123b des deux jambes d’onde 123 reliées aux extrémités dudit sommet d’onde 121 .
En agençant au moins une texturation de surface 23 sur le fond des canaux 26, formé alternativement par un sommet 121 ou une base d’onde 122, on intensifie l’échange thermique sur une plus grande partie des surfaces de l’élément 22 qui forment, à l’état monté, la surface interne des canaux 26.
De préférence, les surfaces 6a, 6b, et 7a, 7b des plaques 6, 7 sont exemptes de texturation de surface. On préserve ainsi la qualité des joints de brasage formés avec les plaques.
La Figure 7(a) illustre une configuration dans laquelle les jambes d’onde 123 d’étendent parallèlement à la direction longitudinale z et perpendiculairement aux sommets d’onde 121 et aux bases d’onde 122 de l’élément 22.
Selon une variante de réalisation, illustrée sur les Figures 7(b) et 7(c), les jambes d’ondes 123 s’étendent dans un plan qui est parallèle à la direction longitudinale z et qui forme un angle a inférieur à 90° avec la première portion d’assemblage 121 d’une part et avec la deuxième portion d’assemblage 122 d’autre part. En formant un angle aigu entre les jambes d’onde 123 et les sommets ou bases d’onde 121 , 122, on maximise la portion de surface interne des canaux 26 qui peut présenter une texturation de surface et on minimise la portion de surface interne des canaux 26 qui ne peut généralement pas présenter de texturation, cette portion étant formée, selon le canal considéré, par la surface 6b de la première plaque 6 orientée vers la base d’onde 122 ou par la surface 7a de la deuxième plaque 7 orientée vers le sommet d’onde 121 .
De préférence, l’angle a est compris entre 60 et 90°, de préférence encore l’angle a est compris entre 70 et 85°. Ainsi, on préserve l’accessibilité aux surfaces sur lesquelles la texturation de surface doit être formée tout en augmentant la surface de canal intensifiée.
Dans le cadre de l’invention, le produit ondulé 22 est formé de préférence à partir d’un produit plat, tel une tôle ou feuillard, ayant une épaisseur d’au moins 0,15 mm, de préférence comprise entre 0,2 et 0,4 mm. Cette épaisseur est indiquée par la lettre « t » sur la Figure 3. La mise en œuvre d’une texturation de surface 23 nécessite des flux thermiques importants, en particulier lorsque la fonction de la texturation de surface 23 est d’intensifier l’ébullition du premier fluide. Il est donc avantageux d’utiliser un élément intercalaire relativement épais, afin de conserver un coefficient d’ailette le plus important possible, c’est-à-dire une meilleure aptitude des ailettes à transmettre la chaleur.
Il est également avantageux de travailler avec un élément intercalaire plus épais lorsque, du fait de l’intensification des échanges thermique obtenue grâce à la texturation de surface, on souhaite réduire la densité d’ailettes de l’élément intercalaire afin de réduire les pertes de charges qu’il génère. On préserve alors le coefficient d’échange thermique de l’élément intercalaire en augmentant son épaisseur.
Etant noté que le coefficient d’ailette est un nombre typiquement compris compris entre 0 et 1 , celui-ci étant égal à 1 au point de contact avec une plaque adjacente et diminuant sur l’ailette lorsqu’on s’éloigne de la plaque. Le point situé au milieu de l’ailette est le point où le coefficient d’ailette est le plus faible. Travailler avec des ailettes plus épaisses permet de réduire la conduction thermique à travers l’ailette, de la plaque vers le point du milieu de l’ailette, ce qui augmente le coefficient d’ailette. De préférence, le produit ondulé 22 a une densité, définie comme le nombre de jambes d’onde par unité de longueur mesuré le long de la direction latérale x, inférieure à 18 jambes par 2,54 centimètres, de préférence inférieure à 10 jambes d’onde par 2,54 centimètres, de préférence encore inférieure ou égale à 5 jambes par 2,54 centimètre. Avantageusement, la densité peut être comprise entre 1 et 5 jambes par 2,54 centimètres. A noter que ces valeurs de densités sont applicables à un élément intercalaire qui n’est pas nécessairement un produit ondulé, les ailettes se succédant selon la direction latérale x et la densité étant alors définie comme le nombre d’ailettes par unité de longueur, mesuré suivant la direction latérale x.
L’utilisation d’une densité relativement faible permet de faciliter la phase de dépôt de la texturation de surface sur les ailettes ou jambes d’onde, leur surface étant plus accessible. En outre, l’utilisation d’un élément intercalaire de densité plus faible facilite l’élimination des bulles créées au niveau de la texturation de surface.
De préférence, l’élément intercalaire 22 comprend un substrat massif, ou dit autrement un substrat plein, en particulier un substrat non-poreux, sur lequel la texturation 23 est formée. Le substrat est visible en noir sur la figure 7 par exemple. Selon la structure de l’élément intercalaire, le substrat peut comprendre une ou plusieurs premières et/ou deuxièmes portions d’assemblage, les ailettes ou jambes d’onde.
A noter que l’élément intercalaire est de préférence monobloc, c’est-à- dire formé d’une seule pièce.
Dans le cadre de l’invention, la texturation de surface 23 peut résulter d’un revêtement de surface déposé sur l’élément ou bien d’une modification de l’état de surface dudit élément pièces obtenu par un traitement chimique, mécanique ou équivalent, par exemple par sablage, rainurage....
En particulier le revêtement de surface peut être déposé sur le substrat déposé par voie liquide, notamment par trempage, pulvérisation ou par voie électrolytique, par voie sèche, notamment par dépôt chimique en phase vapeur (en anglais Chemical Vapor Déposition ou CVD) ou dépôt physique en phase vapeur (en anglais Physical Vapor Déposition ou CVD), ou par projection thermique, en particulier par flamme ou par plasma. Etant précisé que la texturation 23 vise à modifier l’état de surface de l’élément intercalaire et non à déformer en tout ou partie l’élément intercalaire.
De préférence, la texturation de surface est formée d’aluminium ou d’un alliage d’aluminium comprenant, pour 100% de sa masse, au moins 80% en masse d’aluminium, de préférence au moins 90%, de préférence encore au moins 99% d’aluminium.
Selon un mode préféré de réalisation, la texturation de surface 23 est sous la forme d’une structure poreuse, de préférence une couche poreuse. La structure poreuse peut par exemple être formé d’un dépôt de particules d’aluminium légèrement frittées, de filaments d’aluminium enchevêtrés, de particules d’aluminium semi fondues collées les unes aux autres, telles les particules d’aluminium qui sont obtenues après projection que l’on obtient en projection thermique par flamme.
De préférence, la texturation de surface 23 présente avant brasage une porosité ouverte comprise entre 15 et 60%, de préférence entre 20 et 45%, de préférence encore une porosité ouverte initiale comprise entre 25 et 35% (% en volume). A noter que la porosité ouverte est définie comme le rapport entre le volume des pores ouverts, c’est-à-dire les pores communiquant fluidiquement avec l’environnement extérieur dans lequel se situe la pièce 22, et le volume total de la structure poreuse.
Les pores de la structure poreuse 23 ont de préférence un diamètre compris entre 1 et 200 miti, de préférence compris entre 5 et 100 pm. Etant noté que les pores ne sont pas nécessairement de section circulaire mais peuvent présenter des formes irrégulières. Le terme « diamètre », couvre donc également un diamètre hydraulique équivalent qui peut être calculé à partir de mesure de la perte de charge subit par un écoulement gazeux à travers la structure poreuse et en supposant que les pores ont une forme régulière, notamment sphérique, cylindrique, ...
On pourra également caractériser la dimension des pores par leur volume. De préférence, les pores de la structure poreuse 23 ont un volume compris entre 1000 et 1 000 000 pm3. Le volume des pores pourra par exemple être déterminé par tomographie ou par analyse d’images de sections polies d’échantillons prises dans une multitude de directions dans l’espace. De façon alternative, la texturation de surface 23 peut être sous la forme de reliefs, ou motifs, imprimés ou réalisés dans ou sur le matériau constitutif de l’élément intercalaire 22. De préférence, ces reliefs définissent, en coupe transversale, des cavités ouvertes à la surface de l’élément 22. Par exemple, des micro-reliefs ou taille ou morphologie diverses, tels des gorges, discrètes ou ininterrompues, des stries, des protubérances, ... pourront être formés ou déposés à la surface de l’élément 22. En particulier, les reliefs formant la texturation de surface 23 peuvent être réalisés par usinage laser ou mécanique et/ou chimique.
Par micro-reliefs, on entend des reliefs qui ont au moins une dimension caractéristique faible par rapport à une dimension de l’élément, en particulier des reliefs qui s’étendent une hauteur, mesurée suivant une direction perpendiculaire à la surface de l’élément intercalaire présentant la texturation, et /ou une largeur, mesurée suivant une direction perpendiculaire à la surface de l’élément intercalaire présentant la texturation, de l’ordre de quelques micromètres et plusieurs centaines de micromètres.
La Figure 8 illustre les principales étapes d’un procédé de fabrication pouvant être utilisé pour fabriquer un élément intercalaire 22, dans le cas où celui-ci est sous la forme d’un produit ondulé destiné à être agencé entre une première plaque 6 et une deuxième plaque 7. Bien entendu, le procédé de fabrication décrit ci-après peut s’appliquer à d’autres formes d’éléments intercalaires.
L’élément intercalaire 22 est tout d’abord mis en forme, typiquement par emboutissage, puis découpé en largeur et en longueur pour former un tapis ondulé 22 du format souhaité et dégraissé. Comme on le voit en coupe transversale sur la Figure 8(a), l’élément 22 présente, après mise en forme, une succession de sommets et de bases d’onde constituant des premières et deuxièmes portions d’assemblage destinées à être brasées sous vide respectivement avec des plaques 6, 7 adjacentes de l’échangeur.
Selon l’invention, le procédé comprend une étape c) au cours de laquelle au moins une texturation de surface 23 est formée sur la totalité ou la quasi- totalité de l’élément intercalaire 22. En d’autres termes, une texturation de surface est appliquée au niveau de toutes les surfaces de l’élément intercalaire, y compris les paires de surfaces opposées situées au niveaux des sommets et des bases. Par exemple, la texturation 23 peut être formée par dépôt d’un revêtement du type suspension. Dans ce cas, on met en suspension dans un liant le matériau constitutif de la texturation et des additifs tels que des éléments épaississants, porogènes,... Cette technique permet de réaliser des revêtements sur des ondes de plus grande densité, qu’il est difficile de traiter par projection thermique à cause de la mauvaise accessibilité aux surfaces.
On procède ensuite à un retrait sélectif d’au moins les portions de texturation de surface 23 qui s’étendent sur les surfaces des premières portions d’assemblage orientées, à l’état monté, du côté de la première plaque 6. Si l’élément intercalaire comprend une ou plusieurs deuxièmes portions d’assemblage destinées à être assemblée avec la deuxième plaque 7, on procède aussi à un retrait sélectif de la texturation 23 au niveau des surfaces des desxième portions d’assemblage orientées, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque 7.
Différentes solutions peuvent être utilisées pour retirer sélectivement la texturation de surface 23. Une première solution, illustrée sur la Figure 8(c), est de déposer, avant de former la texturation 23, un revêtement fusible 25 sur les surfaces de l’élément 22 que l’on souhaite voir, à l’issue du procédé de fabrication, exemptes de texturation de surface 23. On réalise ensuite un traitement thermique de l’élément 22 de manière à retirer le revêtement fusible 25, et avec lui les portions de surface 23.
De façon alternative, on peut apposer un masque 25 sur ces surfaces avant de réaliser la texturation de surface. Un fois la texturation de surface formée sur l’ensemble de l’élément 22, le masque est retiré.
Le masque peut être réalisé à partir d’une tôle présentant des ouvertures. De préférence, le masque est plaqué le plus près possible des surfaces à masquer de l’élément 22 afin d’y éviter tout dépôt. Les ouvertures sont positionnées en regard des surfaces de l’élément 22 sur lesquelles la texturation 23 doit être formée.
Le masque peut être formé d’un acier allié ou d’un alliage de nickel, de préférence un alliage nickel-fer-chrome, en particulier un alliage du type 800H, qui offre une bonne résistance à haute température. Une autre solution est de retirer la texturation de surface dans les zones souhaitées au moyen d’un procédé mécanique, par exemple par brossage ou ponçage des surfaces de l’élément 22.
L’élément intercalaire 22 ainsi fabriqué est ensuite monté entre une première plaque 6 et une deuxième plaque 7 de l’échangeur, puis brasé auxdites plaques, comme illustré sur la Figure 8(e).
Exemple
Des essais de dépôt d’une structure poreuse ont été réalisés sur un produit ondulé ayant une densité de 6 jambes d’onde par 2,54 centimètres et une hauteur de 5 mm. Le produit ondulé était formé à partir d’un feuillard d’une épaisseur de 0,5 mm. Un masque formé d’une tôle en allliage du type 800H était apposé sur le produit ondulé. Il présentait une série de fentes d’une largeur de 4,2 mm découpées au laser. Les parties pleines du masque étaient agencées au niveau des sommets d’onde du produit ondulé.
Le dépôt a été réalisé par projection thermique à la flamme à partir d’un fil d’aluminium comprenant, pour 100% de sa masse, 99,5% d’aluminium. Ces essais ont permis de déposer sélectivement sur les jambes d’onde du produit ondulé une texturation de surface sous la forme d’une couche poreuse d’une épaisseur de 200 à 300 pm et d’une porosité ouverte de l’ordre de 30%. La couche poreuse présentait de bonnes caractéristiques d’adhésion sur la surface du produit ondulé.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Elément intercalaire (22) pour échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, destiné à être monté entre une première plaque (6) et une deuxième plaque (7) de l’échangeur, ledit élément intercalaire (22) comprenant :
- au moins une première portion d’assemblage (121 ) configurée pour être assemblée avec la première plaque (6) et comprenant une première paire de surfaces (121 a, 121 b) opposées, l’une (121 a) des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la première plaque (6) et l’autre (121 b) des surfaces de la première paire étant orientée du côté de la deuxième plaque (7) lorsque l’élément intercalaire (22) est à l’état monté,
- plusieurs ailettes ou jambes d’onde (123) s’étendant depuis ladite première portion d’assemblage (121 ) de façon à délimiter, lorsque l’élément intercalaire (22) est à l’état monté, une pluralité de canaux (26) pour l’écoulement d’un premier fluide, et
- au moins une texturation de surface (23) sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs formés sur une surface de l’élément intercalaire (22), au moins une ailette ou jambe d’onde (123) présentant ladite texturation de surface (23),
caractérisé en ce que la première portion d’assemblage (121 ) est exempte de texturation de surface (23) sur la surface (121 a) de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque (6).
2. Elément selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l’élément intercalaire (22) comprend un substrat massif ou plein, la texturation de surface (23) étant formée sur une surface du substrat.
3. Elément selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé caractérisé en ce qu’au moins une ailette ou jambe d’onde (123) comprend une troisième paire de surfaces (123a, 123b) opposées, l’une et/ou l’autre des surfaces (123a, 123b) de la troisième paire présentant ladite texturation de surface (23).
4. Elément selon la revendication 3, caractérisé en ce que la totalité ou la quasi-totalité de l’une et l’autre des surfaces (123a, 123b) de la troisième paire présente ladite texturation de surface (23).
5. Elément selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première portion d’assemblage (121 ) présente la texturation de surface (23) sur la surface (121 b) de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque (7).
6. Elément selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première portion d’assemblage (121 ) est agencée entre deux ailettes ou jambes d’ondes (123) successives, la surface (121 b) de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque (7) ayant deux extrémités reliées chacune à une surface (123a, 123b) respective de chacune des deux ailettes ou jambes d’ondes (123), la surface (121 b) de la première paire et lesdites surfaces respectives des ailettes présentant la texturation de surface (23).
7. Elément selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une deuxième portion d’assemblage (122) configurée pour être assemblée avec la deuxième plaque (7) et comprenant une deuxième paire de surfaces (122a, 122b) opposées, l’une (122a) des surfaces de la deuxième paire étant orientée du côté de la première plaque (6) et l’autre (122b) des surfaces de la deuxième paire étant orientée du côté de la deuxième plaque (7) lorsque l’élément intercalaire (22) est à l’état monté, ladite deuxième portion d’assemblage (122) étant exempte de texturation de surface (23) sur au moins la surface (122b) de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la deuxième plaque (7).
8. Elément selon la revendication 7, caractérisé en ce que la deuxième portion d’assemblage (122) présente la texturation de surface (23) sur la surface (122a) de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque (6).
9. Elément selon l’une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la deuxième portion d’assemblage (122) est agencée entre deux ailettes ou jambes d’ondes (123) successives, la surface (122a) de la deuxième paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque (6) ayant deux extrémités reliées chacune à une surface (123a, 123b) respective de chacune des deux ailettes ou jambes d’ondes (123), ladite surface (122a) de la deuxième paire et lesdites surfaces respectives des ailettes présentant la texturation de surface (23).
10. Elément selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première portion d’assemblage (121 ) et/ou la deuxième portion d’assemblage (122) sont agencées, à l’état monté, parallèlement aux première et deuxième plaques (6, 7), les ailettes ou jambes d’onde (123) se succédant suivant une direction latérale (x) et délimitant, à l’état monté, une pluralité de canaux (26) configurés pour canaliser le premier fluide suivant une direction longitudinale (z) parallèle aux première et deuxième plaques (6, 7) et orthogonale à la direction latérale (x).
11. Elément selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite au moins une ailette ou jambe d’ondes (123) s’étendent dans un plan parallèle à la direction longitudinale (z) et forment un angle (a) par rapport à la première portion d’assemblage (121 ) et/ou la deuxième portion d’assemblage (122), l’angle (a) étant inférieur ou égal à 90°.
12. Elément selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la texturation de surface (23) est sous la forme d’une structure poreuse ayant une porosité ouverte comprise entre 15 et 60 %, de préférence une porosité ouverte comprise entre 20 et 45 % (% en volume), ou sous la forme de reliefs définissant, en coupe transversale, des cavités ouvertes à la surface de l’élément intercalaire (22).
13. Elément selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est sous la forme d’un produit ondulé (22) comprenant une succession de jambes d’onde (123) reliées alternativement par des sommets d’onde (121 ) et des bases d’onde (122), au moins un sommet d’onde (121 ) comprenant ladite première portion d’assemblage (121 ) et/ou au moins une base d’onde (122) comprenant ladite deuxième portion d’assemblage (122).
14. Elément selon la revendication 13, caractérisé en ce que les jambes d’onde (123) se succèdent selon une direction latérale (x), le produit ondulé (22) ayant une densité, définie comme le nombre de jambes d’onde par unité de longueur mesuré le long de la direction latérale (x), inférieure à 18 jambes par 2,54 centimètres, de préférence inférieure à 10 jambes par 2,54 centimètres, de préférence encore inférieure ou égale à 5 jambes par 2,54 centimètres.
15. Elément selon l’une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que le produit ondulé (22) est formé à partir d’un produit plat ayant une épaisseur d’au moins 0,15 mm, de préférence comprise entre 0,2 et 0,4 mm.
16. Echangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés comprenant une pluralité de plaques (6, 7) agencées parallèlement entre elles de façon à définir une série de passages (33) pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide, et au moins un élément intercalaire (22) monté entre deux plaques (6, 7) successives définissant un passage (33) de façon à former, au sein du passage (33), plusieurs canaux (26) pour l’écoulement dudit premier fluide, caractérisé en ce que l’élément intercalaire (22) est selon l’une des revendications 1 à 15.
17. Procédé de fabrication d’un élément intercalaire pour échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
a) mise en forme de l’élément intercalaire (22) de sorte qu’il présente des ailettes ou jambes d’onde (123) délimitant, lorsque l’élément intercalaire (22) est monté entre une première plaque (6) et une deuxième plaque (7) de l’échangeur, une pluralité de canaux (26) pour l’écoulement d’un premier fluide, et au moins une première portion d’assemblage (121 ) configurée pour être assemblée avec une première plaque (6) et comprenant une première paire de surfaces (121 a, 121 b) opposées dont l’une (121 a) est orientée du côté de la première plaque (6) et l’autre (121 b) est orientée du côté de la deuxième plaque (7) lorsque l’élément intercalaire (22) est à l’état monté,
c) formation d’une texturation de surface (23) sous la forme d’une structure poreuse ou de reliefs sur la totalité ou la quasi-totalité de l’élément intercalaire (22),
d) retrait sélectif d’au moins une portion de ladite texturation de surface (23) s’étendant sur celle (121 a) des surfaces de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque (6).
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisée en ce qu’il comprend, préalablement à l’étape c), une étape b) de dépôt d’un revêtement fusible (25) sur celle (121 a) des surfaces de la première paire orientée à l’état monté, du côté de la première plaque (6), l’étape d) comprenant un traitement thermique de l’élément intercalaire (22) de manière à retirer le revêtement fusible (25) et la portion de texturation de surface (23) formée sur ledit revêtement fusible (25).
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisée en ce qu’il comprend, préalablement à l’étape c), l’application d’un masque sur celle (121 a) des surfaces de la première paire orientée, à l’état monté, du côté de la première plaque (6), l’étape d) étant réalisée par retrait du masque.
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisée en ce l’étape d) est réalisée mécaniquement, de préférence par brossage ou ponçage.
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