La présente invention est relative à un échangeur de chaleur à plaques. Les unités de séparation d'air disposent de plusieurs échangeurs de chaleur (échangeur principal, vaporiseur-condenseur, ...). La technologie couramment utilisée pour ces échangeurs est celle des échangeurs en aluminium à plaques et ailettes brasés, qui permettent d'obtenir des organes très compacts offrant une grande surface d'échange. Ces échangeurs sont constitués de plaques entre lesquelles sont insérées des ondes ou ailettes, formant ainsi un empilage de « passages » dit « froids » destinés à un ou plusieurs fluides qui se réchauffent et de « passages » dit « chauds » destinés à un ou plusieurs fluides qui se refroidissent. Les ondes d'échange couramment utilisées sont des ondes droites, ondes perforées, ondes à décalage partiel (en anglais « serrated »), toutes bien connues et illustrées dans « Plate-fin heat exchangers-Guide to their spécification and use » publié par HTFS en 1987, première édition.

Ces ondes se caractérisent à l'aide des paramètres suivants illustrés à la Figure 1 : h (mm) : hauteur de l'onde (de 3 à10 mm). e (mm) : épaisseur de l'onde (de 0,2 à 0,6 mm). n (m ^"1 ou pouce ^"1 ) : nombre d'ondes par unité de longueur (de 177 à

1102 ondes/m). perf (%) : taux de perforation (5% pour les ondes perforées). s (mm) : longueur de décalage dit « serration » (pour les ondes à décalage partiel dit « serrated »).

Ainsi les diamètres hydrauliques (D _h ) des ondes classiquement utilisées dans les échangeurs à plaques et ailettes brasées sont compris entre 1 et 6 mm.

Ces ondes d'échange sont actuellement formées à l'aide d'une presse. La surface d'échange qui sépare deux fluides, se compose d'une surface dite « primaire » correspondant à la surface plane entre les deux fluides et d'une surface dite « secondaire » généralement constituée d'ailettes perpendiculaires à la surface primaire et formant ainsi une onde d'échange. C'est le nombre d'ailettes insérées (densité de l'onde) et la hauteur des ailettes qui créés l'augmentation de la surface d'échange. Plus la densité (n) de l'onde augmente, plus la surface d'échange est grande. Cependant il existe une limite de fabrication ou des contraintes dus au procédé. L'outil de presse utilisé pour fabriquer l'onde, permet d'obtenir des densités maximales de 26 à 28 ondes par pouce. La densité de l'onde sélectionnée peut être plus petite lorsqu'il est préférable de limiter les pertes de charge. De plus, dans certaines conditions de fonctionnement comme celui des vaporiseurs/condenseurs à bain, des contraintes liées à la sécurité limitent le nombre d'ondes par pouce à des valeurs bien inférieures aux valeurs maximales qui peuvent être fabriquées.

Les ailettes présentent un gradient de température. Au delà d'une certaine hauteur d'ailette (d'onde), la zone située au milieu de l'ailette échange nettement moins bien. Il existe donc une hauteur d'onde optimale correspondant à une valeur de coefficient d'ailette optimale (s _e en m ² /m ² ). Les hauteurs d'onde couramment utilisées varient de 3 à 10 mm.

Plus le fluide est turbulent, meilleur est le coefficient d'échange. Cette turbulence peut être générée par une modification de la forme des canaux ou par l'insertion d'obstacles générateurs de turbulence (ex : onde droite perforée, à décalage partiel ou « serrated », arête de hareng dit « herringbone », persienne, insertion de mini-ailettes, fenêtres, ...).

Dans le cas de la vaporisation d'un fluide, une surface qui comporte un plus grand nombre de sites nucléation présente un meilleur coefficient d'échange. Ces sites de nucléation sont des micro-cavités de diverses tailles et formes (cavités ré-entrantes) présents en surface ou au travers d'une couche poreuse.

Dans le cas de la condensation d'un fluide, l'épaisseur du film liquide détériore le coefficient d'échange, d'où l'intérêt de drainer le liquide par la présence de rainures, de perforations ou de reliefs

Les micro-échangeurs sont des échangeurs ayant des canaux de diamètres hydrauliques inférieurs au millimètre. La diminution de la taille des canaux permet de développer la surface d'échange thermique (gain en compacité de l'appareil). Le coefficient d'échange devient alors pratiquement inversement proportionnel au diamètre hydraulique.

Dans la littérature on propose la classification suivante, en fonction du diamètre hydraulique des canaux :

- les mini-canaux (200μm<D _h <3mm) : les lois des écoulements pour les conduites classiques s'appliquent encore

- les micro-canaux (D _h <200μm) : Les effets de surface prennent une importance considérable et les lois d'écoulement classiques ne s'appliquent plus.

La quantité de flux échangée à travers un échangeur est donnée par la relation suivante :

§ = kxSxAT

Pour un ΔT donné, l'amélioration des échangeurs ne peut s'effectuer que par l'augmentation du coefficient d'échange (k) et/ou par l'augmentation de la surface d'échange (S).

Dans le cas des échangeurs à plaques et ailettes brasées, l'augmentation de la surface d'échange par une surface dite « secondaire » atteint ses limites de part la fabrication et/ou des contraintes de procédé. L'augmentation du coefficient d'échange par la création de turbulences est intéressante mais présente deux contraintes principales :

- une augmentation des pertes de charge induite par l'augmentation des turbulences.

- une augmentation du coût de fabrication dû à la complexité des géométries.

Ainsi, la création d'une nouvelle forme d'onde ne peut engendrer des gains de coefficient d'échange nettement meilleurs par rapport aux ondes déjà existantes. Quant à la création de sites de nucléation et au drainage de liquide, ces deux méthodes ne concernent qu'un type particulier d'échange à savoir la vaporisation ou la condensation. II semble donc difficile d'améliorer fortement les échangeurs à plaques et ailettes brasées en utilisant les mêmes axes de développement que ceux décrits précédemment.

Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air incorporant, comme échangeur de chaleur de refroidissement d'air ou comme vaporiseur-condenseur ou comme sous-refroidisseur, un échangeur de chaleur à plaques brasées, du type comprenant un empilement de plaques parallèles d'un même matériau qui définissent une pluralité de passages de circulation de fluide de forme générale plate, des barres de fermeture qui délimitent ces passages et des moyens de distribution pour distribuer un fluide à chaque passage d'une première série de passages et des moyens pour envoyer un autre fluide à une deuxième série de passages dans lequel au moins un passage entre deux plaques adjacentes contient au moins une structure d'échange organisée en contact thermique avec les deux plaques adjacentes définissant le passage et qui forme une pluralité de canaux dans la largeur du passage, chaque canal étant en contact avec soit au moins deux autres canaux soit au moins un autre canal et une plaque, la structure formant au moins trois canaux dans la hauteur du passage caractérisé en ce qu'au moins un passage contient au moins deux structures d'échange organisées, un espace vide étant aménagé entre chaque structure du passage et la ou les structure(s) adjacente(s) du passage.

Selon d'autres objets facultatifs :

- toute structure d'échange organisée de l'échangeur est formée par un matériau ayant une conductivité thermique inférieure à celle des plaques ; - la structure d'échange organisée en en acier ou en bronze, alors que les plaques sont en aluminium ;

- au moins un passage contient, de préférence tous les passages contiennent, au moins deux, voire au moins quatre, structures d'échange organisées, une espace vide étant aménagée entre chaque structure du passage et la ou les structure(s) adjacente(s) ;

- la structure est composée d'une pluralité de cylindres ou est formée d'un corps unique contenant une pluralité de canaux, le diamètre hydraulique du canal étant d'entre 1 et 6 mm ou entre 200 μm et 1 mm ou inférieur à 200 μm ;

- l'échangeur comprend à l'intérieur d'un passage, au moins une plaque secondaire de forme générale plate parallèle aux plaques définissant les passages ;

- la structure est formée d'une superposition d'ondes d'échange, chaque paire d'ondes d'échange adjacentes étant éventuellement séparée par une plaque secondaire.

- les canaux ont une section circulaire, ovale, carrée, rectangulaire, triangulaire ou en losange.

Un appareil de séparation cryogénique peut comprendre au moins un échangeur tel que décrit ci-dessus et cet échangeur peut correspondre à une ligne d'échange principale et/ou un vaporiseur-condenseur et/ou un sous- refroidisseur. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu l'usage d'un échangeur de chaleur à plaques brasées, du type comprenant un empilement de plaques parallèles (2) d'un même matériau qui définissent une pluralité de passages (3, 4, 5) de circulation de fluide de forme générale plate, des barres de fermeture qui délimitent ces passages et des moyens de distribution pour distribuer un fluide à chaque passage d'une première série de passages (3, 5) et des moyens pour envoyer un autre fluide à une deuxième série de passages (4) dans lequel au moins un passage (3) entre deux plaques adjacentes contient au moins une structure d'échange organisée (15, 17, 21 ) en contact thermique avec les deux plaques adjacentes définissant le passage et qui forme une pluralité de canaux (19) dans la largeur du passage, chaque canal (19) étant en contact avec soit au moins deux autres canaux soit au moins un autre canal et une plaque (2, 13), la structure formant au moins trois canaux dans la hauteur du passage caractérisé en ce qu'au moins un passage contient au moins deux structures d'échange organisées, un espace vide (23) étant aménagé entre chaque structure du passage et la ou les structure(s) adjacente(s) du passage, à des températures ambiantes ou subambiantes, voire cryogéniques.

Une solution est d'ajouter de la surface d'échange en remplaçant l'onde classiquement utilisée dans un passage d'échange par d'autres structures d'échange qui divisent de manière plus importante la taille d'un canal de l'onde classique. Cette solution est décrite dans WO-A-2006/131685 qui propose plusieurs types de structures.

Cependant, le gain engendré par l'augmentation de la surface d'échange peut être fortement réduit du fait de la conduction longitudinale (conduction de chaleur axial dans le métal le long de l'échangeur) qui augmente avec la compacité de la surface d'échange. Ceci est d'autant plus vrai qu'il existe un fort gradient de température entre les deux extrémités de l'échangeur. Cette conduction longitudinale dégrade la performance de l'échangeur (moins de chaleur échangée entre fluides), ce qui est notamment le cas pour l'échangeur principal d'une unité de séparation d'air.

L'invention de ce document propose donc de réduire cette conduction longitudinale.

La solution proposée vise à réduire la conduction longitudinale dans le cas d'utilisation de surface d'échange (ou de structures d'échange) dans un passage telle que décrite dans WO-A-2006/131685.

Pour cela, nous proposons deux solutions différentes qui peuvent être utilisées soit séparément ou ensemble :

• utilisation de matériaux de conductibilité thermique plus faible que celle de l'aluminium ;

• utilisation de plusieurs modules de structure d'échange et légèrement espacés sur la longueur de l'échangeur à l'intérieur de chaque passage.

L'invention sera décrite en plus de détails en se référant aux dessins dans lesquels :

La Figure 2 des dessins annexés représente en perspective, avec des arrachements partiels, un exemple d'un tel échangeur de chaleur, de structure classique, auquel s'applique l'invention.

La Figure 3 représente en perspective plusieurs passages d'un échangeur de chaleur selon l'invention.

La Figure 4 représente une section de côté d'un passage d'un échangeur de chaleur selon l'invention. Les Figures 5A, 6A et 7A représentent un passage d'échangeur vu dans le sens d'écoulement des fluides selon l'art antérieur et les Figures 5B, 6B, 6C et 7B représentent un passage d'échangeur vu dans le sens d'écoulement des fluides selon l'invention. Dans la Figure 2, l'échangeur de chaleur 1 représenté est constitué d'un empilement de plaques rectangulaires parallèles 2 toutes identiques, qui définissent entre elles une pluralité de passages pour des fluides à mettre en relation d'échange thermique indirect. Dans l'exemple représenté, ces passages sont successivement et cycliquement des passages 3 pour un premier fluide, 4 pour un deuxième fluide et 5 pour un troisième fluide. Il sera compris que l'invention couvre des échangeurs à deux fluides seulement ou à n'importe lequel nombre de fluides.

Chaque passage 3 à 5 est bordé de barres de fermeture 6 qui le délimitent en laissant libres des fenêtres 7 d'entrée/sortie du fluide correspondant. Dans chaque passage sont disposées des ondes-entretoises ou ailettes ondulées 8 servant à la fois d'ailettes thermiques, d'entretoises entre les plaques, notamment lors du brasage et pour éviter toute déformation des plaques lors de la mise en oeuvre de fluides sous pression, et de guidage des écoulements de fluides. L'empilement des plaques, des barres de fermeture et des ondes- entretoises est généralement réalisé en aluminium ou en alliage d'aluminium et est assemblé en une seule opération par brasage au four.

Des boîtes 9 d'entrée/sortie de fluides, de forme générale semi- cylindrique, sont ensuite soudées sur le corps d'échangeur ainsi réalisé de façon à coiffer les rangées de fenêtres d'entrée/sortie correspondantes, et elles sont reliées à des conduites 10 d'amenée et d'évacuation des fluides.

Une première solution est d'utiliser un autre matériau que l'aluminium et de conductivité thermique plus faible. En effet, la conduction longitudinale est directement proportionnelle à la conductivité thermique du matériau utilisé pour l'échange.

La conductivité thermique de l'aluminium varie autour de 140 à 200 W/m/K pour des conditions de température comprises entre -200 ⁰ C et 20 ⁰ C. Différents types de matériaux pourrait être utilisés comme des alliages ou des céramiques.

Exemples de conductivité thermique de matériaux inférieur à l'aluminium : • Acier 304L ou 316L: 16,3 W/m/K

• Bronze : 42-50 W/m/K

Comme illustré dans la Figure 3, afin de réduire la conduction longitudinale, il est proposé de diviser les structures d'échange utilisées dans chaque passage 3, 4, 5 en plusieurs modules 17 sur la longueur d'échange. De ce fait, la conduction longitudinale entre deux modules de structures d'échange ne peut avoir lieu qu'à travers les tôles séparatrices à cause des espaces 23. Or la conduction à travers ces tôles séparatrices est nettement inférieure à celle qui aurait lieu à travers les structures d'échange.

La Figure 4 montre un passage 3, 4, 5 d'échangeur vu de côté, ayant un bout froid BF et un bout chaud BC, selon un aspect de l'invention avec une seule stucture échange mais de conductivité moindre que celle des plaques

(dessin supérieur) et selon un autre aspect de l'invention avec six modules par passage (dessin inférieur). Pour un même ΔT aux extrémités de l'échangeur, le flux longitudinal (Φ2) pour le cas d'un échangeur comportant plusieurs modules 17 espacés de structure d'échange sera inférieur au flux longitudinal (φi) d'un échangeur ne comportant qu'un seul module de structure d'échange comme illustré à la Figure 4.

Il existe toujours une conduction longitudinale à travers chacun des modules de structure d'échange mais ceux-ci sont séparés les uns des autres : il existe donc une résistance thermique entre les modules et le gradient thermique est réduit.

Ce système permet donc de sectionner sur la longueur le gradient de l'échangeur en plusieurs gradients plus faibles.

Les modules 17 peuvent être en un matériau ayant une conductivité thermique inférieure à celle des plaques 2.

De plus, pour certaines structures d'échange, le fait de les diviser en plusieurs modules espacés de quelques millimètres entre eux permet une communication entre canaux. Les principaux paramètres sont le nombre de modules de structures d'échange, l'espacement entre deux modules et le gradient thermique qui existe aux extrémités de chaque module.

Selon un aspect de l'invention l'onde d'échange classiquement utilisée est remplacée par plusieurs ondes d'échange de même type mais de hauteur d'onde plus petite ou par d'autres types d'ondes d'échange comme des tôles rainurées (voir Figures 5 à 7). Les ondes des Figures 5 à 7 peuvent avoir une conductivité thermique inférieure à celle des plaques et/ou être sectionnées pour former une série espacée de modules comme illustré dans la Figure 4. Les modules 17 peuvent être formés de la manière décrite pour les structures 15, 17 ou 19 des Figures 5B, 6B, 6C ou 7B.

La solution de la Figure 5B consiste à remplacer l'onde d'échange classiquement utilisée de la Figure 5A par plusieurs ondes d'échange 13 de même type mais de hauteur d'onde plus petite. Ces nouvelles ondes insérées dans un même passage de l'échangeur sont assemblées à l'aide de fines tôles recouvertes de brasure 13. Ces tôles appelées « tôle de surface tertiaire » constituent la surface ajoutée dite « tertiaire ». Dans l'exemple il y a deux tôles séparant trois ondes.

Tous les types d'ondes qui existent dans le commerce peuvent être utilisés en modifiant et adaptant uniquement la hauteur de l'onde. De ce fait, tous les paramètres qui constituent la géométrie d'un type d'onde sont ajustables (épaisseur, densité, perforation de l'onde,...). Les autres paramètres sont : la hauteur du passage, - le nombre d'ondes d'échange par passage, l'épaisseur de la tôle de la surface tertiaire (à priori égale à l'épaisseur de l'onde), la forme de la tôle de la surface tertiaire : pleine ou avec des perforations judicieusement positionnées. Pour cette technologie "multi-ondes", les diamètres hydrauliques sont de l'ordre de grandeur de la largeur du canal d'une onde classique (1/n-e).

On donne ici les gains en surface d'échange pour différentes hauteurs d'onde et par rapport à l'onde classique de densité n équivalente :

n* = nombre d'ondes sur la hauteur d'un passage (avec des épaisseurs de tôles de surface tertiaire de 0.2mm). w = I largeur d'un canal, h canal = hauteur d'un canal.

On se limite ici à des hauteurs de canaux (h canal) de 2 mm minimum

(pour des raisons de brasage).

A volume équivalent, l'augmentation du nombre d'ondes à empiler dans l'échangeur entraîne une augmentation du coût de fabrication de celui-ci. Le coût d'installation reste cependant le même. La solution de la Figure 6B consiste à remplacer l'onde d'échange classiquement utilisée de la Figure 6A par une onde structurée 17 comportant de nombreux mini-canaux 19 à section carrée. Cette onde peut être fabriquée par extrusion. La méthode de fabrication par extrusion permet d'imaginer tout type de forme de section de canaux (rectangulaires, triangulaires, ronds, en losange,...). La Figure 6C montre des canaux de section triangulaires.

Les principaux paramètres sont la hauteur du passage, le nombre de canaux par hauteur de passage, le nombre de canaux par mètre de largeur de passage et tous les paramètres qui concernent la forme géométrique des canaux utilisés (hauteur, largeur, diamètre du canal,...).

Cette méthode de fabrication permet également la possibilité d'insérer des micro ou mini ailettes à l'intérieur des canaux afin d'augmenter encore la surface d'échange et/ou de drainer un liquide. La longueur des canaux (longueur d'échange du fluide) peut être divisée en plusieurs modules d'ondes extrudées, espacés de quelques millimètres entre eux afin de permettre une communication entre canaux.

On distingue trois catégories de géométrie en fonction du diamètre hydraulique des canaux (D _h ) : - canaux tels que D _h soit de l'ordre de grandeur de la largeur des canaux dans les ondes classiques (w=1/n-e).

- canaux tels que D _h soit compris entre 200 microns et 1 mm (minicanaux).

- canaux tels que D _h soit inférieur à 200 microns (micro-canaux). Les gains en surface d'échange obtenus pour les 3 catégories citées ci- dessus sont les suivants :

Pour les canaux tels que D _h soit de l'ordre de grandeur de la largeur des canaux dans les ondes classiques (w=1/n-e), on donne ici les gains en surface d'échange (se) pour différentes hauteurs d'onde et par rapport à une onde classique de même hauteur et de forte densité n équivalente.

Pour les canaux tels que D _h soit compris entre 200 microns et 1 mm (mini-canaux), on donne ici les gains en surface d'échange (se) pour différentes hauteurs d'onde et par rapport à une onde classique de même hauteur et de forte densité n.

Pour les canaux tels que D _h soit inférieur à 200 microns (micro-canaux), on donne ici les gains en surface d'échange (se) pour différentes hauteurs d'onde et par rapport à une onde classique de même hauteur et de forte densité n.

La solution de la Figure 5B consiste à remplacer l'onde d'échange classiquement utilisée de la Figure 5A par un nombre adéquat de tubes capillaires. L'arrangement des tubes capillaires s'ordonne facilement du fait de leur forme. Les tubes capillaires sont recouverts de brasure afin d'assurer l'assemblage mécanique de l'ensemble.

Les paramètres ajustables sont la hauteur du passage, le diamètre des tubes capillaires, l'épaisseur des tubes capillaires ou encore le nombre de tubes capillaires par m ² .

On donne ici les gains en surface d'échange (se) pour différentes hauteurs d'onde et par rapport à une onde classique de densité équivalente. Dextest le diamètre externe du tube capillaire.

Dans chaque exemple le diamètre du capillaire correspond au diamètre maximal pour obtenir un gain en surface d'échange par rapport à la solution classique, un diamètre plus faible donnera un gain nettement plus important de surface d'échange.