Brevet FR2003082A1 — publié le 19691107

L'invention est relative aux cylindres pour les échanges de chaleur à haute pression entre un milieu intérieur aux cylindres et un milieu extérieur auxdits cylindres. Un exemple de tels cylin dres est fourni par les cylindres Yankee utilisés dans les machines à fabriquer le papier. De tels cylindres sont alimentés par de la vapeur constituant le milieu chauffant et la chaleur doit être transferée à une nappe de papier passant sur le cylindre, en sorte que la nappe soit séchée. Des cylindres de ce genre sont faits en fonte moulée, d'une façon conteuse, car le moulage est souvent un échec etear les épaisseurs des parois latérales et terminales des cylindres doivent hêtre très importantes pour résister à de grandes pressions. Une diminution des épaisseurs des parois peut uniquement titre envisagée si, en même temps, la pression et par conséquent la température du milieu de transfert de la chaleur sont réduites.Afin d'éviter les grandes difficultés inhérentes au moulage des cylindres Yankee, on a proposé de souder des cylindres dacier. Compte tenu de la plus grande résistance de l'acie, on peut, avec des épaisseurs de parois comparativement réduites, travailler avec des pressions de vapeur atteignant 10 à 12kg/cm2, mais ces cylindres sont des copies soudées de cylindres moulés et on bénéficie uniquement de la plus grande résistance de laciez et non des autres avantages que les techniques modernes de soudage procurent. L'épaisseur du matériau nécessaire augmente non seulement avec la pression mais également avec le diamètre du cylindre, en sorte qu'un grand cylindre exige une plus grande épaisseur de matériau qu'un plus petit cylindre,même si ces deux cylindres travaillent avec la meme pression. Il est clair que les difficultés et les problèmes mentionnés ci-dessus ont gêné le développement des cylindres à haute pression et ltinvention a pour but de fournir un cylindre à haute pression dans lequel les contraintes et les efforts sur le matériau sont indépendants du diamètre du cylindre. Un cylindre,seesXon l'invention, pour les échanges de chaleur à haute pression,/caractérisé par le fait que la partie du cylindre qui transporte le milieu est constituée par des tubes qui sont soudés ensemble le long de génératrices, les axes des tubes s'appuyant sur un cercle. Â l'aide de raccords de tube appropriés, les extrémités des tubes sont reliées a' des chambres terminales ou analogues qui constituent respectivement l'entrée et la sortie du milieu de transfert de la chaleur et la surface extérieure du cylindre peut être tournée, taillée et polie, en sorte qu'elle ac-quiert les caractéristiques désirées.De cette façon, il est possible de produire des cylindres qui travaillent avec une pression de 1OOkgXcm2 et un tel cylindre, ayant un diamètre de 6 mètres et une largeur de trois mètres, a un poids qui ne dépasse pas 35 tonnes. Le soudage automatique moderne donne très peu de pores et méme s'il y a des pores, il est aisé de corriger cela par un soudage additionnel. Les tubes sont réalisés de la façon habituelle et ils peuvent être fournis avec des tolérances très étroites. Grace au fait que le milieu de transfert de la chaleur est uniquement dans les tubes, les joints de soudure ne sont soumis à aucune contrainte dépendant de la pression et, en outre, les joints de soudure n'ont pas d'influence sur l'étanchéité du cylindre.Pour la construction du cylindre, on peut utiliser des tubes ronds ordinaires, mais il peut dtre avantageux d'utiliser des tubes spécialementconçus à cet effet qui ont une surface courbe convexe et une surface courbe concave ayant le même rayon de courbure et étant diamétralement opposée à la surface convexe. La surface convexe d'un tube s'adapte alors dans la surface concave dcun tube adjacent et le meme type de tube peut être utilisé pour constituer des cylindres de différents diamètres. Entant donné qu'il y a ainsi des conduits s' étendant le long de la paroi latérale du cylindre, tous les points de la surface du cylindre ne sont pas équidistants des parois des conduits qui sont en contact avec le milieu de transfert de la chaleur (ceci s'applique particulièrement aux régions des joints de soudure)et, afin de compenser les différences de température qui interviennent par suite de cette disposition, du matériau ayant une meilleure conductibilité thermique que celle du matériau constituant les tubes peut être placé dans les joints de soudure. De cette façon, on réalise une meilleure distribution de la chaleur le long de la surface du cylindre. L'invention concerne par conséquent, principalement, un cylindre à haute pression pour les échanges de chaleur entre un milieu intérieur au cylindre et un milieu extérieur audit cylindre, par exemple des cylindres Yankee dans une machine à fabriquer le papier. Elle est caractérisée principalement par le fait que la partie du cylindre qui transporte le milieu a la forme d'une enve- loppe, ou d'un manteau, constituée par des tubes parallèles qui sont disposés axialement et qui sont maintenus ensemble de façon à former un cylindre, les extrémités des tubes étant respectivement reliées à une entrée et à une sortie du milieu de transfert de la chaleur. D'autres dispositions et particularités de l'invention seront définies par les revendications. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit et des dessins, lesquels complément et dessins sont bien entendu fournis à titre d'in- dication. La figure 1 de ces dessins montre en coupe un cylindre de chauffage constitué conformément à l'invention. Les figures 2 et 3 montrent en coupe une partie d'une variante du cylindre de la figure 1, constitué à l'aide de tubes ayant une forme spécialement adaptée à cet effet. La figure 4 montre en coupe une partie extérieure d'un échangeur de chaleur constitué conformément à l'invention. La figure 5, enfin, montre en coupe axiale un cylindre Yankee conforme à l'invention. Dans la figure 1, la partie du cylindre qui réalise les échanges de chaleur est formée par des tubes 1 qui sont disposés parallèlement à l'arbre 2' du cylindre, les tubes étant soudés ensemble de façon à former un manteau cylindrique. Avec les techniques de soudage modernes, les joints de soudure 2 peuvent être pratiquement sans pores et si des pores se trouvaient dans les joints de soudure 2 sur le c8té extérieur du cylindre, ces pores pourraient être supprimées par un soudage additionnel. Un cylindre réalisé conformément à l'invention peut subir un traitement de surface ayant pour but de lui donner le finissage désiré et il peut, par exemple, être poli et être utilisé comme un cylindre Yankee dans une machine à fabriquer le papier. Compte tenu du fait que la distance entre les trous 3 des tubes et la surface extérieur du cylindre varie le long de la circonférence du cylindre, le transfert de chaleur, à partir, par exemple, de la vapeur contenue dans les tubes, varie de façon correspondnnte. Le transfert de chaleur a ainsi une importance maximale quand ltépaisseur du matériau est minimale et il décrott régulièrement jusqu'à un plan radial disposé entre deux tubes et staccrott ensuite lorsque l'épaisseur du matériau devient moindre. Afin de compenser ce transfert de chaleur variable et-par.conséquent la température variable le long de la circonférence du cylindre, les joints de soudure 2 peuvent hêtre, selon l'invention, remplacés par un brasage ou d'autres méthodes de liaison qui rendent possible l'insertion, par exemple de cuivre et de bronze, indiquée en 4 et en 5 sur la figure 1. La section moyenne 4 en forme de coin peut ainsi être en cuivre et les sections latérales 5 en bronze. Compte tenu du fait que ces matériaux sont de bien meilleurs conducteurs de la chaleur que le matériau constituant les tubes 1, le flux de chaleur sera supérieur dans les sections dans lesquelles l'épaisseur du matériau est grande et on réalise ainsi une distribution plus régulière de la chaleur et de la température sur la face extérieure du cylindre.Toutefois, dans certains cas, l'agencement décrit ci-dessus peut s'avérer insuffisant pour donner une distribution de chaleur régulière et on peut alors améliorer encore la distribution de chaleur en constituant les cylindres comme montré aux figures 4 et 5 ainsi qu'on l'expliquera ci-après. Dans l'exemple montré à la figure i, des tubes en acier ordinaire sont utilisés, par exemple des tubes en acier étiré à brillant, qui sont disponibles avec des tolérances très étroites et aucun problème de fabrication ntintervient pour placer les tubes dans un calibre ou support afin de les souder ensemble, mais il peut être avantageux de disposer de tubes conçus spécialement pour l'utilisation exposée ici et un exemple de tels tubes est montré dans les figures 2 et 3. Ici, chaque tube a une partie plus épaisse A destinée à être usinée lorsque le processus de soudage du cylindre a été achevé. Sur deux côtés opposés, chacun des tubes montrés dans les figures 2 et 3 a respectivement des surfaces convexes et concaves qui sont réalises pendant la fabrication des tubes.La surface B du tube est convexe et la surface C, diamétralement opposée, est concave. Lorsque deux tubes sont placés à côté l'un de l'autre, la surface concave C s'adapte sur la surface convexe B et des tubes ayant un profil spécial peuvent titre utilisés pour la construction de cylindres de différents diamètres. Le cylindre de la figure 2 peut, par exemple, avoir un diamètre D alors que le cylindre de la figure 3 a un diamètre de D, Il peut dtre également avantageux, dans le cas des cylindres analogues à ceux qui sont montrés aux figures 2 et 3, de réaliser les liaisons extérieures en cuivre et en bronze afin d'augmenter la conductibilité thermique dans les régions qui ont été mentionnées ci-dessus, en référence à la figure 1.Un autre aspect de l'invention visant encore à améliorer la distribution de chaleur sur la surface extérieure du cylindre est montré àla figure 4. La figure 4 montre, à titre d'exemple, un échangeur de chaleur plan constitué par des tubes 1 ayant les profils décrits en référence aux figures 2 et 3. Sur la surface extérieure et sur la surface intérieure sont prévus des joints de soudure solides ou des perles et une épaisseur de matériau variable entrasse un-transfert de chaleur et une température variable sur la surface extérieure du manteau cylindrique formé par les tubes 1.Afin de permettre un transfert de grandes quantités de chaleur distribuées régulièrement vers, par exemple, une nappe de papier 6, le cylindre est, selon l'invention, entouré par une enveloppe extérieure 7 ayant un finissage de surface approprié et, entre l'enveloppe extérieure 7 et l'enveloppe cylindrique 1,2 d'échange de la chaleur, est prévue une couché d'huile 8 qui possède une bonne stabilité thermique et qui effectue le transfert de chaleur depuis 11 enveloppe cylindrique 1,2 à l'enveloppe extérieure 7, pour traiter la nappe de papier 6. La figure 4 montre simplement le principe de cette réalisation et, pour des conditions critiques, il peut être avantageux de constituer les joints de soudure de la figure 4 de la même façon que celle qui a été montrée en 4 et 5 à la figure 1. Un mode de réalisation avantageux est montré à la figure 5 dans laquelle un cylindre, par exemple un cylindre Yankee, est maintenu par des supports 9 dans lesquels il peut tourner. L'enveloppe extérieure 7 (voir figure 4) constitue la partie tournante et entoure une enveloppe cylindrique intérieure constituée,- comme il a été montré dans les figures 1, 2 ou 3, avec des tubes 1 soudés les uns aux autres et reliés, à leurs extrémités, à une chambre d'entrée 10 pour la vapeur et à une chambre de sortie 11 pour l'air et la condensation. L'espace entre les tubes 1 et-l'enveloppe extérieure 7 est rempli avec de l'huile 8 qui estfournie par un tube 12. Le tube 12 est relié à un réservoir d'huile ou analogue qui Un'est pas montré sur le dessin.L'espace entre ltenvelóppe extérieure 7 et les tubes 1 est, en outre, relié à un conduit d'air 13 et l'arbre central qui porte l'ensemble comporte une ouverture 15 permettant l'échappement de l'air vers l'extrémité gauche de l'arbre et l'admission de l'air suivant que le cylindre est chauffé ou refroidi. Une cloison de séparation 16 divise l'arbre t4 en deux parties en sorte que la vapeur qui est introduite en 17 pénètre dans la chambre d'entrée 10 par des tubes radint18.tpres être passée à travers les tubes 1, la vapeur parvient dans la chambre de sortie Il plus ou moins condensée et la condensation est évacuée, avec l'air introduit, par un tube 19. En constituant un cylindre de la manière qui a été illustrée à la figure 1 ou de la manière plus élaborée qui a été montrée à la figure 5, il n'est pas nécessaire de tenir compte de la pression de la vapeur en ce qui concerne la construction du cylindre et de ses supports, étant donné que la pression de vapeur qu'il est nécessaire d'avoir n'intervient que sur lesdimensions des tubes. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS -1.- Cylindre pour les échanges de chaleur à haute pression entre un milieu intérieur au cylindre et un milieu extérieur audit cylindre, notamment cylindre Yankee pour machine à fabriquer le papier, caractérisé par le fait que la partie du cylindre qui transporte le milieu a la forme d'une enveloppe qui est constituée de tubes parallèles qui sont disposés axialement et qui sont reliés ensemble en sorte qu'ils forment un cylindre, les extrémités des tubes étant respectivement reliées à une entrée et à une sortie du milieu de transfert de chaleur. 2.- Cylindre selon la revendication l,caractérisé par le fait que la partie du cylindre qui transporte le milieu est suspendue en sorte qu'elle puisse tourner et a une surface extérieure dont le finissage est tel qu'elle constitue la surface active du cylindre. 3.- Cylindre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la partie du cylindre qui transporte le milieu est immo bil et est entourée par une enveloppe cylindrique extérieure qui est suspendue de façon à pouvoir tourner, un autre milieu tel que, par exemple, de l'huile étant disposé entre l'enveloppe cylindrique extérieure et la partie qui conduit le milieu. 4.- Cylindre selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé par le fait que chaque tube comporte, sur deux côtés diamétralement opposés et suivant toute sa longueur, une surface convexe et une surface concave ayant même rayon de courbure 5.- Cylindre selon l'une quelconque des revendications pré édentes, caractérisé par le fait que les tubes ont, sur une partie qui est disposée entre les deux côtés susmentionnés, une épaisseur plus grande qui constitue une couche de travail expansible pour le finissage de la surface du cylindre. 6.- Cylindre selon itune quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'au moins ceux des joints de soudure qui sont disposés du côté extérieur du cylindre sont remplis avec du matériau ayant une meilleure conductibilité thermique que celle du matériau constituant les tubes.