Brevet FR2003749A1 — publié le 19691114

D^ns différents domaines de la- technique, principalement dans celui de lrindustrie chimique et des industries apparentées, des liquides on des gaz doivent souvent être répartis suivant un certain rapport entre plusieurs onvertures ou tuyaux disposés parallèlement. Tel peut être le cas, par exemple, pour des tubes é changeur s de ch.'-...eur, pour des colonne? et pour certains appareils de réactions. La formule : f = yx r 2gh 10 permet le discerner quels sont ici les facteurs importants. Si l'on tient compte le la olgnification suivante affectée aux divers symboles ie cette formule, f = section de passage (d'une ouverture ou d'un tuyau) en m2 a = quantité débitée en m3/s 15 y = coefficient de résistance globale (dû à la contraction, au frottement, aux coups de bélier, etc.) h = pression de refoulement en m de colonne de liquide Y 2g = 4j43 = constante il ressort qu'un fluide peut être uniformément réparti sur plusieurs ouvertures de passage s'il règne partout, en amont de ces 20 ouvertures de passage présentant toutes une même section individuelle, une égale valeur de pression du-fluide et, aussi par ailleurs, de mêmes conditions en ce qui concerne l'influence sur le coefficient de résistance globale. Toutefois, il n'en ■-st pas toujours ainsi. Des inégalités 25 dans les pressions de refoulement peuvent provenir de différences de longueur dans les parcours d'amenée entre une source de pression (pompe, turbine, etc.) et chacune des sections de passade et/ou de différences d?ns l'importance de la résistance à l'écoulement d-?n~ chacun des parcours d'amenée. De telles con— 30 ditions interviennent, par exemple dans le cas d'appareils de réactions comportant un faisceau de tubes, auquel cas un produit échangeur ie ch?le--r destiné à assurer une alimentation uniforme de t ous les tuyaux est dirigé perpendiculairement à ceux-ci au voisinage de leur extrémité et parallèlement à ceux-ci dans la 35 zone intermédiaire. Dans ces conditions, on a disposé, entre les zones voisines des tuyaux qui sont parcourues transversalement par le fluide échangeur de chaleur et celles qui le sont longitudinalement, des plaques de répartition dont les sections de passage sont dimensionnées proportionnellement à la pression BAD ORIGINAL 69 07037 9 2003749 de refoulement aux emplacements intéressés. Il s'agit, selon l'invention, de résoudre d'une autre manière, le problème énoncé ci-dessus tiare e qu'il n'est pas toujours +r~s simple et av^rt-ageux, pour obtenir une répartition uniforme 5 ou tout au moins prédéterminée d'un fluide en circulation, de prévoir poiir des ouvertures de plaques ou pour-des tuyaux différentes sections de traversée. L'invention consiste en ce que les ouvertures sont constituées, avec la même section minimale, de façon différente du cô-10 té d'entrée, de telle manière que la section de projection soit influencée par le coefficient de résistance totale, en tenant compte de 1? pression régnant à lhndroit èn question, dans le sens d'une quantité de passage désirée. On peut, de cette manière exécuter tout d'abord semblables 15 toutes les ouvertures d'une plaque ou utiliser des tubes partout identiques, ce qui est souvent avantageux déjà pour des questions de technique de fabrication. En outre, précisément par les faibles échelonnements, la détermination des différentes quantités élémentaires, au moyen du coefficient de résistance dépendant du 20 profil d'entrée de chaque ouverture ou de chaque tube, est avantageuse. La grandeur du coefficient de résistance peut être déterminée de façon relativement simple par le calcul ou par des essais, en fonction des facteurs qui sont pour lui déterminants„ Suivant les conditions données, les différences bien défi-25 nies de la pression minimale peuvent être d'une importance essentielle pour les divers profils à donner aux ouvertures, côté entrée. En outre, l'idée de l'invention petit être réalisée tant -?vec des ouvertures dans un plateau qu'également avec des ouvertures dans des bouchons disposés à l'extrémité d'entrée des tubes 30 et ceci de telle manière qu'elles soient, côté entrée, de plus en plus évasées en forme d'entonnoir à mesure qu'on va de la. zone cl ' avant-pression relativement la plus élevée vers les autres zones, ceci en fonction de la chute de pression et pour former un jet de section croissante. 35 ' Le cas échéant, il peut être avantageux que les ouvertures soient, en outre, différemment profilées côté sortie. De même, le frottement qui intervient aussi pour une part dans le coefficient de résistance globale, peut .être modifié, en l'occurrence en faisant varier la. longueur des ouvertures de traversée cylin- bad original 69 07037 2003749 driques (par exemple, insertion de douilles, bouchons en tissus de différentes longueurs, etc.). A titre d'exemples, l'objet de l'invention est représenté suivant divers modes de réalisation aux dessins annexés. 5 La fig. 1 montre en coune longitudinale verticale, suivant la ligne I-I de la fig. 2, une partie d'un échangeur de chaleur comportant un faisceau de tubes parallèles 1 oui vont d'une plaque supérieure 2 à une plaque inférieure de même rôle et non représentée. Un peu au-dessous de la plaque supérieure 2 10 et parallèlement à celle-ci, par conséquent perpendiculairement aux tubes, est disposée une plaque 3 qui enserre hermétiquement les tubes mais qi^i présente, entre ceux-ci, un certain nombre d'ouvertures de traversée, désignées en groupes 4» 5> 6 qui sont dispos'ées comme les tubes et en rangées parallèles à ceux-ci. 15 Une plaque corresDondante, non représentée, peut se trouver un peu au-dessus de la plaoue inférieure* Des flèches A et B désignent les directions d'écoulement d'un fluide échangeur de chaleur qui est amené dans la zone supérieure de l'extrémité des tuyaux 1 et perpendiculairement à 20 ceux-ci et transporté ensuite, après écoulement au travers de la plaque 2, le long de ceux-ci. La fig. 2 représente ■une coupe horizontale, suivant la ligne II-II de la fig. 1, c'est-à-dire entre la plaque 2 et la plaque répartitrice 3. On voit ainsi que les tubes 1, de même 25 que les ouvertures de traversée ménagées dans la plaque 35 sont disposés par rangées orientées perpendiculairement à la direction d'arrivée A du fluide échangeur de chaleur et alternées suivant un décalage en quinconce. C'est pourquoi, en pratique, plusieurs rangées successives, deux par exemple, peuvent être rassemblées 30 en des groupes communs 4, 5 dans la zone desquels régne, pour chacun d'eux, du côté de l'admission, une pression sensiblement égale. En dedans de chaque groupe, les ouvertures de traversée sont toutes d'un profil identique, tandis que d'un groupe à l'autre, ce profil est différent. 35 La fig. 3 permet de distinguer, à une assez grande échelle et pour une présentation correspondant à celle de la fig. 1, ces différences existant d'un groupe à l'autre dans les ouvertures de traversées 4, 5» 6 ménagées dans la planue 2. Les ouvertures de traversée 4 des deux premières rangées, qui sont atteintes, - N > i g,t\D ORIGINAL 69 07037 + 2003749 en premier lieu et avec la pression relativement la plus forte, par l'arrivée du fluide échangeur de chaleur présentent à leur entrée un orifice 7 à bord vif. Il s'ensuit que la section du jet est rétrécie relativement fortement par rapport au dia-" 5 mètre d, partout égal de ces ouvertures. Les ouvertures 5 des deux rangées suivantes présentent à leur entrée, pour un même diamètre de sortie d, un léger évaseraient en entonnoir 8 d'où une section du jet un peu moins fortement rétrécie que précédemment. 10 Dans les deux dernières rangées, les ouvertures 6, où le f luide échangeur de chaleur parvient en dernier lieu, par le parcours relativement le plus long et sous la pression relativement la plus faible, après avoir dû vaincre, en raison de la traversée de tous les tubes précédents, la résistance la plus 15 forte, présentent, à leur entrée, et toujours pour un même diamètre de sortie d, un évasement 9 en entonnoir encore plus important et qui finit presque à la section terminale de l'orifice côté sortie. Il s'ensuit que la section du jet s^ n'est que d'un diamètre à peine inférieur au diamètre d. 20 L'importance de ces différences dans le profilage des ouver tures de traversée est que dans la zone de la plus grande pression sur la face d'entrée, pression désignée par h dans la formule précitée, et de la plus grande vitesse de passage qui en résulte, la section du jet est si fortement réduite que la quanti-25 té de fluide échangeur de chaleur circulant par unité de temps est exactement aussi grande que dans les autres zones où régnent côté entrée des pressions plus faibles et, en conséquence, des vitesses de passage inférieures mais où, pour cette raison même, les sections des jets sont plus importantes. 30 Dans la réalisation représentée, les différences de profil du côté d'entrée, entre les divers groupes 4, 5, 6 d'ouvertures de traversée, sont particulièrement grandes afin de permettre de mieux comprendre le sens et la portée de l'invention. En réalité, il ne s'agit normalement que d'écarts relativement minimes 35 parce que les différences de pression de refoulement ne sont elles-mêmes qu'assez faibles et qu'il suffit, par conséquent, d'une correction relativement faible par le coefficient global de résistance. C'est précisément pour cela que l'agencement proposé, conformément à l'invention, non seulement permet une BAP ORfG?rJAL 69 07037 2003749 simplification relative des calculs mais qu'il est aussi particulièrement simple et donc avantageux pour llutilisation pratique du fait que, rmur l'exécution de toutes les ouvertures de passage et en raison de leur section minimale toujours égale, on 5 peut utiliser le même foret. L'opération d'usinage usuelle qui suit pour améliorer les coefficients de résistance par ébavurage, lissage et, le cas échéant, fraisage des bords ou surfaces, peut être utilisée en même temps pour influencer différemment les coefficients de ré-10 sistance. La fig. 4 représente de la même manière que la fig. 3, une autre disposition dans laquelle les tubes 10 qui, cette fois encore, débouchent par leur extrémité supérieure dans une plaque 11 passent par les ouvertures de traversée 12, 13 et 14 de la 15 plaque répartitrice 15. Ces ouvertures de traversée sont d'un diamètre d, c'est-à-dire d'un diamètre minimal, un peu supérieur à celui des tubes, de manière à réserver autour de ceux-ci un espacement annulaire de même largeur ou largeur minimale dans la zone de tous les tubes. 20 Par contre, dans cette disposition aussi, les ouvertures de traversée sont profilées différemment du côté d'entrée et, en fait, en parfaite concordance avec la disposition précédente, c'est-à-dire dans la zone atteinte en premier lieu par le fluide échangeur de chaleur arrivant transversalement dans la direction 25 indiquée par la flèche A, les ouvertures de traversée comportant un bord 16 essentiellement non chanfreiné et dans la zone immédiatement voisine, elles comportent un évasement 17 relativement petit, en forme d'entonnoir et, enfin, dans la dernière des trois zones, elles comportent un évasement en entonnoir 18 30 peu important. Ici aussi, les différences de profil entre les divers groupes d'ouvertures de traversée sont à dessein représentées comme étant plus importantes que ce n'est réellement le cas, de manière à faciliter la compréhension. Les fig. 5 et 6 montrent, la première,en coupe longitudina-35 le verticale, plan suivant la ligne Y-Y de la fig. 6, la seconde, en plan, un autre exemple de réalisation. Il s'agit, ici, de la répartition d'un liquide circulant dans la direction de la -flèche A et devant franchir un barrage 19, entre plusieurs tubes 20 indentiquement dimensionnés, situés derrière ce bar- - ■ - y 1AD ORIGNAL 69 07037 6 2003749 rage en rangées parallèles à celui-ci et qui traversent un plateau horizontal 21 dans lequel ils sont soudés. Dans les extrémités supérieures de ces tubes, en saillie au-dessus de ce plateau jusqu'à un niveau inférieur à celui du haut du barrage, 5 sont enfilés des "bouchons 22, 23, 24 présentant tous une même section minimale de traversée nais différemment profilés du côté entrée. Ces différences résident, là encore, selon l'invention, dans le fait que, compte tenu du niveau 25 du liquide, niveau qui va en s'abaissant quelque peu d'une rangée de tubes à la 10 suivante dans la direction d'écoulement A et en aval du barrage 19 et compte tenu, également, de l'abaissement concomitant des hauteurs de pression statique h^, h2, hles bouchons 22 des deux premières rangées de tubes présentent, à un certain niveau, une section minimale allant jusqu'au bord d'entrée, tandis qu'à 15 leur entrée les bouchons 23 des tubes des deux rangées suivantes présentent un léger évasement en entonnoir et les manchons 24, des tubes des deux dernières rangées, un évasement en entonnoir plus important, qui peut même être déjà réalisé par fraisage à la fraise conique ou par cdétourage au tour pour évaser 20 les bords d'entrée. Du côté sortie, tous les bouchons présentent un évasement en forme de diffuseur, de manière à réaliser une transition avantageuse au point de vue de l'écoulement, de la section-minimale de traversée jusqu'à la plus grande section libre de l'intérieur 25 des tubes. Ces évasements ménagés côté sortie peuvent aussi, le cas échéant, être diversement profilés pour en influencer le coefficient de résistance globale dans le sens de la répartition envisagée pour le liquide ceci en complément du profil donné au côté entrée des ouvertures de traversée. 30 L'invention n'est pas seulement applicable à la répartition régulière d'un fluide en écoulement dans le cns de pressions inégales du côté entrée, mais aussi dans le cas inverse, c'est-à-dire pour obtenir une répartition inégale, dans une mesure déterminée, d'un fluide en écoulement pour des pressions de refou-35 lement égales du côté entrée ou tout au moins ne correspondant pas à la répartition désirée. B«P:ORfâlfcïAL ' 69 07037 2003749 RSTEliSICAÏIOMS 1 - Dispositif pour la répartition de fluides en' circulation, dans un rapport déterminé et entre plusieurs ouvertures de traversée, en nnont desquelles régnent des pressions d'importants ce différente, caractérisé en ce que les ouvertures 4, 5j 6» 12, 13, 14 sont, pour une même section minimale, différemment profilées côté entrée, de telle manière que la section du jet s^ , , s, soit influencée dans le sens d'un débit désiré par l'intermé-—3 diaire du coefficient de résistance globale Ji et compte tenu de 10 la pression régnant dans 1? zone en question. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, cractérisé en ce que les différences bien définies de la pression minimale sont déterminantes pour les divers profils à donner aux ouvertures côté entrée. 15 3 - Dispositif suivant l'une des revendications- 1 et 2, ca ractérisé en ce que les ouvertures 4» 5» 6, 12, 13» 14 se trouvent dans un plateau 2, 15. 4 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ouvertures de trouvent dans des bouclions 20 22, 23, 24 disposés à l'extrémité d'entrée de tubes 20. 5 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les ouvertures 4» 5» 6, 12, 13» 14 sont de plus en plus évasées en forme d'entonnoir du côté entrée, à mesure qu'on va de la zone d'avant-pression relativement la plus 25 élevée, vers les autres zones, en fonction de la chute de pression dans le sens d'une section de jet croissante , s^,» £3 6 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5» caractérisé en ce que les ouvertures sont, de plus, différemment profilées côté sortie. 30 7 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 6, ca ractérisé en ce av. * on l'applique à la répartition d'un liquide, dans le cas d'échangeurs de chaleur tubulaires, de colonnes ou d'autres appareils analogues.