Brevet FR2003748A1 — publié le 19691114

La présente invention a trait à un échangeur de chaleur du type à tubes et enveloppe, ctest-à-dire comportant un faisceau de tubes, soit du type recourbé en épingle à cheveux dans lequel les deux extrémités ouvertes de chaque tube sont connectées à une paroi porteuse, soit du type droit dans lequel les tubes sont con nedtés à leurs extrémités opposées à deux parois porteuses respectivement. La paroi porteuse ou les deux parois porteuses et leurs tettes creuses associées forment une ou plusieurs chambres pour l'admission dans ces tubes et l'évacuation à partir de ces tubes de l'un des fluides pressurisés. L'autre fluide est admis dans une autre chambre définie par la ou les parois porteuses et l'en- veloppe extérieur de ltéchangeur. Pour optimaliser les échanges de chaleur il est souhaitable de mettre en oeuvre autant de tubes que les parois porteuses peuvent en recevoir. I1 en résulte que les parois porteuses sont percées d'un grand nombre de trous logeant ces tubes, trous qui sont étroitement rapprochés les uns des autres. La paroi porteuse qui s'en trouve grandement affaiblie va tendre à se bomber sous les efforts pressants qu'elle subit de la part du fluide. Pour éviter cela, plusieurs systèmes ont été proposés, y compris celui consistant à faire les parois porteuses de plus grande épaisseur. En fait le vocable de "paroi porteuse" est maintenant considéré comme mal approprié, car l'épaisseur d'une telle paroi est souvent de l'ordre de 30 à 60 cm, et meme davantage, cela pour des questions de raideur. On a également propose' de réaliser la structure paroi porteuse avec tête creuse demi-sphérique associée sous forme soude. En outre la conception des échangeurs de chaleur s'est trouvée encore compliquée durait des contraintes thermiques induites dans les différents composants en cours de fonctionnement, car les deux fluides sont à leur entrée à des températures très différentes. Suivant les données de la présente invention, la partie centrale de la paroi porteuse est dépourvue de trous de passage de tubes et elle est de préférence découpée, de manière à donner à la paroi porteuse une forme annulaire. La tête creuse associée est de forme générale demi-toroidale, ctest-b-dire de forme annulaire à section droite demi circulaire, ayant un bord intérieur et un bord extérieur, rigidement fixés aux pourtours intérieur et extérieur respectivement de la paroi porteuse. La structure qui en résulte est hautement-rigide et est particulièrement résistante au "bombage" de la paroi porteuse, car celle-ci n'est soutenue dans sa partie centrale, ainsi que près de son pourtour extérieur, par la tête creuse ayant une certaine frigidité propre. En outre la partie centrale de la paroi porteuse peut etre découpée comme on l'a dà dit. Cette ouverture peut être utilisée pour le passage d'un conduit tubulaire d'amende de fluide; ce conduit est de préférence , quand on utilise des tubes droits, fixé à l'autre paroi porteuse, pour former ainsi une entrée de fluide disposée axialement. Les tubes sont disposés dans une chambre fermée par des coffrages tubulaires interne et externe; le coffrage interne est monté coaxialement audit conduit tubulaire et enveloppant celui-ci à une certaine distance, de façon à minimaliser les transferts indésirables de chaleur entre le fluide se trouvant dans la chambre des tubes et ledit conduit, et par là les contraintes thermiques corrélatives sur les composants associés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description ddtaillée qui suit, ainsi qu'à l'examen des dessins annexé dans lesquels - La Figure 1 est une vue en coupe longitudinale verticale; prise selon Ia--ligne I-I de la Figure 2, d'un échangeur du type à tubes et enveloppe, répondant aux données de l'invention. --La Figure 2 est une vue par le dessus de l'échangeur de la Figure 1. - La Figure 3 est une vue en coupe transversale prise selon la ligne III-III de la Figure 1 dans le sens ascendant -in- disque par les flèches. On se réfèrera maintenant aux dessin-s annexes. La Figure 1 représente un échangeur de chaleur 10 du type à tubes et enveloppe étcompgreana-uné -parof -porteuse. supérieure 12, une paroi porteuse inférieure 1 3-et-un. faisceau de tubes de forme générale rectiligne 14 dont les extrémités supérieures et inférieures traversent de façon étanche lesdites parois porteuses 12, 13 respectivement et sont portées par elles. Les parois porteuses 12, 13 sont percées d'ouvertures centrales 16, 18 respectivement, toutes deux de forme circulaire; lesdites parois porteuses ont leurs pourtour également de forme circulaire, et sont donc de forme annulaire. Une tette hémisphérique 19 creusée fait corps avec le pourtour extérieur de la paroi porteuse inférieure 13 du fait d'une liaison par un joint 20 soudé de façon continu sur toute la circonférence dudit pourtour ; la tette 19 coopère avec la paroi inférieure 13 pour former une chambre 21 qui est étanche à la pression régnante dans le fluide qui y circule et qui donne d'une part sur les extrémités inférieures ouvertes 14 a des tubes 14 et d'autre part sur ltouverture centrale 18. L'ouverture supérieure 16 est d'un diamètre légèrement supérieur à celui de ltouverture inférieure 18 et la paroi por- teuse inférieure 13 présente deux nervures annulaires coaxiales dressées verticalement 22, 23. La nervure 22, la plus grande est pratiquement de meme diamètre que Ltouverture 16; un coffrage tubulaire interne 25 de forme cylindrique disposé entre les parois 12, 13, fait corps à son extrémité haute avec le pourtour intérieur de la paroi 12, à son extrémité basse avec la nervure de plus grand diamètre 22. Un coffrage externe est constitue par un élément tubulaire 27 également de forme cylindrique et par un élément de fermeture inférieure 28 de forme hémisphérique, ces deux éléments étant-unws l'un à l'autre par un Joint soude pé-riphérique 29 réunissant les bords aboutés des deux éléments. Le coffrage 27 présente à sa partie haute une bride rentrante 30 qui peut titre fixée à la paroi porteuse 12 de n'importe quelle manière convenable, par exemple par boulons (non représentés > pour faciliter l'enlèvement en cas de besoin du coffrage interne et de toute la structure porteuse des tubes pour visite et entretien. la paroi porteuse supérieure 22 présente deux nervures annulaires coaxiales dressées verticalement 32, 33 et une tete yeuse 35, laquelle coopère avec la paroi supérieure 12 pour former --une' seconde- chambre à fluide 36. La toute 35 est de forme demi-torordale, les bords coupés de plus petit et de plus grand diamètre 37,38 de celle-ci, de formes circulaires coaxiales, faisant corps par des joints 39,39a soudés sur toute leur circonférence avec les nervures précitées 32, 33 respectivement de la paroi porteuse supérieure; la section droite radiale de la toute 35 est sensiblement demi-circulaire. En d'autres termes, la ddte 35 peut titre considérée comme un tore creux coupé par un plan perpendiculaire à l'axe de ce tore, son volume pouvant titre plus ou moins grand que celui d'un demi-tore suivant que ce plan de section est au-dessus ou au-dessous du plan de symétrie équatoriel du tore. La chambre 36 est donc de forme annulaire; dans le cas de la Figure elle est légèrement mais non nécessairement plus grande qu'un demi-tore, du fait de la hauteur propre des nervures 32, 33. Comme le montrent les Figures 1 et 2 la tette 35 est munie de deux ouvertures ou buses 40 diamé+ralement opposées donnant dans la chambre 36 et celle-ci à son tour donne sur les extrémités supérieures ouvertes 14b des tubes 14. Un conduit 41 de forme tubulaire droite allongée en direction verticale passe à travers l'ouverture 16 de la paroi porteuse supérieure 12 et, à son extrémité inférieure, fait corps avec la nervure 23 de la paroi porteur inférieure 13, par exemple au moyen d'un cordon de soudure. Le conduit 41 est de préférence de forme cylindrique et il est d'un diamètre sensiblementégal à celui de la nervure 23 ; il est donc d'un diamètre légèrement inférieur à celui du coffrage interne 25 et coopère avec celui-ci pour former un espace annulaire 42, fermé à sa partie basse mais ouvert sur ltatmosphère extérieure à sa partie haute. La paroi porteuse supérieure 12, les coffrages interne et externe 25, 27 respectivement et l'élément hémisphérique 28 de fermeture inférieure définissent une troisième chambre à fluide 43 ; le coffrage externe 27 est muni de quatre ouvertures ou buses dont deux supérieures 45 et deux inférieures 46 qui donnent sur la chambre 43. La chambre 43 renferme une cloison tubulaire interne 47 ou doublage enveloppant le faisceau de tubes 14 et stétendant depuis un niveau voisin de celui des buses supérieures 45 jusqu' un niveau inférieur à celui de la paroi porteuse inférieure 13. La partie basse 48 de la cloison 47 se termine contre l'élément hémisphérique de fermeture inférieure 28 et coopère avec celui-ci ainsi-qu'avec la toute creuse inférieure 19, pour définir un espace 49 resserré entre les deux parois hémisphériques. La cloison 47 est munie d'une part d'ouvertures convenables 50 faisant communiquer la chambre 43 avec les buses de sortie 46 d'autre part d'un certain nombre de plateaux annulaires 51 qui sont écartés l'un de l'autre en direction verticale, qui s'étendent depuis la cloison jusqutà une certaine distance du coffrage interne 25 et qui sont percés d'ouvertures 52 par lesquelles passent les tubes 14. De manière analogue le coffrage interne 25 est muni d'un certain nombre de plateaux annulaires 53, qui sont écartés l'un de l'autre en direction verticale, et à travers lesquels-passent les tubes 14.Les plateaux 52 et 53 alternent de manière à offrir au courant de fluide un chemin en chicanes passant et repassant plusieurs fois sur les tubes 14 et à favoriser ainsi les échanges de chaleur, à la manière bien connue de l'homme de l'art. Le coffrage externe 27 est en outre muni d'au moins deux plaques annulaires 54 formant cloisons écartées l'une de l'autre en direction verticale, rigidement fixées à ce coffrage, et, s'étendant radialement vers l'axe géométrique de celui-ci, pour enserrer à faible jeu la surface cylindrique extérieure de la cloison 47. Dans ces conditions les plaques annulaires 54, le coffrage externe 27 et la cloison 47 définissent un espace annulaire cylindrique resserré 56 logeant du fluide et s'éten- dant tout autour de la cloison 47. Des trous d'hommes 57-munis de tkap w e fermeture peuvent donner accès à la chambre 36, pour visite et entretien. En fonctionnement, un premier fluide pressurisé provenant de n'importe quelle source convenable (non représentée) par exemple un fluide chauffant, est amené par les buses d'entré 45 dans la partie haute de de chambre 43; ce-premier fluide circule suivant un trajet schématisé par les flèches en trait plein de la Figure, en passant autour des tubes 14 et à travers eux pour sortir finalement de la partie basse de la chambre 43 par les buses de sortie 46. D'un autre ctté un second fluide pressurisé provenant de n'importe quelle source convenable (non représentée) par exemple un fluide à échauffer, est amené de haut en bas par le conduit central 41 dans la chambre 21 ; ce second fluide circule suivant un trajet schématisé par les flèches en trait interrompu mixte, pour pénétrer par les extrémités ouvertes 14a des tubes 14, montésoà l'intérieur de ces tubes 14 dans la chambre supérieure 36 et finalement sortir de la chambre 36- par les buses de sortie 404 Durant ces circulations le fluide chauffant cède une partie de sa chaleur sensible au fluide à échauffer, puisque le premier est à une température plus élevée et qu'il sort refroidi. En sens opposé le fluide à échauffer reçoit ladite chaleur cédée par le fluide chauffant et sort échauffé. Les fluides peuvent etre des gaz ou des liquides ou des mélanges gaz-liquides, à la manière bien connue de l'homme de l'art. Mais l'invention est en particulier conçue pour permettre des échanges de chaleur entre liquides, à des températures relativement élevées. C'est ainsi par exemple que le liquide chauffant peut titre admis dans la chambre 43 à une température d'entrée del'ordre de 5930C et sous une pression absolue d'environ 2,1 kgp/ cm2 et titre retiré à une température de ltordre de 4540C, le liquide à échauffer étant de son côté admis dans la chambre 21 à une température d'entrez de l'ordre de 37l0C et sous une pression absolue d'environ 1,75 kgp/cm2 et retiré à une température de l'ordre de 5740C. Comme on-l'a mentionné initialement, le nombre et le calibre des tubes sont des facteurs importants à considérer pour déterminer la fonction d'échange thermique ; ii est souhaitable d'utiliser autant de tubes que les parois porteuses peuvent en recevoir dans les limites de sécurité, La Figure 3 montre un piquetage dé croix G- indiquant la distribution générale des tubes db faisceau, ainsi que le nombre et l'entraxe des trous -à percer dans la paroi porteuse 12 pour recevoir ces tubes. Ce piquetage est purement vindicatif, car le diamètre des tubes est un facteur à prendre en considération pour détentiner le nombre de tubes qui peuvent titre logés.Dans un exemple courant, le diamètre extérieur des tubes est de l'ordre de 12,7mm et l'entraxe des tubes d'environ 18,05 mm ce qui ne laisse entre les tubes que des parties pleines de 6,35 mm. I1 ne semble pas cependant que la rigidité de la paroi porteuse 12 (ou aussi bien de la paroi porteuse 13) soit notablement réduite par le grand nombre des trous étroitement rapprochés alors nécessaires. La rigidité des parois porteuses, c'est-à-dire leur résistance aux efforts de déflexion créés par la pression du liquide peut dtre maintenue dans les limites présentes de défile xion ou de fourbure en augmentant l'épaisseur de ces parois pour contrebalancer l'affaiblissement causé par les trous. Comme la paroi porteuse 13 est soutenue par sa toute creuse associée 19 d'une manière classique par son pourtour extérieur, cette paroi porteuse est d'une épaisseur plus grande que celle de la paroi supérieure 12. La paroi porteuse supérieure 12 et sa tette creuse demi-toroSdale associée forment dans leur ensemble une structure dont la rigidité et la résistance aux efforts de déflexion causés par le fluide pressurisé soht fortement accrues. Ce raidissement est obtenu par le soutien supplémentaire, proche du pourtour intérieur de la paroi porteuse autour l'ouverture centrale 16, apporté par le bord circulaire du diamètre le plus petit de la tette creuse 35. Donc et comme le montre la Figure la paroi porteuse 12 est d'épaisseur moins grande que celle de la paroi 13, et pourtant de rigidité équivalente ou supérieure à celle de cette paroi porteuse 13. Le coffrage interne 25 est en contact direct avec le fluide chauffant se trouvant dans la chambre 43, alors que le conduit 41 est en contact direct avec le fluide à échauffer arrivant. -Il existe donc entre ces deux éléments une grande différence de température qui pourrait éventuellement soumettre ces éléments à des surcontraintes thermiques dures. Mais le matelas annulaire intermédiaire d'air 42 entre les deux éléments étant en coununication directe avec f'Iov:re er;-t d'isoler ces deux éléments l'-un par rapport à l'autre, de façon simple et cependant efficace. Bien entendu cet effet d'isolation de l'espace intermé diaire 42 pourrait en cas de besoin, titre encore accru par l'utilisation d'un matériau ou bourrage isolant convenable quelconque disposé dans cet espace. En plus des dispositions déjà décrites, il y lieu de mentionner quten début de fonctionnement, les espaces resserrés 56 et 49 se remplissent d'une certaine masse de fluide chauffant, laquelle va demeurer stagnante, c'est-à-dire ne circulera pas librement durant la suite du fonctionnenent. Ce fluide stagnant a pour effet d'agir comme barrière tilermique, minimisant les pertes de chaleur vers I'atmosy,here et minimisant aussi les gradients thermiques qui autrement se produiraient entre les faces intérieur et extérieur du coffrage externe 27, et entre les faces intérieure et extérieure de l'élément hémisphérique de fermeture inférieure 28. En cas de besoin les tubes 14 peuvent ttre localement incurvés en 58, les tronçons correspondants étant de préférence de forme sinusordale, pour minimiser les contraintes exercées sur les parois porteuses 12, 13 et pour réduire aussi le gauchissement des tubes qui pourrait provoquer les dilatation en cours de fonctionnement, à la manière bien connue de lthomme de l'art. L'échangeur de chaleur ayant la structure qui vient entre décrite est par lui-meme efficace pour réduire dans les deux fluides les pertes de charges dues à leur circulation à travers l'dchangeur, du fait de la nouvelle structure proposée. I1 s'agit là d'un caractère important pour les échangeurs thermiques, en particulier dans le cas où les fluides sont des liquides. On observera d'autre part que l'invention propose un échangeur compact dans lequel une tette demi-toroSdale creuse fait corps avec une des parois porteuses des tubes, d'une façon qui accroît grandement la rigidité de cette paroi, ce qui permet de réduire l'épaisseur de cette paroi ou bien d'utiliser des pressions de fluides plus élevées sans avoir à accroltre l'épaisseur de cette paroi porteuse des tubes. On observera que l'invention propose un échangeur très perfectionné permettant d'assurer les transferts de chaleur entre deux fluides pressurisés, et en particulier entre deux liquides, en réduisant au minimum les contraintes thermiques exercées sur la structure. Bien entendu l'invention r'est pas limitée au mode de réalisation représenté et décrit qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur comprenant un coffrage tubulaire ouvert à l'une de ses extrémités au moins, une paroi porteuse disposée en travers de l'extrémité ouverte dudit coffrage pour définir une première chambre, un certain nombre de tubes disposés dans la chambre et fixés à la paroi porteuse, une tête collectrice montée sur la paroi porteuse et unie à celle-ci, pour former une se conde chambre communiquant avec lesdits tubes, des éléments dten trée permettant d'amener un fluide à ladite première chambre pour échanger de la chaleur à travers les tubes, des éléments de sortie permettant d'évacuer ledit fluide à partir de ladite premier. chambre, un élément pour diriger un autre fluide vers lesdits tubes, et des dléments de sortie permettant d'évacuer ledit second fluide à partir desdits tubes, caractérisé par le fait que ladite paroi porteuse est de forme annulaire et que ladite tette collectrice disposée sur ladite paroi porteuse est semi-toroTdale et recouvre la paroi porteuse annulaire. 2. Echangeur conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que le coffrage est ouvert aux deux extrémités, qu'une seconde paroi porteuse est disposée au voisinage de l'extrémité opposée du coffrage, et qu'une seconde tête eoîiectrice.est montée sur la seconde paroi porteuse et unie à celle-ci pour former une troisième chambre, ledit élément pour diriger un autre fluide vers lesdits tubes étant relié k la troisième chambre. 3o Echangeur conforme aux revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que ltéchangeur a une ouverture centrale et que ledit élément pour diriger un autre fluide auxdits tubes est un conduit passant à travers ltouverture centrale. 4o Echangeur conforme à la revendication 3, caractérisé par le fait que le coffrage tubulaire comprend une cloison interne et une cloison externe qui sont concentriques, et le conduit est disposé coaxialement i la cloison interne et relié à la seconde paroi porteuse. 5. Echangeur conforme à chacune des revendications 2 k 4, caractérisé par le fait que la première paroi porteuse est d'une épaisseur moindre que celle de la seconde paroi porteuse. 6. Echangeur conforme à chacune des revendications 1 k 5, caractérisé par le fait qu'il comporte une cloison tubulaire disposée b l'intérieur du coffrage et enveloppant les tubes, la cloison tubulaire et le coffrage coopérant pour définir au moins en partie un espace annulaire resserré qui permet d'accumuler et de faire stagner une certaine partie du premier fluide.