Brevet FR2009314A1 — publié le 19700130

i. 2009314 La présente invention concerne d'une façon générale les échangeurs de chaleur et en particulier un échangeur de chaleur pour un générateur de vapeur comprenant des tubes pour le passage des gaz à liaute température et se trouvant dans une section 5 de liquide et traversant la paroi de cette section à travers des manchons à travers lesquels une circulation d'eau est établie à partir de la section de liquide. Un inconvénient des chaudières classiques à tubes à fumée est 1'endommagement des tubes au voisinage de la surface du 10 liquide du fait de la dilatation thermique irrégulière à cet endroit. De plus, les tubes à fumée subissent aussi des contraintes thermiques excessives aux endroits de fixation aux plaques de la section de liquide. les inconvénients des chaudières classiques sont évités 15 conformément à la présente invention par une nouvelle construction d*échangeur de chaleur ou de chaudière, suivant laquelle' les tubes à fumée traversent la pai'oi de la section de liquide à travers des manchons dans lesquels est établie une circulation d'eau à partir de la section de liquide, la circulation d'eau 20 dans ces manchons est une circulation naturelle à travers un conduit de descente passant à l'extérieur de la chaudière et ensuite à travers les manchons pour revenir dans la section de liquide de la chaudière. De plus, les tubes à fumée sont courbés à l'intérieur de la section pour permettre leur dilatation 25 et leur contraction thermiques. la présente invention a par suite pour objet un échangeur de chaleur perfectionné comportant un corps ou section de liquide avec une paroi traversée par plusieurs manchons dans lesquels les tubes à fumée passent pour remonter à travers la 30 section de liquide, du liquide de cette section circulant à l'extérieur à travers un conduit vers les manchons pour établir une circulation naturelle à travers les manchons et autour des tubes à fumée. l'invention a aussi pour objet un générateur de vapeur 35 comportant un corps avec une section de liquide avec un dispositif pour collecter la vapeur à l'extrémité supérieure, et comprenant une paroi inférieure traversée par plusieurs manchons, un tube à fumée passant à travers chaque manchon et ayant 'une certaine courbure à l'intérieur de la section de li-4-0 quide pour sortir à travers l'extrémité supérieure du corps, le 69 17956 2. 2009314 générateur comportant un dispositif pour diriger les gaz à haute température à travers des tubes à fumée et un dispositif pour faire circuler du liquide de la section de liquide à travers les manchons et autour des tubes à fumée. 5 L'invention a aussi pour objet un échangeur de chaleur ou un générateur de vapeur simple, robuste et d'une fabrication économique » Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exem-10 pie, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : Pigs. 1 à 4 sont des coupes schématiques verticales de plusieurs types de chaudières suivant des techniques antérieures, et Fig. 5 est une coupe verticale schématique d'une chaudière 15 à tubes à fumée suivant un mode de mise en oeuvïe "de l'invention. Les figs. 1 à 4 représentent schématiquement différentes chaudières suivant les techniques antérieures dans lesquelles le premier tube ou les, tubes "b" peuvent être endommagés par la 20 chaleur au voisinage de la surface de l'eau. Les tubes à fumée et les plaques à tubes sont aussi sujets à 1'endommagement du fait de la différence de la dilatation thermique entre les tubes et le corps de la chaudière. Des contraintes thermiques excessives existent dans les parties où les tubes sëirt raccordés 25 à une partie épaisse du corps ou de l'enveloppe de là chaudière. Bien que la chaudière de la fig. 3 soit relativement à l'abri de 1 *endommagement par la chaleur, elle est sujette à l'endommagement du fait des différences de dilatation thermique et de plus la structure est relativement compliquée et d'une"fabrica--30 tion coûteuse. La chaudière de la fig. 4» bien que résistant à 1'endommagement par la chaleur et pouvant aussi supporter en partie les différences de dilatation thermiques, reëte cependant sujette à des contraintes thermiques excessives dans les parties dans lesquelles les tubes à fumée sont fixés à la paroi 35 épaisse formant la section de liquide. Par suitè, les différentes chaudières classiques représentées sur les figs. 1 à 4 ne sont pas satisfaisantes pour constituer les chaudières haute pression fonctionnant avec des gaz à haute température, et de plus ces types ne conviennent pas pour une chaudière démarrée 40 sans charge, parce que 1'endommagement des tubes à fumée, dès 69 17956 3. 2009314 plaques à tubes et des autres éléments peuvent être endommagés entraîne une usure rapide et la mise hors service de la chaudière. la fig. 5 représente une chaudière selon l'invention du 5 type à tubes à fumée verticaux comportant une enveloppe de forme générale cylindrique 1 se terminant à l'extrémité supérieure par une partie à dôme 2. L'eau arrive à travers un conduit d'alimentation 3 qui pénètre dans le dôme et qui est raccordé à un tube vertical 4 descendant à peu près à mi-hauteur 10 dans un conduit de descente 5« Ie conduit de descente 5 est supporté à l'extrémité supérieure par un support 6 et à la partie inférieure par une plaque 7 formant le fond de l'enveloppe 1. L'extrémité inférieure du conduit de descente 5 comporte, des fentes ou ouvertures longues verticales 8 assurant 15 la communication avec la section de liquide. Les gaz à haute température arrivent par un conduit 10 dans une chambre d'entrée-9 située en dessous de l'enveloppe de chaudière 1. Des manchons tubulaires 12 sont distribués cir-culairement autour du conduit de descente 5 entre le fond 7 de 20 l'enveloppe de la chaudière et une plaq.ue mince 11 de la chambre à gaz 9. L'extrémité inférieure de chaque manchon 12 est fixée à la plaque 11 par l'intermédiaire d'un distributeur circulaire 13 horizontal. Suivant une caractéristique de l'invention, du liquide 25 circule de l'intérieur de l'enveloppe 1 à travers un conduit extérieur 14 et des conduits horizontaux 15 vers les distributeurs 13 • Les tubes à fumée ou tubes pour les gaz à haute température 16 débouchent à leurs extrémités inférieures dans la boîte 30 à fumée 9, et ces tubes traversent les manchons 12 vers l'intérieur de l'enveloppe 1 de la chaudière pour traversér la section de liquide avec des formes hélicoïdales. Les tubes 16 ont une forme hélicoïdale autour du conduit de descente 5, et leurs extrémités supérieures traversent des manchons tubulaires 35 17 ayant des extrémités inférieures 17' annulaires fixées aux tubes, ces manchons traversant la partie arrondie de l'enveloppe et étant soudés à cette partie. Les tubes à fumée 16 débouchent à leurs extrémités supérieures dans une boîte d'échappement des gaz 18 situés à l'extérieur de l'enveloppe 1 de la 40 chaudière. 69 17956 4. 2009314 Un support métallique 19 maintient les tubes à fumée 16 dans les positions voulues à l'intérieur de l'enveloppe 1. le dôme 2 contient un séparateur de vapeur d'eau et d'eau 20 et un second séparateur supérieur central 21. le niveau normal du li™ 5 quide est indiqué en 23. la chaudière décrite ci-dessus fonctionne de la façon suivante. l'eau arrive à travers le Conduit d'alimentation 3» le tube intérieur 4 et le conduit de descente 5 pour passer à travers les fentes 8 à l'intérieur de l'enveloppe 1 de la chaudière. 10 les gaz à haute température et haute pression arrivent à travers le conduit 10 dans la chambre d'arrivée des gaz 9 pour être distribués dans les tubes à fumée 16. les gaz remontent à travers les tubes à fumée 16 et sont collectés dans la chambre ou boîte à fumée 18 située à l'extérieur de l'enveloppe de la chaudière 15 et à l'extrémité supérieure de celle-ci. Le passage des gaz à travers les tubes à fumée situé à ^intérieur de l'enveloppe 1 chauffe l'eau pour engendrer de la vapeur d'eau, la vapeur produite par le chauffage par les gaz traversant les tubes 16 traverse les séparateurs d'eau 20 et 21 pour échapper à travers la 20 canalisation de vapeur 22. les gaz refroidis à leur passage à travers les tubes à fumée 16 échappent à travers la boîte à fumée 18. Une partie de l'eau contenue dans l'enveloppe 1 de la chaudière passe à travers le conduit intérieur 14 et les conduits horizontaux 15 vers les distributeurs 13 et les man-25 chons 12 dans lesquels cette eau est chauffée par les gaz traversant la partie inférieure des tubes 16. Ce chauffage provoque l'ascension de l'eau à travers les tubes 12, ce qui établit -une circulation ascendante à travers ces manchons, et par suite une circulation vers le bas à travers le conduit extérieur 14, 30 c'est-à-dire une circulation naturelle. Un avantage particulier de la construction selon la présente invention est que les tubes à fumée 16 ne sont pas fixés directement à la plaque épaisse 7 du fond de l'enveloppe de la chaudière, mais sont fixés par l'intermédiaire des distribu-35 teurs circulaires 13 des manchons 12 à la plaque mince supérieure 11 de la chambre d'arrivée des gaz 9. Par suite, bien que la plaque de fond 7 soit relativement épaisse pour supporter les hautes pressions de la chaudière, elle n'est pas affectée par la chaleur des gaz à haute température traversant les tubes à fumée 40 16. De plus, comme les parties des extrémités d'entrée des tubes 69 17956 5 2009314 16 sont directement refroidies par l'eau circulant d'elle-même à travers les manchons 12, ces parties des tubes sont elles aussi bien protégées. De plus, bien que chaque tube à fumée 16 soit fixé à ces 5 deux extrémités, il est enroulé en hélice allongée à l'intérieur de l'enveloppe 1 de la chaudière, de sorte qu'il n'y a pas de contraintes excessives aux extrémités fixées de ce tube parce que la dilatation thermique des parties intermédiaires de'ces tubes du fait des variations des conditions thermiques 10 dans la chaudière est libre, la dilatation et la contraction des tubes 16 est possible du fait de leur forme hélicoïdale sans qu'il en résulte de contraintes excessives aux points de fixation. Par suite, il n'y a pas de risque d*endommagement même dans les conditions sévères telles que le démarrage de la 15 chaudière sans charge extérieure. Un autre avantage de cette disposition hélicoïdale est que cette hélice allongée permet le nettoyage de l'intérieur des tubes à fumée en utilisant des appareils classiques, bien que les tubes puissent avoir des rayons différents. Cette construc-20 tion permet de varier librement la longueur des tubes aux différentes positions et d'égaliser les pertes par refroidissement des gaz de tous les tubes par un choix approprié de la courbure des différents tubes à feu. De plus, cette forme hélicoïdale permet de réduire la longueur totale d'encombrement des tubes 25 et par suite les dimensions de l'enveloppe 1 de la chaudière. Cela permet de réduire les pertes de pression et permet aussi une augmentation de la vitesse d'écoulement à travers les tubes et par suite un refroidissement rapide quand l'appareil est utilisé comme échangeur de chaleur pour refroidir un gaz. 30 Suivant un mode préféré de l'invention, les manchons tubu laires 12 traversent la plaque de fond 7 et se terminent à une certaine distance de celle-ci, ce supplément de longueur étant suffisant pour assurer des conditions convenables d'écoulement à travers le conduit extérieur 14 et les conduits horizontaux 35 15 pour la circulation ascendante à travers les manchons 12 de façon que la circulation à la sortie soit séparée de la circulation à l'entrée. Sn outre, les manchons 12 s'étendent vers le bas à partir du fond 7 et sont raccordés à leurs extrémités inférieures aux .40 distributeurs ci^etdTaires 13. Ces distributeurs 13 sont fixés 69 17956 6. 2009314 à la paroi supérieure 11 de la chambre à gaz 9 qui peut se trouver par exemple directement à côté de l'enveloppe 1 de la chaudière "cour la remontée des gaz à haute température à partir du fond de 1*enveloppe de la chaudière. Cette disposition impose 5 moins de limitation du point de vue de l'installation, et permet de réduire le prix de revient. De plus, aucune résistance n'est opposée aux gaz passant de la chambre à gaz 9 dans les tubes à fumée. Ainsi qu'il ressort de la description de la chaudière ci-10 dessus, la présente invention permet de réaliser un échangeur de chaleur combiné de façon eue le fluide, tel que l'eau d'une chaudière, circule de l'intérieur de l'enveloppe de l'échangeur à travers plusieurs manchons traversant la paroi de cette enveloppe et dépassant à l'intérieur de celle-ci. La construction 15 est telle rue les tubes à feu ou les tubes traversés par des gaz à haute température passent à travers ces manchons sans être directement en contact avec la paroi de l'enveloppe de l'échangeur, en traversant au contraire une paroi extérieure formant l'extrémité de la chambre d'arrivée des gaz chauds. Les 20 manchons dépassent vers le bas de la paroi formant le fond de l'enveloppe de l'échangeur de chaleur, telle qu'une chaudière, et le liquide ou le fluide traversant les manchons est chauffé par les tubes à fumée ou les tubes à gaz chauds pour établir une circulation ascendante naturelle se terminant à l'intérieur 25 de l'enveloppe avec sortie à travers un conduit de descente raccordé aux extrémités inférieures des manchons. La circulation naturelle ainsi établie est suffisante pour assurer un refroidissement convenable des tubes à fumée. Cette disposition permet une construction extrêmement simple à un prix de revient 30 réduit. Ces caractéristiques ainsi que d'autres caractéristiques de l'appareil, parmi lesquelles la sécurité thermique élevée, augmentent la valeur pratique de l'appareil. La présente invention concerne de même une disposition hélicoïdale das tubes à fumée dans la section de l'appareil 35 contenant l'eau, cette disposition permettant la dilatation et la contraction du fait des variations thermiques sans qu'il en résulte 1'endommagement des tubes. Cette disposition hélicoïdale ainsi que le passage des tubes à travers les manchons fixés aux parois de l'enveloppe permet d'obtenir un appareil extrêmement 40 sûr. La forme hélicoïdale des tubes permet de régler la longueur 69 17956 7. 2009314 de chaque tube pour les conditions optimales d'écoulement des gaz à haute température. le réglage de la longueur de chaque tube peut être effectué dans un appareil selon l'invention indépendamment de la position du tube par rapport au centre ou 5 aux extrémités de l'enveloppe de l'échangeur ou de la chaudière. Une autre caractéristique d'une construction selon l'invention est que les parties des tubes traversées par les gaz à haute température se trouvent toujours en dessous du niveau du liquide de la chaudière, ce qui les protège contre 1'endommage-10 ment par un échauffement excessif. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 69 17956 3, 2009314 BEVENDICATIOHS 1. Un échangeur de chaleur caractérisé par une enveloppe délimitant une section fermée de liquide, des manchons tabulai■= res fixés à travers la paroi de l'enveloppe et débouchant dans 5 la section de liquide, des tubes pour des gaz à haute température traversant ces manchons et la section de liquide pour le transfert de la chaleur au liquide, et un conduit reliant la section de liquide et les parties des manchons se trouvant à l'extérieur de l'enveloppe pour établir une circulation de li-10 quide à partir de la section de liquide et à travers les manchons » 2. Un échangeur de chaleur caractérisé par une enveloppe délimitant une section fermée de liquide, des manchons traversant la paroi de l'enveloppe et se terminant à une extrémité à 15 une certaine distance de cette paroi à l'intérieur de l'enveloppe et se terminant à l'autre extrémité à une certaine distance à l'extérieur de cette paroi, des tubes pour des gaz à haute température traversant les manchons et la section de liquide pour le transfert de la chaleur au liquide de cette 20 section et un conduit reliant la section de liquide et les. extrémités extérieures des manchons pour l'établissement d'une circulation de liqua.de à partir de la section de liquide et à travers les manchons. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 earacté-25 risé en ce que les manchons sont sensiblement verticaux et le conduit de circulation est tm tube extérieur faisant communiquer la section de liquide avec les extrémités extérieures des manchons, le liquide circulant par circulation naturelle en remontant à travers les manchons autour des tubes à gaz à haute 30 température, le liquide arrivant dans les manchons à travers le conduit extérieur. 4. Echangeur de chaleur selon la-revendication 1 caractérisé en ce que les manchons traversent la paroi d'une façon sensiblement verticale et se terminent aux extrémités supérieu- 35 res au-dessus du niveau du conduit de sortie de la section de liquide. 5.c Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les tubes à gaz traversent vers l'extérieur la paroi de l'extrémité supérieure de la section de. liquide à tra- 40 vers des manchons entourant les tubes dans la zone de cette paroi 69 T7956 2009314 supérieure. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi f orne une enveloppe, de chaudière comportant une paroi intérieure traversée par les manchons, l'en- 5 veloppe comportant à l'extrémité supérieure une partie arrondie traversée par des manchons supplémentaires pour le passage des tubes pour les gaz à haute température vers l'extérieur.. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6 caractérisé en ce que les tubes à gaz à haute température sont situés 10 entièrement dans la section de liquide de l'enveloppe, le niveau d'évaporation de la chaudière étant au-dessus des extrémités supérieures des tubes à gaz. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication! caractérisé en ce que l'enveloppe comporte une paroi: inférieure 15 traversée par plusieurs manchons et un tube, pour des gaz..à haute température passant à travers chaque manchon .et s'étendant vers le haut à travers la section de liquide avec une forme hélicoïdale, ces tubes à gaz sortant de la section de liquide à l'extrémité supérieure de celle-ci. 20 9. Echangeur de chaleur caractérisé par une cuve fermée délimitant une section de liquide et comportant une paroi inférieure, plusieurs manchons traversant cette paroi inférieure et dépassant à l'intérieur de la cuve, les extrémités opposées des manchons étant espacées du côté extérieur de la paroi inférieure, 25 un dispositif formant une chambre à gaz près de la paroi inférieure de la cuve et comportant une paroi fixée aux extrémités inférieures des manchons, un tube à gaz traversant chaque manchon et l'intérieur de la cuve et sortant par l'extrémité opposée de la cuve, et des conduits faisant communiquer l'intérieur 30 de la cuve avec les extrémités intérieures des. manchons pour la circulation du fluide contenu dans la cuve à travers les extrémités intérieures des manchons. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9 caractérisé en ce que la cuve est l'enveloppe d'une chaudière dans 35 laquelle le niveau du liquide se trouve au-dessus du niveau de sortie des tubes à gaz à l'extrémité supérieure de l'enveloppe pour l'échappement de la chaleur engendrée dans l'enveloppe, les tubes à gaz traversant la paroi inférieure de l'enveloppe sans être fixés directement à cette paroi et traversant l'inté-40 rieur de l'enveloppe avec des formes hélicoïdales. 69 17956 10. 2009314 11. Chaudière caractérisée par une partie supérieure en forme de dôme avec une sortie pour la vapeur d'eau, un dispositif pour l'alimentation en eau de l'enveloppe pour maintenir le niveau de l'eau dans la partie formant le dôme, un disposi-5 tif formant une chambre d'arrivée des gaz à haute température à côté de l'enveloppe de la chaudière, plusieurs manchons tubulaires traversant l'enveloppe de la chaudière et étant montés sur le dispositif formant la chambre à gaz, les extrémités supérieures des manchons se terminant à l'intérieur de l'enveloppe 10 de la chaudière à une certaine distance au-dessus de la paroi inférieure de l'enveloppe, un conduit pour la circulation du liquide de l'intérieur de l'enveloppe de la chaudière vers les extrémités inférieures des manchons et passant à l'extérieur de l'enveloppe, et un tube à gaz reliant verticalement la chambre 15 à gaz â~l'intérieur de l'enveloppe de la-chaudière à travers chaque manchon. 12. Chaudière selon la revendication 11 caractérisée par un. dispositif à l'extérieur de l'enveloppe de la chaudière, les extrémités supérieures des tubes à gaz étant raccordés à ce 20 dispositif pour l'évacuation des gaz ayant traversé la chaudière . 13. Chaudière selon la revendication 12 caractérisée par des manchons supplémentaires à l'extrémité supérieure de l'enveloppe de la chaudière, chacun de ces manchons-étant traversé 25 par l'un des tubes à gaz.