Brevet FR2024102A1 — publié le 19700828

La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur par contact, qui comporte un canal destiné à un agent-de chauffage et dans lequel sont disposées plusieurs lignes de tubes dans les c ircul quelles un fluide de travail à l'état de vapeur ou gazeu/parallè- lement à cet agent et à contre-courant et qui sont divisées en au moins deux groupes que ce fluide traverse en parallèle, les lignes de tubes de chaque groupe étant réparties à peu près régulièrement sur la section du canal, et la disposition étant telle que le débit d'un groupe soit modifié par rapport à celui d'un autre groupe au passage à charge partielle, de manière que la courbe des températures du fluide de travail dans les lignes de tubes d'un groupe soit sensiblement la même que celle des tubes d'un autre groupe à pleine charge, mais qu'à charge partielle elle soit très différente. Des échangeurs de chaleur par contact de ce genre sont décrits dans le brevet suisse nO 420.232. Leurs organes permettant de modifier le débit sont des vannes commandées par des servomoteurs en fonction de grandeurs de régime telles que la température ou le débit de l'agent de chauffage, ou bien la température du fluide de travail. Ces dispositifs de commande et servomoteurs sont coûteras et en outre susceptibles de pannes. Ces dernières sont particulibreaeat nuisibles ei les échangeurs sont utilisés en association avec des réacteurs nucléaires. L'invention a pour objet un échangeur de chaleur par contact du genre précité, ne nécessitant aucune vanne commandés. Selon une particularitéessentielle de l'invention, ladite disposition consiste en des résistances à la circulation dont le réglage est fixe et qui sont réparties le long des lignes de tubes d'un groupe de manière différente de celle d'un autre groupe. On entend dans le cas particulier par " résistance à la circulation" uniquement la résis tance qui est fonction des dimensions géométriques des lignes de tubes; elle est donc essentiellement fonction de leur longueur, de leur section de passage et leur rugosité. L'invention met à profit une propriété des lignes de tubes montées en parallèle et dans lesquelles fluide de travail en circulation augmente beaucoup de volume en absorbant de la chaleur , propriété qui réside dans le fait que, mQme si les déséquilibres dus éventuellement à une inégalité d'apport de chaleur aux différents tubes ou à une inégalité de résistance à la circulation de ces tubes sont faibles, il se crée une instabilité qui se manifeste par une différence des débits dans les lignes de tubes.Cette propriété est redoutée dans les générateurs de vapeur et on l'atténue généralement en augmentant le gradient de pression, en plaçant des diaphragmes, etc.. le principe de l'invention consiste à renforcer sciemment l'instabilité du système tubulaire afin de produiee de manière simple ltef- fet que l'on ne pouvait obtenir jusqu'à présent qu'au moyen d'organes étrangleurs réglables. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif deux formes de réalisation conformes à l'invention. Sur ces dessins, La figure I est une coupe longitudinale d'un échangeur de chaleur par contact à deux lignes de tubes; et la figure 2 est une coupe longitudinale partielle d'un échangeur de chaleur à dix-neuf lignes de tubes en hélice. Sur la figure 1, un canal 1 à section circulaire dans lequel un agent de chauffage passe dans le sens de la flèche comporte un distributeur 2 et un collecteur 3 entre lesquels sont disposas deux lignes hélicoïdales de tubes 4 et 5 montées en parallèle et chauffées par contact. Ces deux lignes de tubes comportent chacune à l'entrée un diaphragme 6 et 7 respectivement et en plus la ligne 4 comporte un diaphragme 8 en amont de sa partie centrale. Les sections respectives du diaghragme 7 d'une part et des diaphragmes 6 et 8 d'autre part sont déterminées de façon qu'à pleine charge, les débits du fluide dans les deux lignes de tubes soient à peu près égaux, de sorte que les variations de température sur leur longueur sont à peu près identiques.Si la charge diminue, le contre de gravité de l'augmen- tation de volume du fluide daZ7a les deux lignes de tubes se déplace vers 11 amont, ce qui a pour coffléquence que l'action du diaphragme 8 commence à dominer celle du diaph'S1 7. Le débit du tube 4 diminue ainsi au profit de celui du tube 57ce qui renforce encore l'inégalité de la distribution du fluide dans ces tubes.localement, la température du fluide du tube 4 se rapproche ainsi de celle du fluide de chauffage qui l'entoure.La quantité de chaleur qui est transmise à ce tube diminue donc7 ce qui agit dans le même sens qu'une diminution de la surface de czaus-èe En raison de l2augmentation du débit dans le tube 5, son fluide peut progresser en sens inverse du courant de l'agent de chauffage en conservant @es températures relativement plus faibles, plus que ce ne serait le cas si la distribution était uniforme. Cet agent de chauffage subit donc déjà près de son en--rée un refroidissement, ce qui a le résultat désiré que la courbe des températures des parois des tubes n'est plus très différente à charge partielle de ce qu'elle est à pleine charge. Dans l'échangeur de chaleur de la figure 2, une enveloppe cylindrique 10 sous pression contient d'une part un élément 11 réducteur de section et, d'autre part, dans l'espace annulaire restant oW un agent de chauffage, par exemple de l'annydride carbonique, passe dans le sens de la flèche, six cylindres tubulaires 20, 30, 40, 50, 60 et 70. Alors que les cylindres tubulaires 20 et 30 constituent chacun deux hélices 21, 22 et 31, 32 respectivement, décalées d'un demi-pas, chacun des cylindres 40 et 50 en constitue trois 41, 42, 43 et 51, 52,53 respectivement, le cylindre 60 cinq 61 à 65 et enfin le cylindre 70, quatre 71 à 74. Tous les tubes des cylindres 20, 40, 60 ont un même diamètre intérieur faible, alors que le diamètre intérieur de ceux des cylindres 30, 50 et 70 est aussi égal, mais plu irand. Les spires de tous ces cylindres ont la même pente de sorte que toutes les lignes de tubes ont sensiblement la même longueur. Un distributeur annulaire 26, 36, 46, 56, 66 et 76, disposé audessous de la partie en hélice des lignes de tubes, est associé à chaque cylindre et les divers spires des cylindres correspondants y sont reliées. Chacun de ces distributeurs est raccordé à un dis tributeur 80 par des conduites 27, 37, 47, 57, 67 ou 77 respective ment qui contiennent chacune un organe étrangleur 28, 38, 48, 58,68 ou 78. Du côté de leur sortie, les différents tubes en hélice qui forment une ligne, débouchent directement dans quatre collecteurs radiaux 81, dont deux seulement sont représentés sur la figure. Le distributeur 80 alimente l'échangeur de la figure 2 en eau, en fonction de la charge. Cette eau est chauffée à contre-courant, vaporisée et surchauffée dans les tubes hélicoïdaux et, par les collecteurs 81, elle parvient à une turbine non représentée sous forme de vapeur vive. A la première mise en service, on règle lestrganes étrangleurs 28 à 78 sous environ 90fiv de la charge, de manière que les courbes de température 'sur la longueur de tous les tuyautages soient les mêmes, c'est-à-dire de façon que par exemple le point oW la vaporisation cesse se trouve à la m8me hauteur dans tous les tubes hélicordaux. Si tous ces derniers avaient la même résistance à la circulation, ce point de fin de vaporisation se déplacerait vers le bas sur la figure 2 lorsque la charge diminue et la sone dans laquellq1tanhydride carbonique n'est pas encore sensiblement refroidi se prolongerait vers le bas. Mais étant donné que les tubes hélicoidaux ont des diamètres intérieurs différents, lorsque la charge tombe au-dessous de 90 %, il se crée une instabilité qui se manifeste par le fait que les tubes étroits des cylindres 20, 40, 60 laissent passer une quantité de fluide de travail beaucoup plus petite qu'à cette charge de 90 %.Par conséquent, les points où la vaporisation cesse descendent fortement, alors que dans les autres tubes des cylindres 30, 50 , 70 qui compensent ce déplacement en fonction de la charge des cylindres 20, 40, 60 , ces points restent pratiquement au meme endroit. Le C02 atteint donc à peu près la même hauteur à charge partielle qutà pleine charge, les tubes hélicoidaux refroidis sur lesquels il est ramené à basse température. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation représentées. Dans le montage de la figure 2, pn peut par exemple n'utiliser que des cylindres à tubes hélicoidaux de même diamètre, mais de longueurs différentes et de mQme tous les moyens simples pour atteindre le but de l'invention, en provoquant une plus forte instabilité à faible charge, conviennent également. Il est intéressant à cet effet d'utiliser en particulier des combinaisons avec les applications et les possibilités de montage indiquées dans le brevet suisse précité. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite cidessus qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif et que l'on pourra y apporter toutes variantes sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur-par contact comportant un canal destiné à un agent de chauffage et dans lequel sont disposées plusieurs lignes de tubes dans lesquelles un fluide de travail à l'état de vapeur ou gazeux circule parallèlement à cet agent et à contre-courant, et qui sont divisées en au moins deux groupes que ce fluide de travail traverse en parallèle, les lignes de tubes de chaque groupe étant réparties à peu près uniformément sur la section du canal et la disposition étant telle que le débit d'un groupe soit modifié par rapport à celui d'un autre groupe au passage à charge partielle, de manière que la courbe des températures du fluide de travail dans les lignes de tubes d'un groupe soit sensiblement la même que celles des tubes d'un autre groupe à pleine charge, mais qu'à charge partielle, elle soit très différen%e, ledit échangeur étant caractérisé par le fait que ladite disposition consiste en des résistances à la circulation dont lqkéglage est fixe et qui sont réparties le long des lignes de tubes d'un groupe de manière différente de celle d'un autre groupe. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caract=~ risé par le fait que l'inégalité des' résistances à la circulation provient de ce que le diamètre intérieur des lignes de tubes d'un premier groupe diffère de plus que la tolérance usuelle de celui des lignes de tubes d'un autre groupe. 3, Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les diamètres intérieurs des lignes de tubes d'un premier groupe différent de plus de 20 % de ceux des lignes de tubes d'un deuxième groupe. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'inégalité des résistances à la circulation provient de ce que la longueur des lignes de tubes d'un premier groupe diffère de plus de 20 % de celle des lignes de tubes d'un deuxième groupe. 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'un premier groupe de lignes de tubes est relié à l'arrivée du fluide de travail par un seul clapet réglable d'étranglement. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les lignes de tubes d'un groupe comportent des étranglements en un emplacement auquel les lignes de tubes des autres groupes n'en ont pas. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, à évaporateur, caractérisé par le fait que lesdits étranglements sont montés au niveau de l'évaporateur. 8. Echangeur de chaleur selon les revendications 6 et 7, caractérisé par le fait que les étranglements sont des diaphragmes fixes. 9. Echangeur de chaleur selon les revendications 6 et 7, caractérisé par le fait que les étranglements sont constitués par une déformation locale des lignes de tubes correspondantes.