Brevet FR2040223A1 — publié le 19710122

i 2040223 La présente invention concerne les parois étanches aux gaz refroidies par un fluide pour générateurs de vapeur et, plus particulièrement, de telles parois comprenant des panneaux d'échange de chaleur à tubes multiples intégrés# 5 l'usage de tubes refroidis par un fluide pour le refroidis sement des parois étanches aux gaz d'un générateur de vapeur est bien connu» Les parois étanches aux gaz refroidies par un fluide utilisées jusqu'ici, appartiennent à deux types généraux de construction: (l) le type en caisson et (2) le type en panneaux. 10 Les réalisations modernes de parois du type en caisson com prennent un caisson métallique étanche aux gaz qui délimite les parois du générateur de vapeur avec des tubes refroidis par un fluide, disposés-longitudinalement et espacés latéralement le long de la surface intérieure du caisson pour assurer le refroi-15 dissement de la paroi; un matériau réfractaire disposé à l'extérieur du caisson pour isoler l'enceinte; et un revêtement métallique minee disposé sur la face extérieure de l'isolement réfractaire en vue de protéger celui-ci et de parfaire -l'aspect de l'ensemble. L'usage dû. caisson métallique a rendu' nécessaire la prise 20 de dispositions en vue de réduire les- incidences d'une défectuosité de celui-ci résultant de la contrainte différentielle imposée par les dilatations thermiques, de la corrosion se manifestant du côté gaz, de la vibration provoquée par 1'écoulement dans les parties sous pression, ainsi que d'autres complexités apparentées 25 associées au fonctionnement de l'ensemble. Une telle défectuosité provoque une fuite de gaz extrêmement chauds dans le voisinage des installations chauffées sous pression, ou une fuite d'air ambiant relativement froid dans les installations chauffées par aspiration. Dans les deux cas, le rendement thermique de 1'instal-30 lation sera notablement réduit. Les panneaux d'échange de chaleur- à. tubes multiples intégrés, sont maintenant préférés et largement utilisés dù fait que leur usage supprime la nécessité du caisson métallique et élimine ainsi les nombreux problèmes posés par la construction de celui-35 ci. En outre, la paroi du type en panneaux est plus durable et élimine pratiquement l'éventualité d'une défaillance structurale de l'enceinte. j3n îaême temps, la construction du type en panneaux réduit sensiblement le coût de la fabrication, du fait que les panneaux individuels peuvent être réalisés en atelier et rassem-40 blés pour leur expédition au lieu d'emploi. 70 14995 2040223 Les parois du type en panneaux, telles qu'elles sont construites couramment, comprennent: Des panneaux d1échange de chaleur à tubes multiples intégrés qui délimitent les parois du générateur de vapeur et forment 5 une enceinte étanche aux gaz. Un matériau réfractaire disposé à l'extérieur des panneaux pour isoler l'enceinte, et: Un revêtement métallique mince disposé à l'extérieur du matériau réfractaire afin de le protéger. Les panneaux construits 10 jusqu'ici comportent une pluralité de tubes espacés latéralement, parallèles et relativement allongés, avec des âmes métalliques ou membranes semblables à des âmes formées avec les tubes voisins ou soudées à ceux-ci, de telle sorte qu'une structure étanche aux gaz soit obtenue après assemblage. Les dimensions physiques, c'est-à-15 dire, par exemple, le diamètre et l'espacement latéral des tubes à l'intérieur d'un panneau, sont essentiellement fonction de la pression en service normal, de la vitesse à laquelle, la chaleur est absorbée par unité de la surface exposée du panneau de paroi et de l'absorption totale de chaleur du circuit d'écoulement dans 20 lequel le panneau est disposé. Les caractéristiques d'absorption dépendent directement de 1' espacement des tubes et sont donc un critère déterminant dans le calcul des contraintes thermiques maximales acceptables sans risques par la membrane. Dans les zones où l'absorption de chaleur est importante, c'est-à-dire dans les 25 zones à fort rayonnement calorifique, il est donc nécessaire de rapprocher les tubes davantage que dans les zones où l'absorption de chaleur est modérée ou faible, de telle sorte que les contraintes thermiques dans 1'âme, n1excèdent pas celles imposées par les règles de sécurité dans les conditions de fonctionnement» 30 Un panneau d'échange de chaleur à tubes multiples intégrés utilisant la nouvelle membrane semblable à une âme de profilé de l'invention, permet d'augmenter sensiblement l'espacement des tubes qu'autorisaient les panneaux utilisés jusqu'ici, particulièrement dans les zones à fort rayonnement thermique, ce qui se tra-35 duit par une réduction du coût en matière et frais d'usinage d'un panneau. Ponction de la vitesse avec laquelle s'effectue l'absorption de chaleur, cette augmentation de l'espacement des tubes peut entraîner une réduction pouvant atteindre 30 pour cent du nombre de tubes nécessité par les panneaux utilisés antérieurement dans 40 les mêmes conditions de services 70 14995 3 2040223 le panneau perfectionné, selon l'invention, comprend une pluralité de tubes espacés latéralement, pratiquement parallèles, et des membranes à profil en 0 s*étendant entre les tubes voisins auxquels elles sont reliées par soudure» les bras de la membrane 5 à profil en C s'étendent, en" général, parallèlement au plan contenant les axes longitudinaux des tubes voisins reliés et sont écartés en avant de la partie de corps de la membrane, c'est-à-dire du côté de celle-ci qui est exposé aux gaz, de telle sorte qu'ils protègent cette partie de corps de la chaleur rayonnante. Un interval-10 le prévu entre les extrémités des bras permet une compensation des contraintes thermiques. En outre, des traits de scie latéraux peuvent être pratiqués dans les bras, lorsque cela s'avère nécessaire, en vue d'obtenir une nouvelle réduction des concentrations de contraintes thermiques. La chaleur transmise par les bras à la 15 partie de corps de la membrane, sera ensuite transmise aux tubes voisins reliés par l'intermédiaire des cordons de soudure, de telle sorte que la partie de corps sera maintenue à l'intérieur des limites des contraintes thermiques. Pour une meilleure compréhension de l'invention, on se ré-20 férera à la description suivante de la réalisation préférée de celle-ci et au dessin annexé. -La figure 1 est une vue en élévation d'une portion d'un panneau d'échange de chaleur à tubes multiples intégrés étanche aux gaz, construit selon l'invention. 25 -La"figure 2 est une vue. en coupe transversale d'une paroi du type à panneaux d'échange de chaleur à tubes multiples intégrés, cette vue étant prise le long de la ligne 2-2 de la figure 1„ Ainsi que le montre la figure 2, le panneau 10 d'échange de chaleur délimite la face intérieure de la section 13 de la paroi 30 d'un générateur de vapeur et sert à rendre l'enceinte étanche aux gaz. Il est préférable qu'un matériau isolant 11 soit disposé à l'extérieur du panneau 10 pour réduire la dissipation de la chaleur émanant du générateur de vapeur. Je manière à maintenir et à protéger le matériau isolant 11, un revêtement métallique mince 35 peut être disposé à l'extérieur de celui-ci. Le panneau 10 comprend une pluralité de tubes 14 parallèles et espacés latéralement et des membranes 15 à profil en G, qui sont reliées par soudure" aux tubes voisins 14, ainsi qu'on le voit en 16". Les soudures 16 peuvent être réaliséés par tout moyen ap-40 proprié. Il est préférable que ces soudures 16 soient exécutées 70 14995 4 2040223 tant du côté exposé au gaz que du côté extérieur du panneau 10, de manière à donner aux cordons de soudure une importance d'où résultera un meilleur transfert de chaleur entre les membranes 15 et les tubes 14. Par ailleurs, les soudures 16 peuvent être 5 exécutées de telle sorte qu' elles offrent une résistance inférieure à celle des parois des tubes 14» de telle sorte que, dans l'éventualité d'une défaillance de l'enceinte, une rupture.de tube soit évitée. les bras 17 de la membrane 15 se présentent sur le côté ex-10 posé au gaz de cette membrane et servent ainsi à protéger la partie de corps 18 de la chaleur rayonnante émise à 1'intérieur de l1enceinte. La chaleur absorbée par les bras 17 est dissipée dans une large mesure par conduction vers les tubes voisins 14, par l'intermédiaire des soudures 16, bien qu'une partie de cel-15 les-ci pénètre dans la partie de corps 18, de telle sorte qu'un équilibre de température s'établisse dans la totalité de la membrane 15 i Dans la réalisation préférée, les bras 17 sont parallèles à la partie de corps plane 18, cette construction procurant uil 20 trajet plus court pour la chaleur transférée par conduction. Par ailleurs, avec la partie de corps 18 plane et les membranes 15 disposées dans un plan commun avec celui des axes géométriques des tubes 14 successivement voisins, la totalité de la dilatation latérale due à la température se manifestera pratiquement dans 25 ce plan. Une dilatation atteignant des valeurs importantes ailleurs que dans ce plan, tendra à provoquer une déformation du panneau 10 et aura pour résultat de créer des contraintes intolérables à l'intérieur de celui-ci. Oette construction préférée conduit à des membranes 15 plus étroites et permet donc d'obtenir 30 un meilleur refroidissement. L'intervalle 19 entre les extrémités des bras 17, est prévu en vue de réduire dans la membrane 15 les concentrations de contraintes thermiques résultant de la dilatation différentielle engendrée thermiquement„ Cet intervalle 19 permet aux bras 17 et 35 à la partie de corps 18 de se dilater avec un certain degré d*in-dépendance. Ceci est très important en ce qui concerne la dilatation latérale. L'importance est un peu moindre en ce qui concerne la dilatation différentielle longitudinale des tubes 14 voisins. Il est d'ailleurs possible de réduire les contraintes 40 résultant de la dilatation longitudinale des tubes 14».en prati- 70 14995 5 2040223 quant des traits de scie latéraux 20 séparés par des intervalles dans les bras 17. Ges traits de scie sont pratiqués avecïes dimensions requises lorsqu'ils sont rendus nécessaires par les conditions de fonctionnement ayant trait aux limites de contraintes» 5 la dimension de l'intervalle 19 est déterminée en majeure partie par le degré de la dilatation relative entre les bras 17 et la partie de corps 18 et est proportionnée de manière à empêcher qu'une quantité excessive de chaleur, soit rayormée vers cette partie de corps 18, la largeur de cet intervalle étant simul-10 tanément suffisante pour éviter une accumulation de contraintes lorsque les bras 17 se dilatent. Un certain retrait par brûlage des bras, se traduisant par un élargissement de l'intervalle, peut se manifester lorsque les températures auxquelles ces bras sont soumis, excèdent la température d'oxydation du métal. Toute-15 fois, on peut s'attendre à ce que ce retrait par brûlage atteigne un point d'équilibre fonction des températures limites d'utilisation des matériaux dont sont constitués les bras de la membrane, c'èst-à-dire de l'épaisseur et de la longueur de ces bras et, naturellement, de la température atteinte par le métal. Dans tous 20 les cas, une analyse des caractéristiques de transfert de chaleur et les isothermes résultants, permettent de réaliser le panneau . de telle sorte que les bras 17 et la partie de corps 18, puissent être maintenus d'une manière satisfaisante à l'intérieur des limites de température. 25 Bien que la membrane 15 puisse être constituée par plusieurs parties, sôit, par exemple, une partie de corps 18 et des bras 17 soudés de manière à former un ensemble, il est .préférable que chaque membrane 15 soit réalisée directement d'un seul tenant,car le nombre de soudures nécessitées par la fabrication du panneau 30 d'échange de chaleur, sera ainsi réduit avec, pour conséquence,un abaissement du prix de revient de ce panneau» la paroi perfectionnée en panneaux montrée dans le dessin, est la réalisation qui doit être préférée pour l'utilisation dans une zone à forte chaleur rayonnante où la vitesse d'absorption de 35 chaleur est de l'ordre de 27 kcal/cm /h. les tubes en acier au carbone SA17&A, ont un diamètre extérieur de .50,8. mm, un diamètre intérieur de 44 mm et sont espacés de 101,6 mm .(de centre à c.entre^ les membranes ont une épaisseur de 4,8 mm et sont réalisées elles aussi en acier au carbone, l'intervalle entre les extrémités des 40 bras est d'environ 3,2 mm. les traits de scie latéraux, nécessai 70 14995 2040223 res dans ce cas, ont une profondeur de 15»9 mm, une largeur de 3»2 mm, et sont espacés de 50,8 mm. Dans le cas présent, les tubes fonctionnent sous une pression manométrique de 7»2 MPa environ en conditions saturantes, ce 5 qui signifie que la température du fluide est d'environ 288°C» la température maximale calculée des membranes' se manifeste, dans ces conditions, au voisinage de l'intervalle séparant les bras et est de 510°0o Cette température est inférieure d'environ 10°C à la température d'oxydation de l'acier au carbone dans les gaz de 10 combustion, de sorte qu'il n'y a pas lieu de craindre un retrait par brûlage» la température à la partie la plus chaude de la partie de corps, est d'environ 299°C ou, approximativement, de 11°0 au-dessus de celle du fluide saturé a l'intérieur des tubes,donc bien dans les limites de la différence de 66°G, ici permise, des 15 températures de contrainte# l'utilisation de membranes telles que réalisées jusqu'ici pour un panneau devant fonctionner dans les conditions présentement décrites, exigerait l'emploi de tubes similaires mais dont l'espacement entre centres serait de 69,8 mm pour respecter la 20 différence limite maximale de 66°0 des températures de contrainte. Du fait que la surface de la projection horizontale du panneau sera la même quel que soit le type de membrane utilisé, 1' usage du panneau perfectionné réduit le nombre de tubes d'environ 30 pour cent. 25 II résulte de manière évidente de ce qui précède, que l' invention procure un panneau d'échange de chaleur à tubes multiples perfectionné pour utilisation dans une paroi de générateur de vapeur exposée à la chaleur rayonnante, le nombre de tubes nécessaire étant considérablement réduit par rapport à celui exigé 30 dans les panneaux construits jusqu'ici pour des conditions de service similaires, tout en maintenant les membranes dans les limites de contraintes thermiques requises» 70 14995 7 2040223 REVENDICATIONS 1°)- Dans une paroi étanche aux gaz d'un générateur de vapeur exposée aux gaz de combustion, un panneau d'échange de chaleur à tubes multiples intégrés, comprenant une pluralité de tu-5 bes sensiblement parallèles, espacés latéralement, caractérisé par une pluralité de membranes métalliques à profil en 0, disposées entre les tubes voisins auxquels elles sont reliées par soudure et qui présentent un corps relié rigidement aux tubes immédiatement voisins sur la totalité de la longueur de ceux-ci et une 10 paire de bras s1étendant dans l'ensemble parallèlement à un plan contenant les axes longitudinaux des tubes voisins reliés, les bras de chaque membrane étant espacés du corps du côté de celui-ci qui est exposé aux gaz pour protéger ce corps de la chaleur rayonnante et étant espacés l'un de l'autre pour ménager entre les ex-15 trémités de ces bras un intervalle en vue de permettre une compensation des contraintes thermiques. 2°)- Paroi étanche aux.gaz selon la revendication 1, dans laquelle chacune des membranes à profil en G, est d'une seule pièce. 20 3°)- Paroi étanche aux gaz selon la revendication 1, dans laquelle le corps de chacune des membranes à profil en G, est pratiquement plan et dans laquelle les bras de membrane s'étendent parallèlement au corps.