Brevet FR2046954A1 — publié le 19710312

L'invention est relative à un échangeur de chaleur à tubes constitué par un boîtier tubulaire, par un tube de noyau et par au moins un tube hélicofdal disposé dans l'espace annulalreeentre le boîtier et le tube de noyau, tandis que le tube hélicoïdal ou un serpentin quelconque est prévu dans un canal hélicoïdal plat pour le moyen de refroidissement et reçoit un fluide à refroidir. Dans un échangeur de chaleur connu de ce type, les spires tubulaires ne sont orientées que partiellement en contre-sens, tandis que le restant des spires est orienté dans le meme sens, de manière que l'admission et l'évaçuationdes spires se situent au même cpté frontal du bottier, ce qui fait que les spires tubulaires~peuvent être vissées dans le canal hélicoïdal à moyen de refroidissement lors de leur montage. Cependant, un tel montage est difficile lorsqu'il s'agit d'échangeurs de chaleur de dimensions élevées, étant donné que les spires tubulaires ou les spires plates, formant le canal hélicoïdal pour le moyen de refroidissement, peuvent entre aisément déformées ou détruites. Un autre type de construction connu se caractérise du fait que le canal hélicoïdal est formé par une bande metallique placée sur chant et qui s'applique au moins partiellement sur les spires tubulaires. Cependant, l'insertion de la spire métallique, compli quée et de réalisation peu économique, entre les spires tubulaires est extremement difficile ou ne peut meme presque pas etre obtenue. Une exécution connue, satisfaisante en ce qui concerne son action, réside dans le fait que les spires plates, formant le canal à moyen de refroidissement, entourent intimement les spires tubulaires. Cependant, la spire plate est réalisée d'une seule pièce avec le tube de noyau et le boîtier, ce qui complique la fabrication et il en découle qu'après un usage prolonge et en raison de la calcification, un démontage des spires tubulaires ne semble possible qu'au prix de difficultés extrêmes. On connaît un échangeur de chaleur qui n'est pas muni de tubes et qui présente une spire en tôle à deux pas, enroulée autour d'une ouverture centrale et dans lequel, à la place de tubes pour le deuxième fluide, on utilise le deuxième pas de la spire, alors que chaque pas de la spire en tôle est constitué par deux Moities de carré formant chacune un demi pas. Etant donné que les moitiés de carré en ttle doivent être pliées individuellement et doivent être soudées aux pièces qui font suite, les frais de fabrication sont très élevés et, malgré une fonction satisfaisante, ces frais ne sont pas justifiés, en ne tenant mme pas compte du fait qu'un entretien par le démontage de l'échangeur de chaleur est impossible. De même, en raison des variations de température et de la pression et qui découlent du service, il faut stattendre à la formation de fissures à l'endroit des cordons de soudure très longs. Suivant une autre proposition connue, un échangeur de chaleur à spires tubulaires est muni de plusieurs-pièces d'anneaux plats qui sont individuellement munies, à des écartements uniformes éle vés, de rainures et qui sont fixées en étant décavées, entre les enroulements du tube. Ces pièces d'anneaux plats ne servant pas à former un canal hélicoïdal fermé pour un moyen de refroidissementg mais uniquement à recueillir les gouttelettes de condensation du moyen de chauffe se formant sur la surface du tube et à évacuer ces gouttelettes vers l'axe de l'échangeur de chaleur. L' invention vise, dans les échangeurs de chaleur du type décrit plus haut, à simplifier l'assemblage et le démontage des spires plates et des spires tubulaires et, en réalisant des canaux hélicA daux de forme précise pour le moyen de refroidissement on obtient, un degré d'échange de chaleur qui est supérieur à celui des réalisations connues. En outre, tout en étant d'une construction peu encombrante permettant d'économiser de la plats, tout l'échangeur peut être réalisé à des frais économiquement acceptables et il travaille à tout moment avec toute la strette de fonctionnement requise. Conformément à l'invention, ceci est obtenu du fait que les spires plates sont formées par un nombre élevé de parties ou de segments non-tordus, reliés les uns à la suite des autres dans lor- dre dt glissés, à l'extérieur du boîtier, radialement entre les pas successifs du tube hélicoîdal, parties ou segments dont la position est strie. De cette manière on obtient l'avantage que l'échan- geur de chaleur, malgré ses faibles dimensions, présente un degré échange supérieur à celui des types de construction connus et que ses pièces essentielles sont réalisées de manière qu'en raison de la suppression des soudures, un montage ou un démontage soit pos- sible de la façon la plus simple.La suppression des cordons de soudure et des opérations de travail compliquées entraîne également l'avantage d'obtenir un échangeur de chaleur qui est économiquement acceptable. En outre, la simplicité de l'échangeur de chaleur permet un travail absolument sans problème et sans tension de température, de manière que l'échangeur conforme à l'invention travaille toujours avec la sûreté de fonctionnement requise. Une importanse particulière réside également dans le fait que la position des pièces est absolument sûre et qu'ainsi, il est impossible que les segments ou similaires ne glissent, ce qu pourrait entraîner la détérioration du guidage précis du fluide de refroidissement. Suivant une autre particularité de l'invention, on prévoit que les parties ou segments formant les spires plates présentent la forme de demi-anneaux plats dont chacun porte, au coté oriente vers le tube de noyau, une rainure qui est engagée chaque fois par un de deux liteaux se faisant face sur le tube de noyau et qui sont orientés axialement. Les liteaux et les rainures peuvent être de forme trapézofdale et au moins leurs extrémités peuvent être fixées au tube de noyau. Les demi-anneaux plats peuvent être réalisés en métal par matriçage ou bien en matière synthétique par pressage ou des procédés similaires, d'autant plus que lors de l'utilisation de ces procédés, les rainures, assurant la position, peuvent être réalisées en même temps.En outre, de tels demi-anneaux peuvent être insérés simplement à partir du coté, ce qui ne veut pas dire que ces demi-anneaux soient obligatoires, à savoir qu'il est possible d'envisager d'autres formes pour les segments sans sortir du cadre de l'invention. Cependant, peu- importe la forme choisie pour les segments, il faut veiller à obtenir un canal d'un maximum d'étanchéité pour le moyen de refroidissement et quygarantit une action de refroidissement maximum. En se basant sur le faitque des demi-anneaux plats pour former un canal à moyen de refroidissement ne sont-pas obligatoires, on prévoit, suivant une autre caractéristique essentielle de l'invention, que les parties ou segments formant les spires plates et qui sont fermement fixés en position, sont disposés à la manière de pattes sur une aile qui forme, avec ces segments, un profilé angulaire, l'aile du profilé angulaire encastré étant plusieurs fois fléchi et remplissant la hauteur des spires plates. Bn tel profilé angulaire présente l'avantage que les parties ou segments formant le canal à moyen de refroidissement ont une assise ferme et qu'il se forme donc avec certitude un canal à moyen de refroidissement guidé avec précision. En outre, l'aile du profilé angulaire pré azote avantage qu'ils obture le canal additionnellement vers ltdx- térleurF de manière que le fluide de refroidissement utilisé ne puisse pas s'échapper vers l'extérieur mê lors de vitesses de r:irculation elevées. i\tin d'obtenir egalex nt un' etancheite suffisante par rapport au tube de noyau et, en outre, que les différents segments oss parties en forme de pattes ne se genent pas mutuellement, l'invention prévoit que les parties ou segments présentent la forme d'une bande ou d'un trapèze et qu'ils soient adaptés, aux extrémités intérieures, à la courbure du tube de noyau et, éventuellement, aux conditions de place existant dans le sens périphérique. Une autre caractéristique particulièrement remarquable de l'invention réside dans le fait que pour la fixation en place des parties ou segments formant les spires plates et pour obtenir l'étan- chéité de ces dernièreS, on prévoit un manteau ouvert dont la largeur intérieure peut êre modifiée et qui entoure le tube hélicoldal. En raison de l'action d'étanchéité du manteau on obtient 1' avantage prédéterminant que les spires tubulaires forment, avec le canal à moyen de refroidissementjun ensemble qui peut s'insérer facilement dans le boîtier tubulaire. En outre, dans cette forme d'exécution, le boîtier tubulaire ne doit assumer aucune fonction d'étanchéité par rapport au canal à moyen de refroidissement, ce qui simplifie la construction. Conformment à l'invention, on associe avantageusement au manteau, éventuellement en plusieurs couches, un deuxième ou plus de manteaux de diamètres différents qui, en étant glissés les uns dans les autres, divisent le boîtier à la verticale et forment des cylindres creux pour les spires tubulaires. De cette manière, plusieurs systèmes à serpentins peuvent être logés dans un seul échangeur de chaleur à tubes ou à spirales sans devoir craindre qu'ils ne se gênent mutuellement. Il est également possible dtuti- liser des spires tubulaires de diamètre différent sans qu'il soit nécessaire de prévoir des modifications. L'invention prévoit, en outre, que chaque manteau soit forgé par une plaque cylindrique dont les bords se placent bout-à-bout, l'asssemblage d'au moins des plaques en tôle extérieures ou leur application contre le tube hélicoïdal et les segments ou similaires étant obtenu par des bandes, des verrouillages de serrage ou similaires, en outre, lorsqu'on prévoit un manteau en deux ou plusieurs couches, les points d'about sont décalés les uns par rapport aux autres. Un tel manteau peut aisément compenser les tolérances de fabrication et, en outre, il est d'une réalisation peu coûteuse. Lorsqu'on veut obtenir des canaux à moyen de refroidissement particulièrement étanches, l'invention prévoit avantageusement qu'entre les segments ou sur les zones d'extrémité de ces derniers soient glissés des profilés d'étanchéité spéciaux. Enfin, lors de l'utilisation de plusieurs faisceaux de tubes conformes à l'invention, un avantage réside dans le fait que le manteau entourant l'un ou l'autre tube hélicoïdal et les segments, soit utilisé pour l'étanchéité du couvercle ou du fond du boîtier tubulaire, le couvercle ou le fond étant muni de bagues dtétanchéi- té et de centrage ou similaires. Plusieurs formes d'exécution, données à titre d'exemple non limitatif, sont représentées aux dessins annexés, dans lesquels : La fig. 1 est une vue latérale, partiellement découpée, de l'échangeur de chaleur conforme à l'invention. La fig. 2 représente, à plus grande échelle, un détail de l'échangeur de la fig. 1. La fig. 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la fig. 1. La fig. 4 est une forme d'exécution modifiée par rapport à cllle de la fig. 1 et également découpée. La fig. 5 est une vue latérale d'une partie de la spire plate. La fig. 6 est, à plus grande échelle, un détail découpé de la forme d'exécution de la fig. 4. La fig. 7 est une vue de dessus schématique de segments modifiés par rapport à ceux de la fig. 3. Les figs. 8 et 9 sont deux autres vues de dessus de segments de forme particulière. La fig. 10 est un détail servant à procurer l'étanchéité des segments par rapport à une paroi extérieure. La fig. 11 est un échangeur de chaleur à tubes à deux systèmes de conduits. La fig. 12 est une vue partielle d'une construction à systèmes de conduits différents. L'échangeur de chaleur à tubes 1 est constitué par un système à tubes courant, destiné à un fluide à refroidir, et formé par un ou plusieurs tubes hélicoïdaux 3 disposés dans un ou plusieurs canaux à fluide de refroidissement hélicoïdaux 2. Le canal hélicoldal 2 est délimité, à l'intérieur, par un tube de noyau 4 et, à l'extérieur, par un boîtier tubulaire 5. Ce dernier est obturé à la face frontale par des couvercles 6, 7 fixés par des vis et qui sont munis des conduits d'admission et d'évacuation 8, 9 ou 10,11 pour le fluide à refroidir et le moyen de refroidissement. Le canal hélicoïdal 2 est formé par des demi-anneaux plats 12 en tole qui, de l'extérieur, sont glissés individuellement dans le sens radial entre les pas qui se succèdent du tube hélicoïdal 3 de manière à se faire suite, avant que le système à tubes ne soit glissé dans le boîtier tubulaire 5.Les demi-anneaux plats 12 préserbbtent, au centre de leur diamètre intérieur, des découpes ou rainures 13 qui coopèrent avec des liteaux trapézoïdaux 14 fixés au tube de noyau 4. De ce fait, la fixation des anneaux plats 12-est facilitée et il est possible de garantir que les extrémités frontales des anneaux plats 12 s'ajustent avec précision7les unes contre les autres sans laisser subsister un intervalle. Les anneaux plats 12 sont maintenus dans leur position fonctionnelle par les tubes hé licoidaux 3, enroulés-sous-une pré-tension, de manière à çeappli- quer les uns contre les autres et ce n'est qu'ainsi qu'ils adoptent leur forme hélicoïdale.La largeur des anneaux plats 12 correspond à l'écartement intérieur entre le tube de noyau 4 et le boîtier tubulaire 5. Lorsqu'on prévoit plus qu'un tube hélicoïdal, les tubes héli- coldaux extérieurs 3 peuvent croiser d'une manière non-reprXsentée les tubes hélicoïdaux intérieurs et inversEment, à mi-longueur, afin de compenser les longueurs différentes des différentes voies de refroidissement. La construction de l'échangeur de chaleur suivant les figs. 4 à 7 se caractérise par rapport à la forme d'exécution de la fig. 1 du fait que les admissions et évacuations 8, 9 ou 10, 11 sont prévues surle couvercle inférieur 7. Au lieu d'être formé par des demi-anneaux plats 12, les canaux de moyen de refroidissement 2 sont formés par des segments 15 relativement étroits ou petits qui sont disposés sur une aile 16, c'est-à-dire que les segments 15 et l'aile 16 forment un profilé angulaire qui est glissé entre les spires tubulaires 3.L'aile 16 est fléchie chaque fois en 17 de manière à former enfin un polygone. I1 est évident que l'aile 16 permet la disposition précise et sûre des segments 15 En outre, l'aile 16 permet d'obtenir une étanchéité supplémentaires étant donné qu'elle remplit la hauteur du canal de moyen de refroidissement 2. De la fig. 8 il ressort que les segments 15 ne doivent pas absolument être trapézoïdaux mâis peuvent également adopter la forme de bandes. Dans un tel cas on obtient en 18 des chevauchements, tandis que suivant la fig. 7 les segments 15 se placent bout-about. Afin d'obtenir une meilleure étanchéité des extrémités inté rieures des segments 1S en forme de pattes 3 ces derniers sont adap- tés en 19 à la courbure du tube de noyau 4 A la fig. 9 on prévoit des obliquités 20 qui empêchent que les différents segments 15 ne se gênent mutuellement à l'endroit de leurs extrémités intérieures. La fig. 10 représente des profilés d'étanchéité 21 qui sont placés sur les segmenst 12 qui ne doivent pas nécessairement être formés par des demi-anneaux. Ces profilés 21 coopèrent d'une manière étanche avec le manteau du boîtier S, de manière qu'on ne risque aucune perte de moyen de refroidissrament. La fig. 11 représente un échangeur de chaleur à tubes 1 dans lequel toutes les admissions et évacuations 8 à 11 sont à nouveau prévues au couvercle inférieur 7. Le manteau 5 forme un genre de cloche et ivest pressé-, au moyen de vis de serrage 22, contre le couvercle inférieur 7. A l'intérieur, cet échangeur 1 est divisé en deux systèmes à tubes 23, 24, et ce, par des manteaux 25, 26. Chacun de ces manteaux 25, 26 est formé par des tôles cylindriques qui se placnnt bout-à-bout en 27. L'assemblage du manteau est obtenu au moyen d'une bande de serrage 28. En outre, il ressort de la figure que le manteau 26 coopère avec un anneau de centrage et d'étanchéité 29 du fond 7. De la fig. 11 il ressort clairement que les systèmes à tubes 23, 24 peuvent être glissés sur le tube de noyau 4 en tant qu'ensembles séparés. Enfin la fig. 12 représente qu'outre mes systèmes à tubes 23, 24, il est également possible de prévoir d'autres systèmes 30, 31 lorsqu'on utilise un nombre suffisant de manteaux en tôle et que ces derniers sont rendus étanches, de manière que la circulation du moyen de refroidissement doive nécessairement s'effectuer en contre-courant d'un système au suivant. I1 est également indiqué qu'on peut utiliser, sans plus, des tubes 3 à diamètres différents sans nuire à l'action. Enfin, il est possible de prévoir plusieurs flux de moyen de refroidissement en prévoyant une réalisation appropriée. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Echangeur de chaleur à tubes constitué-par un boîtier tubulaire, par un tube de noyau et par au moins un tube hélicoïdal disposé dans l'espace annulaire subaistant entre le boîtier et le tube de noyau, tandis que le tube hélicoldal ou serpentin analogue est prévu dans un canal plant destiné au moyen de refroidissement et reçoit le fluide à refroidir, caractérisé en ce que les spires plates (canal à moyen de refroidissement) sont formées par un nombre élevé de parties ou segments non-tordus, reliés les uns à la suite des autres et glissés, à l'extérieur du boîtier, radiale relent entre les pas qui se succèdent du tube hélicoïdal, les dits segments étant fermement fixés en place. 2.- cangeur de chaleur à tubes suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les parties ou segments formant les spires plates sont constitue par des demi-anneaux plats dont la face orienté vers le tube de noyau est munie d'une rainure qui est engagée par un des liteaux disposés en face l'un de l'autre au tue de noyau et orientés axialement. 3.- échangeur de chaleur à tubes suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les liteaux et les rainures sont trapézoïdaux. 4.- Echangeur de chaleur à tubes suivant les revendications 1 à 3 prises dans leur ensemble, caractérise en ce que les liteaux sont fixés au moins par leurs extrémités au tube de noyau. 5.- Echangeur ae chaleur à tubes suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les parties ou segments fermement fixés en position et formant les spires plates sot disposé en ore de pattes sur une aile qui, avec ces parties ou segments, forme un profilé angulaire, l'aile du profilé angulaire encastré étant piusieurs fois fléchie et remplissant la hauteur de la spire plate. 6.- Echangeur de chaleur à tubes suivant les revendications 1 et 5, caractérisé n ce que les parties ou segments en forme de pattes représentent des orantes ou des trapèzes qui, aux extrémités intérieures, sont adaptés à la courbure du tube de noyau, alors que dans le sens périphérique ils sont éventuellement adaptes aux conditions de place qui e=istent. 7. Echangeur ce caleur à tubes suivant los revendicationslà G prises dans leur ensemble, caracterise en ce que pour la fixation en position des parties ou segments formant les spires plates et pour obtenir l'étanchéité nécessaire, on prévoit un manteau ouvert, dont la largeur interieure peut être modifiez et qui entoure le tube hélicoïdal. S.- Echangeur de chaleur à tubes suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'au manteau éventuellement à plusieurs couches- on associe un deuxième ou d'autres manteaux de diamètres différents qui sont glissés les uns dans les autres et divisent le boîtier dans le sens vertical en formant des cylindres creux dans lesquels se disposent des spires tubulaires. .-9- Echangeur de chaleur suivant les revendications 7 et 0, caractérisé en ce que chaque manteau est formé par au moins une plaque en tôle cylindrique dont les bords se placent bout-à-bout, l'assemblage au moins des plaques en tôle extérieures ou leur application contre le tube hélicoïdal et les segments étant obtenu au moyen-de bandes ou de verrouillages de serrage ou similaires, en outre, lorsqu'il s'agit d'un manteau à deux ou plus de couches, les points 'about sont décalés les uns par rapport aux autres. 10.- Echangeur de chaleur à tubes suivant les revendications 1 à 9 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce qu'entre les segments ou sur les zônes d'extrémité de ces derniers sont glissés ou insérés des profilés d'étanchéité spéciaux. 11.- Echangeur de chaleur à tubes suivant les revendications 1 à 10 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que les faces frontales du manteau entourant l'gnou l'autre tube hélicoïdal et les segments sont utilisées pour fournir l'étanchéité du couvercle ou du fond du boîtier tubulaire, le couvercle ou le fond étant muni d'anneaux d' & anchéité ou de centrage ou similaires.