Brevet FR2086290A1 — publié le 19711231

i. 2086290 La présente invention est relative à des échangeurs de chaleur du type à tubes et enveloppe et plus spécialement à un é-changeur de chaleur comprenant des plaques de chicane avec des moyens de mise en position incorporés. Les plaques de chicane sont 5 utilisées dans les échangeurs de chaleur à tubes et enveloppe pour deux raisons principales : a) comme support pour les tubes échangeurs de chaleur placés dans la longueur de l'échangeur, b) comme moyen pour diriger un fluide échangeur de cha-10 leur suivant un chemin sinueux à travers les tubes pour obtenir u- ne exposition d'échange de chaleur maximum. Pendant la construction de l'échangeur de chaleur, il est nécessaire d'espacer ou de mettre en position axiale les plaques de chicane au long de l'échangeur pour réaliser à la fois les sup-15 ports désirés et le chemin d'écoulement. Divers procédés ont été employés pour espacer et mettre en position ces chicanes. Un procédé couramment employé est d'utiliser une chicane dans lequel le trou de tube est monté de façon relativement étanche sur le tube. Ainsi, après avoir inséré les tubes à travers les 20 trous, il y a une friction considérable entre chaque chicane et les tubes, ce qui peut être suffisant pour maintenir la chicane en place. Malheureusement, quelquefois, à cause des vibrations, la chicane peut se désajuster et glisser de sa position ou bien découper ou sectionner le tube. 25 Un autre procédé consiste à souder par brasure ou par sou dage, les chicanes aux tubes. Un inconvénient de ce procédé est que la chaleur de soudage ou de brasage recuit et ainsi affaiblit les tubes. Des dispositifs mécaniques séparés ont été employés très JO fréquemment. Ils consistent quelquefois en barres ou tiges longitudinales sur lesquelles les chicanes sont vissées, avec des sections de tubes intermédiaires pour garder les chicanes correctement espacés. Dans un autre dispositif mécanique distinct, des barres longitudinales à encoches et à rainures sont fixées sur les chica-35 nés sur leur pourtour extérieur. L'enclenchement des chicanes dans les encoches les maintient en place. Ces deux procédés sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n° 2.873.098 et 3.240.267. Un autre procédé pour positionner les chicanes les unes par rapport aux autres et par rapport à l'enveloppe consiste à res-40 serrer l'enveloppe extérieure localement de façon à empêcher ou à 71 1*»596 2' 2006290 réduire les déplacements axiaux de la chicane. Des moyens variés de ce genre sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n° 1.794.336, 2.978.226 et 3.240.267. La présente invention est un perfectionnement des procé-5 dés précités de la technique antérieure, en ce sens qu'elle fournit une chicane qui possède des moyens de mise en position incorporés (soit comme une partie intégrante, soit comme une partie rapportée préassemblée) saillant de l'un ou des deux côtés et conçus de façon à garder les séries de chicanes et leur collecteur 10 convenablement orientés dans leurs positions propres. La présente invention prévoit de plus des chicanes comportant des moyens de mise en position qui comprennent des moyens d'interverrouillage entre les chicanes, de sorte qu'une série de chicanes peut être pré-assemblée dans une cage ou structure de tu-15 bes dans laquelle les tubes peuvent être insérés simplifiant ainsi d'une façon importante le processus d'assemblage. Une telle disposition fournit des moyens précis, sûrs et simples pour positionner, au début, toutes les chicanes à la fois axialement et rotati-vement les unes par rapport aux autres et assurer que durant le 20 processus d'assemblage des tubes à l'échangeur de chaleur, les chicanes resteront en bonne position. Ceci assure de plus que pendant l'existence de l'échangeur, les chicanes seront maintenues fermement dans la bonne position dans l'échangeur. Une telle disposition est, par sa structure, plus simple et plus économique que 25 tout autre dispositif de la technique antérieure. La présente invention prévoit de plus des plaques de chicane qui peuvent être constituées par un composé organique élastique maléablè ce qui revient moins cher et dure plus que les chicanes composées antérieurement de laiton ou de cuivre. 30 La présente invention prévoit de plus un procédé d'assem blage d'un échangeur de chaleur qui est grandement simplifié et plus économique que les procédés d'assemblage de la technique antérieure . La présente invention sera plus apparente de la descrip-35 tion suivante faite en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels : La figure 1 est une section longitudinale au centre d'un échangeur incorporant les principes de la présente invention. La figure 2 est une vue en plan d'une des chicanes de 1' 40 échangeur de chaleur. 71 14596 3. 2086290 La figure 3 est une vue de côté de la chicane représentée dans la figure 2. La figure 4 est une vue en coupe transversale détaillée à une échelle quelque peu agrandie, prise suivant la ligne 4-4 de la 5 figure 2. La figure 5 est une vue en coupe transversale détaillée à une échelle quelque peu agrandie, prise suivant la ligne 5-5 de la figure 2. La figure 6 est une vue en coupe transversale détaillée à 10 une échelle quelque peu agrandie, prise suivant la ligne 6-6 de la figure 2. La figure 7 est une vue en coupe transversale détaillée à une échelle quelque peu agrandie, prise suivant la ligne 7-7 de la figure 3. 15 La figure 8 est une vue en coupe transversale détaillée à une échelle quelque peu agrandie, prise suivant la ligne 8-8 de la figure 3. La figure 9 est une vue en perspective d'un autre exemple de réalisation d'une chicane selon des caractéristiques de la pré-20 sente invention. La figure 10 est une vue de côté représentant une construction modifiée de la plaque de chicane. La figure 11 est une vue de côté représentant une autre construction modifiée de la plaque de chicane. 25 La figure 12 est une vue de côté représentant encore une autre modification de la plaque de chicane. En se reportant maintenant à la figure 1, on représente un échangeur de chaleur généralement référencé 10. L'échangeur de chaleur comprend deux collecteurs 11 et 12, deux plateaux à tubes 30 15 et 16, chacun réuni à un collecteur et une enveloppe 17 réunissant les plaques 15 et 16. Une arrivée de fluide 20 est délimitée dans le plateau à tubes 16 pour un premier fluide à échange de chaleur. Le conduit 21 est relié à l'entrée de fluide. Une sortie du fluide 22 est délimitée dans le plateau à tubes 15 pour le pre-35 mier fluide d'échange de chaleur. Le conduit 25 est relié à la sortie de fluide 22. Une entrée de fluide 26 est délimitée dans le collecteur 12 pour un deuxième fluide d'échange de chaleur. U-ne sortie du fluide 27 est délimitée dans le collecteur 12 pour le deuxième fluide d'échange de chaleur. Une chambre d'entrée 30 est 40 délimitée par le collecteur 12 adjacent à l'entrée de fluide 2o. 71 14596 4. 2086290 Une chambre de sortie 31 est délimitée par le collecteur 12 adjacent à la sortie 27. Le collecteur 12 possède un cloisonnage central 32 suivant le diamètre qui sépare la chambre d'entrée 30 de la chambre de sortie J>1. Une chambre à fluide 33 est délimitée par 5 le collecteur 11. Il existe plusieurs tubes à échange de chaleur parallèles 3^ et 35 en nombre convenable quelconque et en agencement suivant la pratique normalisée et situés entre les plateaux à tubes 15 et 16, leurs parties d'extrémité passant à travers une série d'orifices 10 36 situés dans les plateaux. Les tubes 3^ sont en communication a-vec la chambre d'entrée 30 et les tubes 35 avec la chambre de sortie 31. Les deux jeux de tubes 3^ et 35 sont en communication avec la chambre à fluide 33* Les tubes sont scellés aux supports par 1' une des nombreuses manières habituelles, comme par le brasage. 15 Les tubes sont supportés entre les plateaux 15 et 16 par une série de chicanes 37. Comme représenté au mieux dans la figure 2, chaque chicane 37 est constituée d'une pièce généralement circulaire ayant un segment suivant une corde enlevé depuis un côté pour offrir un passage au premier fluide échangeur de chaleur. Les 20 chicanes sont agencées alternativement en relation espacée avec leur segment en quinconce d'un côté et de l'autre de l'enveloppe 17 de l'échangeur de chaleur pour créer un chemin sinueux, comme l'indiquent les flèches dans la figure 1, pour un premier fluide échangeur de chaleur à partir de l'entrée 20 à une extrémité de 25 l'enveloppe jusqu'à la sortie 22 à l'autre extrémité de l'enveloppe. Les chicanes possèdent de nombreux orifices 40 à travers lesquels sont insérés les tubes 3^ et 35 d'échangeur de chaleur. Comme représenté dans la figure 3> chaque chicane est constituée d'un élément de plaque 41 ayant des surfaces avant et 30 arrière axialement opposées respectivement 42 et 45. On représente les moyens de mise en position généralement référencés 46 réunis à l'élément de plaque 41 et faisant saillie sur au moins un côté de la surface avant ou arrière de celui-ci. La figure 2 représente un premier groupe de moyens de mi-35 se en position 47 situés à la périphérie de la chicane 37 et un second groupe de moyens de mise en position 50 situés intérieurement à cette périphérie. Les détails des moyens de mise en position 47 sont mieux représentés dans les figures 4 et 5 et les détails des moyens de mise en position 50 dans la figure 6. 40 Les moyens de mise en position 46 représentés dans la 71 14596 5. 2Q8629Q figure 3 font saillie à la fois sur les surfaces avant 42 et arrière 54 de la plaque 41 et comprennent une première extrémité 51 se prolongeant axialement depuis la surface arrière 45 de la plaque 41. La première extrémité 51 comporte un raccord axial mâle 52. Le rac-5 cord 52 comporte une partie cylindrique 55» une extrémité conique 56 reliée à la partie cylindrique 55* un anneau circulaire 57 placé sur la partie cylindrique 55* de diamètre plus grand que celui de la partie cylindrique. Les moyens de mise en position 46 comprennent aussi une deuxième extrémité 60 se prolongeant axialement depuis la 10 surface avant 42 de la plaque 41. La deuxième extrémité 60 définit une cavité de raccord axiale se prolongeant intérieurement et qui comprend une partie généralement cylindrique 62 et une rainure annulaire 65 d'un diamètre plus grand que celui de la partie cylindrique 62. La cavité de raccord 61 est adaptée pour recevoir en prise 15 un raccord mâle 52 d'une chicane adjacente. Le raccord mâle 52 et la cavité de raccord 61 sont conçus de telle sorte que quand le raccord mâle est introduit dans la cavité, l'anneau circulaire 57 se déforme légèrement en entrant dans la partie cylindrique 62, et en entrant davantage, il peut s'expan-20 ser dans la rainure annulaire 65. Un tel agencement assure une liaison positive entre chicanes adjacentes, liaison qui peut seulement être rompue en exerçant un effort de séparation d'une plus grande intensité que celui normalement rencontré dans le fonctionnement d'un tel échangeur de cha-25 leur. Une telle liaison sert à positionner les chicanes adjacentes à la fois axialement et rotativeinent les unes par rapport aux autres et sert à empêcher un mouvement relatif axial et de rotation entre ces chicanes. Les moyens de mise en position 46 peuvent être, soit une partie intégrante de la chicane, soit une partie rapportée pré-30 assemblée. Soit la chicane, soit les moyens de mise en position ou les deux peuvent être constitués par un composé organique élastique maléable. Les composés que l'on a trouvé convenables d'utiliser pour cet usage ont été des matériaux comme le nylon traité (polyamides) et les polyesters à haute température comme l'éther polyaryle, ce-35 pendant, d'autres matériaux thermodurcissables et thermoplastiques seraient également utiles. La figure 9 représente une forme de chicane modifiée comprenant des moyens de mise en position 66 s'étendant axialement depuis une surface avant 67 d'une chicane 70 et définissant des raccords axiaux mâles 71. D'autres moyens de mise en position 72 ^0 sont reliés à la chicane 70 et s'étendent depuis la surface avant 71 14596 6. 2086290 67 dans la même direction que les moyens de mise en place 66. Les moyens de mise en position 72 définissent des cavités de raccord 75 axiales et s'étendant intérieurement. On montre une disposition semblable des moyens de mise en position 76 et 77 s'étendant 5 depuis une surface arrière 80 de la chicane 70. Les moyens de mise en position j6 définissent des cavités de raccord (ou raccords femelles) et les moyens de mise en position 77 des raccords mâles. La figure 10 représente un autre exemple de réalisation d'une chicane qui comprend une plaque de chicane 81 de section on-10 dulée. On comprendra qu'une telle construction est plus résistante qu'une chicane plane. La chicane 8l comprend des moyens de mise en position 82 et 85 du genre décrit plus haut. La figure 11 représente un autre exemple de réalisation d'une chicane 86 qui comprend des nervures de renforcement 87 rac-15 cordées à la chicane pour ajouter de la rigidité. La figure 12 décrit un autre exemple de réalisation d'un ensemble de chicanes qui comprend des prolongements 90 qui sont a-daptés à chaque extrémité pour engager et mettre en prise les moyens de mise en position 91 des chicanes adjacentes 92 et 95 et 20 servent à espacer les chicanes axialement et à les tenir écartées plus que les moyens de mise en position pourraient le permettre. Le fonctionnement de l'échangeur de chaleur à tubes et enveloppe comme représenté dans la figure 1 se fait comme suit. Le deuxième fluide à échange de chaleur est admis à l'entrée de 25 fluide 26 et s'écoule vers la chambre d'entrée 30 où il est transmis à tous les différents tubes d'échange de chaleur 34 en communication avec la chambre 30. Le fluide s'écoule à travers les tubes 34 Jusque dans la chambre à fluide 33. Le fluide passe de la chambre à fluide 33 dans un deuxième ensemble de tubes d'échange 30 de chaleur 35 à travers lesquels le fluide s'écoule Jusqu'à la chambre à fluide 31' Le fluide s'écoule de la chambre 31 jusqu'à la sortie de fluide 27. Le premier fluide d'échange de chaleur s'écoule depuis le conduit 21 à travers l'entrée de fluide 20. Le fluide alors, suit un chemin sinueux autour des chicanes comme le 35 montrent les flèches de la figure 1 en relation d'échange thermique avec les tubes 3^ et 55» Le chemin sinueux à travers lequel s'écoule le premier fluide d'échange de chaleur sert à augmenter au maximum l'efficacité des échanges de chaleur de ce dispositif. Le premier fluide d'échange de chaleur est évacué de l'échangeur 40 10 par la sortie 22 et le conduit 25. 71 1455b 2086290 Un procédé préféré pour assembler un tel échangeur de chaleur qui emploie les chicanes avec les moyens de mise en position incorporés décrits plus haut, comprend l'assemblage d'un é-lément de l'échangeur de chaleur : d'abord en formant une cage de 5 tubes par réunion de plusieurs chicanes les unes aux autres en reliant les moyens de mise en position de chicanes adjacentes pour que les orifices de chaque chicane soient sensiblement alignés sur un axe et pour que les chicanes soient disposées alternativement pour former un chemin sinueux pour un premier fluide échangeur de 10 chaleur ; en insérant plusieurs tubes d'échange de chaleur suivant un axe à travers la cage de tubes ; en insérant la cage de tubes assemblée dans une enveloppe ; en plaçant un plateau à tubes à chaque extrémité de la cage tubulaire et en alignant les ouvertures dans le plateau à tubes avec les tubes à échange de chaleur ; en 15 scellant les tubes aux plateaux à tubes ; et en scellant les plateaux à tubes à l'enveloppe. Les collecteurs sont ensuite réunis à l'élément en les scellant aux plateaux à tubes. Ainsi, on a montré que l'on pouvait concevoir un échangeur de chaleur à tubes et à enveloppe qui comporte plusieurs chi-20 canes transversales situées à l'intérieur de l'enveloppe, ces chicanes comprenant des moyens de mise en position adaptés pour réunir des chicanes adjacentes et les positionner à la fois axialement et rouativement les unes par rapports aux autres. Ensuite, on a montré une chicane qui peut être constituée par un composé orga-25 nique élastique maléable. Pour assembler un tel échangeur de chaleur, on a décrit un procédé qui constitue un moyen précis, sûr et économique d'assemblage d'un tel échangeur de chaleur. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire JO susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'~rt. 71 14596 8. 2Q86290 REVENDICATIONS 1 - Chicane pour un échangeur de chaleur à tubes et enveloppe comportant des tubes et une enveloppe creuse, cette chicane étant adaptée pour être placée dans l'enveloppe et étant consti- 5 tuée par une plaque ayant des surfaces avant et arrière axialement opposées et délimitant de nombreux orifices, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de mise en position reliés à la plaque de chicane et faisant saillie sur au moins une de ses surfaces, ces moyens de mise en position ayant au moins une extrémité en for- 10 me de cheville faite pour engager au moins une plaque de chicane voisine suivant un axe, cet engagement étant efficace pour positionner la plaque de chicane à la fois axialement et rotativement par rapport à la plaque de chicane voisine et pour restreindre le mouvement relatif axial et de rotation entre les plaques de chica- 15 ne. 2 - Chicane selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de mise en position comporte une autre extrémité en forme de cheville s'étendant depuis la surface opposée de la plaque de chicane et adaptée pour engager suivant un axe sur le côté 20 opposé à cette chicane, une plaque de chicane voisine. 3 - Chicane selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les extrémités en forme de cheville sont conçues pour définir des raccords mâles et femelles pour les chicanes voisines. 25 4 - Chicane selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens de mise en position font partie intégrante de la plaque de chicane. 5 - Chicane selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la plaque de chicane et les moyens de 30 mise en position de celle-ci sont constitués par un composé organique élastique. 6 - Chicane selon l'une quelconque des revendications 1 à 5* caractérisée en ce que les extrémités mâles en forme de cheville sur la plaque de chicane possèdent des collerettes périphé- 35 riques pour s'engager par compression avec des évidements annulaires situés à l'intérieur des cavités femelles définies dans les extrémités en forme de cheville d'une plaque de chicane voisine.