Brevet FR2086289A1 — publié le 19711231

La présente invention se rapporte à des échangeurs de chaleur du type à tubes et enveloppe et plus spécialement, à un échangeur de chaleur comportant des plaques de chicane définissant des orifices coniques entre leurs surfaces avant et arrière. Les plaques de chicane sont 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 de diriger un fluide d'échange de chaleur suivant un chemin sinueux à travers les tubes pour offrir une exposition maximum d'échange de chaleur. I1 est largement reconnu que dans un échangeur de chaleur du type à tubes et enveloppe, 11 efficacité dépend grandement de la possibilité qu'ont les chicanes de forcer le fluide à suivre une configuration d'écoulement sinueuse et turbulente. I1 est aussi généralement admis que ltefficacité est sérieusement affectée par la perte de fluide par ou à travers les chicanes. Une perte importante et la baisse correspondante dans l'efficacité se produisent quand les chicanes ne sont pas ajustées de façon étanche sur les tubes d'échange de chaleur. Ces sujets sont décrits minutieusement dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 2.873.098, 3.045.981 et 3.240.267. Plusieurs approches différentes existent dans la technique antérieure pour rendre une chicane libre de tels problèmes. QvXlquts fabricants ont chanfreiné les bords des orifices dans les chicanes pour enlever les bavures de cisaillement et pour faciliter l'introduction du tube au moment de l'assemblage. D'autres ont prévu des manchons avec des extrémités évasées en adjonctions aux chicanes. Un tel dispositif est décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique nO 3.045.981. Une autre approche est décrite dans le brevet nO 2.873.098 qui montre une chicane définissant un grand nombre d'ouvertures comprenant des rebords continus circonferen- tiels. Les rebords entourent et mettent en contact l'extérieur des tubes d'échange de chaleur avec la surface de la chicane. Cependant, certaines distensions existent, dans tous les dispositifs de la technique antérieure mentionnés plus haut. G6né- ralement, ils prévoient tous une surface de contact entre la chicane et le tube d'échange de chaleur le long de ltépaisseur entière de la chicane. Cette partie du tube ne peut pas fonctionner en relation d'échange de chaleur puisqu'elle n'est pas en contact étroit avec le fluide échangeur de chaleur. Empêcher une partie du tube de fonctionner comme échangeur de chaleur n'est pas critique quand on utilise des chicanes fabriquées dans une feuille de métal relativement mince, comme par exemple, du laiton, du cuivre, de l'acier inoxydable ou de l'acier. Ces matériaux sont bons conducteurs de la chaleur et n'interfèrent pas de façon appréciable avec le transfert de chaleur au fluide ou à partir du fluide. Cependant, quand les plaques de chicane sont constituées par des matériaux non métalliques, comme par exemple, un composé organique, élastique, maléable, elles doivent avoir une épaisseur augmentée. De plus, ces matériaux ne sont pas généralement bons conducteurs de la chaleur. Dans une telle situation, il devient plus critique de minimiser la surface du tube échangeur de chaleur qui ne peut pas fonctionner en relation d'échange de chaleur tout en maintenant un joint étanche au fluide entre la chicane et le tube échangeur de chaleur. La présente invention prévoit une chicane comportant un orifice conique défini entre les surfaces avant et arrière axialement opposées de l'élément de plaque de la chicane qui comprend une surface de contact annulaire adaptée pour s'engager avec une partie des tubes échangeurs de- chaleur. Ainsi, oeoi offre une surface de contact annulaire minimum entre la chicane et le tube échangeur de chaleur tout en rendant maximum cette partie du tube qui peut fonctionner en relation d'échange de chaleur. La présente invention prévoit un contact du fluide avec le tube échangeur de chaleur suivant sa longueur, sauf à la surface de contact annulaire limitée. Un tel dispositif prévoit aussi une bonne introduction des tubes durant l'assemblage. Un autre avantage de la présente invention est réalisé quand les chicanes-sont constituées de plastique moulé ou coulé sous pression car il produit un retrait convenable, empêchant ainsi le collage dans le moule ou la coquille. Un autre avantage de la présente invention quand elle est constituée de plastique moulé ou coulé sous pression est qu'elle offre un moyen simple pour ajuster le diamètre de l'orifice. A cause de l'incertitude des cadences de contraction de certains composés organiques élastiques, il est difficile de maintenir précisément les dimensions des ouvertures. En -utilisant une ouverture conique, le diamètre minimum de l'ouverture peut être facilement ajusté en moulant quelque peu la face du moule. La présente invention prévoit de plus des plaques de chicane qui peuvent être constituées d'un composé organique élastique maléable qui est moins onéreux et qui dure plus que les chicanes composées précédemment de laiton ou de cuivre. La présente invention sera mieux comprise de la description suivante en relation avec les dessins ci-joints dans les quels La figure 1 est une coupe longitudinale au centre d'un échangeur de chaleur incluant les principes de la présente invention. La figure 2 est une vue en plan de l'une des chicanes de ltéchangeur de chaleur. La figure 3 est une vue de côté en coupe à une échelle agrandie d'une partie de la chicane le long de la ligne 3-3 de la figure 2. La figure 4 est une coupe transversale d'un autre exemple de réalisation d'une plaque de chicane selon des caractéristiques de la présente invention. 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 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 d'échange de chaleur. Le conduit 21 est relié à l'entrée de fluide. Une sortie de fluide 22 est délimitée dans le plateau à tubes 15 pour le premier 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. Une sortie de fluide 27 est délimitée dans le collecteur 12 pour le deuxième fluide d'échange de chaleur.-Une chambre d'entrée 30 est délimitée dans le collecteur 12 adjacent à l'entrée de fluide 26. Une chambre de sortie 31 est délimitée par le collecteur 12 adjacent à la sortie 27. Le collecteur 12 possède un cloisonnement central 32 suivant le diamètre qui sépare la chambre d'entrée 30 de la chambre de sortie 31. Une chambre à fluide 33 est délimitée par le collecteur 11. I1 existe plusieurs tubes à échange de chaleur parallèles 34 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 36 situés dans les plateaux à tubes. Les tubes 34 sont en communication avec la chambre d'entrée 30 et les tubes 35 avec la chambre de sortie 31, Les deux jeux de tubes 34 et 35 sont en communication avec la chambre à fluide 33. Les tubes sont scet- lés au support par l'une des nombreuses manières, comme par brasage. Les tubes sont supportés entre les plateaux 15 et 16 par une série de chicanes 37. Comme représenté dans la figure 2, chaque chicane 37 est constitude 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 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'indi- quent les flèches dans la figure 1, pour un premier fluide échangeur de chaleur à partir de l'entrée 20 à une extrémité de l'enve- loppe jusqu'à la sortie 22 à l'autre extrémité de l'enveloppe.Les chicanes possèdent de nombreux orifices 40 à travers lesquels sont insérés des tubes 34 et 35 d'échangeur de chaleur. La chicane 37 comprend un élément de plaque 41 possédant des surfaces avant et arrière axialement opposées 42 et 45 respectivement. Des moyens de mise en position généralement référencés 46 sont représentés reliés à l'élément de plaque 41 et faisant saillie depuis ses surfaces avant et arrière. La figure 2 représente un premier groupe de moyens de mise en position 47 situés à la périphérie de la chicane 37 et un second groupe de moyens de mise en position 50 situés à l'intérieur de cette périphérie. Des détails de moyens de mise en position 47 sont représentés et décrits dans la demande de brevet américain n0 Soit la plaque de chicane 37, soit les moyens de mise en position 46'ou les deux peuvent être constitués par un composé organique élastique maléable. Les composés qu'il a paru convenable d'utiliser pour cet usage ont été des matériaux comme le nylon traité (polyamides) et les polyesters à haute température comme l'éther polyaryle, cependant, d'autres matériaux thermodurcissables et thermoplastiques seraient également convenables. Des détails des orifices 40 sont mieux représentés dans la figure 3. L'orifice 40 a une section transversale non uniforme et comprend une surface de contact annulaire 51 située entre les surfaces avant et arrière 42 et 45. La surface de contact annulaire 51 s'engage de manière étanche avec un tube échangeur de chaleur sur une très petite surface rendant maximum l'exposition des tubes au fluide échangeur de chaleur. Cependant, le contact étanche réalisé est suffisant pour empêcher toute fuite de fluide le long du tube à travers la chicane. L'ouverture 40 comprend aussi une surface conique 52 de diamètre croissant progressivement s'étendant et divergent depuis la surface de contact 51 Jusqu'à la surface avant 42. Comme représenté dans la figure 3, la surface de contact 51 est adjacente à la surface arrière 45 mais peut aussi être adjacente à la surface avant 42 ou n'importe où entre les surfaces avant et arrière. La figure 4 représente un autre exemple de réalisation d'une chicane 41 comportant une surface avant et arrière 42 et 45. Une surface de contact annulaire 55 est représentée équidistante entre la surface avant 42 et la surface arrière 45. La surface de contact 55 engage de manière étanche un tube échangeur de chaleur sur une très petite surface rendant maximum l'exposition du tube échangeur de chaleur au fluide échangeur de chaleur. L'orifice 40 comprend deux surfaces coniques 56 et 57 qui s'étendent et divergent depuis la surface de contact 55. La surface 56 s'étend en direction de la surface avant 42 et la surface 57 en direction de la surface arrière 45. Le fonctionnement de l'échangeur de chaleur à tubes et enveloppe, comme représenté dans la figure l,se fait comme suit. Le deuxième fluide d'échange de chaleur est admis à entrée de 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 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 montrent les flèches de la figure 1 en relation d'échange thermique avec les tubes 34 et 35.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 10 par la sortie 22 et le conduit 25. Ainsi, on a conçu un échangeur de chaleur à tubes et enveloppe qui comporte plusieurs plaques de chicane transversales situdes à l'intérieur de l'enveloppe, chicanes qui délimitent plusieurs ouvertures coniques qui comprennent une surface de contact annulaire située entre les surfaces avant et arrière de la chicane. De plus, on a montré qu'une telle chicane peut être faite d'un composé organique élastique, maléable. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Plaque de chicane pour un échangeur de chaleur à tubes et enveloppe comprenant des tubes et une enveloppe creuse, cette chicane étant adaptée pour être disposée dans l'enveloppe et étant constituée par un élément de plaque délimitant des surfaces avant et arrière axialement opposées ; caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs orifices définis dans l'élément de plaque de section transversale non uniforme, ces orifices comprenant une surface de contact annulaire adaptée pour engager une partie de l'un des tubes, et au moins une surface conique de diamètre augmentant progressivement s'étendant et divergent depuis la surface de contact jusqu'au moins une des surfaces avant ou arrière de l'élément de plaque. 2 - Plaque de chicane selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface de contact est adjacente à la surface arrière de l'élément de plaque et en ce que la surface conique s'étend et diverge depuis la surface de plaque arrière jusqu'à sa surface avant. 3 - Plaque de chicane selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend deux surfaces coniques s'étendant et divergent depuis la surface de contact et s'étendant jusque aux surfaces opposées de l'élément de plaque. 4 - Plaque de chicane selon la revendication 3, caractérisée en ce que la surface de contact est équidistante des surfaces avant et arrière de l'élément de plaque. 5 - Plaque de chicane selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle est constituée par un composé organique élastique maléable. 6 - Echangeur de chaleur à enveloppe et tubes, caractérisé en ce que l'enveloppe creuse contient plusieurs tubes et plaques de chicane assemblés comme revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 5.