Brevet FR2098411A1 — publié le 19720310

La présente invention concerne un échangeur de chaleur, destiné à un échange de chaleur entre deux agents. Wat échangeur comporte un carter en forme d'enveloppe à surface extérieure de révolution et qe traversent des tubes, constituant les éléments échangeurs, ce*x-ci étant branchés parallèlement l'un à l'autre et rassemblés en un faisceau. et échangeur comprend également une tubulure d'entrée et une tubulure de sortie débouchant dans le carter, par la première desquelles le premier des deux agents, qui baigne la paroi externe des tubes, traverse le carter, tan dis que le second agent baigne la paroi interne des tubes, grâce à quoi la température et la pression du premier agellt chutent. Le carter est à double paroi depuis le caté présentant la tubu lure d'entrée, au moins jusqulau-dessus d'une partie du faisceau de tubes et 1'espace compris dans cette double paroi communique avec l'intérieur du carter. Une construction connue de ce genre a pour objet d'éviter le contact direct du premier agent, très chaud, avec l'enveloppe du carter. autrement, en raison des températures élevées du premier agent, il faudrait construire le carter en une matière d'alliage, plus chère et résistant à la chaleur. Avec cette construction connue, le premier agent ne parvient que refroidi sur l'enveloppe du carter et la totalité de cet agent est amenée à la tubulure de sortie à travers l'espace compris dans la double paroi. Il en ré sulte toutefois que le premier agent, déjà refroidi. est chauffé à nouveau dans cet espace. Cet inconvénient réduit l'efficacité souhaitée de ce genre d'appareil. L'invention se pose le problème d'éliminer cet inconvénient tout en continuant à protéger l'enveloppe du carter contre le contact du premier agent très chaud. belon l'invention, on obtient ce résultat en connectant l'espace intermédiaire de la double paroi à deux endroits de l'espace intérieur du carter, le premier agent se présentant sous des pressions différentes à ces deux endroits. De cette manière, à l'endroit où débouche le premier agent sous la pression la plu élevée, une partie du courant principal de ce premier agent déjà refroidi va dans l'espace ntermédiaire de la double paroi et, en le traversant pour atteindre l'autre endroit où elle peut déboucher, passe de la pression la plus éle vée à une pression inférieure. A ce second endroit, la partie précitée du courant principal est entratnée en même temps qu'elle s'y incorpore. Tout le premier agent coule alors vers la tubulure de sortie en continuant à Btre encore refroidi en chemin et non, comme dans les constructions connues jusqu'ici, à être chauffé à nouveau. Ci-après, l'invention sera décrite et exposée plus en détail en référence au dessin joint, qui en représente des exemples de réalisation sous une forme simplifiée. Sur le dessin il est représenté Figure 1 : une coupe longitudinale axiale d'un échangeur de cha leur, Figure 2 : une coupe transversale de 1' échangeur de chaleur de la figure 1, Figure 3 : une coupe longitudinale axiale d'un autre échangeur de chaleur et Figure 4 : une coupe transversale suivant l'axe IV-IV de la fi gure 3. Dans 1' exemple de réalisation de l'échangeur de chaleur représenté aux figures 1 et 2, le carter 1 présente une enveloppe de forme de révolution 2. Des tubes 3, en tant qu'éléments échangeurs, sont disposés parallèlement à l'axe longitudinal du carter 1. Les tubes 3 sont branchés parallèlement l'un à l'autre et rassemblés en un faisceau circulaire 4. Aux tubes 3 se raccordent, d'un côté une conduite de distribution 5 et de l'autre côté une conduite collectrice 6.Une tubulure d'entrée 7 et une tubulure de sortie 8 débouchent dans le carter 1. Le premier agent est introduit dans le carter 1 par la tubulure d'entrée 7 et il traverse le carter 1 en baignant la paroi externe des tubes 3 du faisceau 4 et des conduites de distribution 5 et collectrice 6. le premier agent quitte le carter I par la tubulure de sortie 8. Pour que les tubes 3 du faisceau 4 soient baignée bien uniformément, un chemin est tracé à l'écoulement du premier agent dans le carter, au moyen de cloisons de séparation 9, 10, 11, 12 et 13. Ces cloisons 9 à 13 sont placées transversalement par rapport à l'axe longitudinal du carter, de façon que l'écoulement soit détourné de 1800 aux points 14, 15, 16, 17 et 18. (Voir les flèches sur les figures). Le second agent coule dans un sens sensiblement opposé au sens de l'écoulement du premier agent et baigne la paroi interne des tubes 3 du faisceau 4 et des conduites de distribution 5 et collectrice 60 En suivant le chemin indiqué, la température et la pression du premier agent tombent lorsqutil traverse les parties du faisceau de tubes 4 délimitées par les cloisons 9 à 130 Une partie du carter 1 est à double paroi.L'enveloppe intérieure 19 s'étend coaxialement à son axe longitudinal dans le carter 1 depuis le côté présentant la tubulure d'entrée 7 jusqu'au dessus d'une partie du faisceau de tubes 4, c'est-à-dire, au-dessus de la zone parcourue par le premier agent dans laquelle la température de celui-ci serait encore à prendre en considération au point de vue de la résistance à la chaleur du matériau choisi pour l'enveloppe 2 du carter 1. le repère 20 désigne l'espace compris dans la double paroi. Une gaine intérieure 21 de la tubulure d'entrée 7 traverse l'es- pace 20. Un tube d'évacuation 22 de la conduite collectrice 6 traverse pareillement la double paroi. L'espace 20 compris dans la double paroi débouche en deux endroits 23 et 24 dans le carter 1. Ces endroits 23 et 24 sont choisis de manière que le premier agent se trouve en 23 sous une pression différente, en fait supérieure, de celle sous laquelle il se trouve en 24. Une conduite 26 met en communication en 24 l'espace 20 compris dans la double paroi avec l'intérieur 25 du carter 1. La conduite 26 débouche sensiblement dans l'axe longitudinal du carter, gracie à une couronne de tubes 27 disposés dans l'espace 20. Le point 24 où débouche la conduite 26 est situé à un endroit 17 de détournement du courant du premier agent. La paroi interne de l'enveloppe intérieure 19 et la paroi externe des tubes 27 sont munies d'une couche calorifuge (non représentée) dans la zone du chemin suivi par le premier agent, depuis la tubulure d'entrée 7 jusqu'au faisceau de tubes 4. le premier agent, très chaud à son entrée dans l'échangeur de chaleur, est déjà fortement refroidi après avoir suivi le chemin allant de la tubulure d'entrée 7 aux tubes de la conduite collectrice 6 et passant par les parties du faisceau de tubes 4 délimitées par les cloisons 9 et 10, puis ensuite 10 et 11, ctest-i- dire, après avoir couvert la moitié de la surface d'échange de chaleur existante. Sa température, pour autant qu'elle concerne la contrainte thermique imposée à cet endroit à l'enveloppe 2 du carter 1, est négligeable pour les calculs de résistance.Une partie du premier agent refroidi diverge du courant principal pour déboucher par la couronne 23 dans 1' espace intermédiaire 20 de la double paroi et, le traversant, refroidit cet espace, dtoù il sort par la conduite de liaison 26, pour déboucher au point 24 dans l'espace intérieur 25 du carter 1. Ce faisant, à l'endroit 24 où elle débouche, cette partie du courant principal du premier agent est entraînée au point de détournement 17 du parcours et elle y est incorporée au courant principal. La dernière phase de l'échange de chaleur se produit sur la partie du faisceau de tubes 4, délimitée entre les cloisons de séparation 12 et 13 ainsi qu'à la conduite de distribution 5, la totalité du premier agent quittant ensuite le carter 1 de 1' é- changeur de chaleur par la tubulure de sortie 8. L'exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur représenté aux figures 3 et 4 comporte un faisceau de tubes parallélépipédiques 31 auquel se raccordent, d'un côté, une conduite de distribution 32 et, de l'autre côté, une conduite collectrice 33. le chemin suivi par le premier agent est tracé d'une tubulure d'entrée 34 à une tubulure de sortie 35 au moyen de cloisons de séparation 36, 37, 38, 39 et 40. Ce chemin présente des points de détournement 41, 42, 43, 44 et 45. Une partie du carter est à double paroi. L'enveloppe intérieure 46 comprend deux parties la première 461 va jusqu'd un point 47 où elle débouche, la seconde, 462, Jusqu'd un point 48, où elle débouche également. L'espace 49 compris dans la double paroi est partagé en deux compartiments par des cloisons 50, disposées dans le plan horizontal passant par l'axe longitudinal du carter. Ces compartiments 491 et 492 communiquent d'un côté (du côté de la conduite collectrice 33) et débouchent, de l'autre côté, par des passages en forme de demi-couronnes 47 et 48, à l'intérieur du carter de l'é- changeur de chaleur. Deux cloisons de séparation, désignées sur les figures par la référence 51, se referment d'un côté sur la cloison 50 et s'étendent jusqu'à la cloison 40. Au point 47 le pr@mier agent est sous une pression différente, en fait plus élevée, que celle sous laquelle 11 se trouve au point 48. Le premier agent, très chaud à son entrée dans le carter, est déjà fortement refroidi après avoir suivi le chemin allant de la tubulure d'entrée 34 jusqu'au point de changement de direction 44, c'est-à-dire, après avoir couvert 75 % de la surface disponible pour l'échange de chaleur0 Une partie du premier agent refroidi se sépare du courant principal et débouche en 47 dans la partie 491 de l'espace compris dans la double paroi, traverse la partie 492 de l'espace 49 et débouche en 48, au point où l'écoulement du premier agent change de direction, à l'intérieur du carter. Cette partie du courant principal de premier agent se sépare en cet endroit du courant principal et s'y incorpore. Le premier agent quitte l'échangeur de chaleur par la tubulure de sortie 35. Les passages 23 et 24, ou 47 et 48, ainsi que le diamètre intérieur de l'espace 20, ou des compartiments 491 et 492 de la double paroi sont dimensionnés de manière que la partie du courant principal de premier agent qui se détache de ce courant comme décrit plus haut et qui est conduit à travers l'espace intermédiaire, comporte de 3 à 10 % de la totalité du courant principal dans le cas du premier exemple de réalisation (fig. 1, 2) et de 7 à 15 % (fig. 3, 4) dans le second exemple. il faut prendre en considération à ce point de vue la résistance thermique moyenne de la couche calorifuge et la longueur du chemin suivi par la partie considérée du courant principal à travers l'espace intermédiaire de la double paroi. le refroidissement de l'enveloppe du carter de l'échangeur de chaleur s'effectue sans que le premier agent soit chauffé à nouveau dans son ensemble pendant sa traversée jusqu'à la sortie du carter. Une petite partie seulement de la totalité de l'agent passe par l'espace compris dans la double paroi pour refroidir cet espace. Aucun apport sensible de chaleur ne parvient cependant à l'enveloppe du carter. La température de la paroi de l'enveloppe est compensée et il ne se forme pas de zWle d'échange à prendre en considération du point de vue de la résistance entre parties plus froides et parties plus chaudes de l'enveloppe du carter. La quantité de matière nécessaire à l'enveloppe inté rieure de la double paroi, qui peut être très mince, est réduite. Le mode de construction de l'échangeur de chaleur est d'une grande simplicité. R E V E N D I C A T I O N S Echangeur de chaleur, @estiné @ un échange de chaleur entre deux agents, comportant un carter en forme d'enveloppe à surface extérieure de révolution et que traversent des tubes, constituant les éléments échangeurs, branchés parallèlement l'un à l'autre et rassemblés en z faisceau, une tubulure d'entrée et une tubulure de sortie débouchant dans le carter, par la première desquelles le premier des deux agents, qui baigne la paroi externe des tubes, traverse le carter, tan dis que le second agent baigne la paroi interne des tubes, grâce à quoi la température et la pression du premier agent chutent et le carter étant à double paroi depuis le coté présentant la tubulure d'entrée, au moins jusqu'au-dessus d'une partie du faisceau de tubes et l'espace compris dans cette double paroi communiquant avec l'intérieur du carter, caractérisé en ce que l'espace intermédiaire compris dans la double paroi est connecté à l'intérieur du carter en deux en droits , le premier agent se présentant sous des pressions dif férentes à ces deux endroits. 2.- échangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace compris dans la double paroi communique d'un c8té avec l'intérieur du carter, au moyen d'une conduite, qui débouche, sensiblement dans l'axe longitudinal du carter, dans l'espace intermédiaire de la double paroi. 3.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace intermédiaire compris dans la double pa roi est partagé, par deux cloisons de séparation disposées dans un plan passant par l'axe longitudinal du carter, en deux parties, communiquant chacune, d'un coté avec l'autre, at de l'autre côté, avec l'intérieur du carter. 4.- changeur de chaleur suivant la revendlcation 1, caractérisé en ce qu'un chemin, connu en soi, est tracé au premier agent au moyen de cloisons disposées transversalement sur l'axe longitudinal du carter en présentant plusieure points de changement de direction au courant, un des points où débouche ce courant se trouvant à l'un des endroits où il change de direction. 5.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe intérieure de la double paroi est mu nie d'une couche calorifuge au moins dans la zone du chemin suivi par le courant depuis la tubulure d'entrée jusqu'au faisceau de tubes. 6.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'enveloppe intérieure de la double paroi et la paroi de la conduite mettant en communication la double pa roi avec l'intérieur du carter sont pourvues d'une couche calorifuge, au moins dans la zone du chemin suivi par le pre mier agent depuis la tubulure d'entrée jusqu'au faisceau de tubes. 7.- échangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les sections de passage du premier agent ainsi que le diamètre intérieur de l'espace compris dans la double pa roi sont dimmensionnés de manière que la partie du courant principal de premier agent, qui se sépare de ce courant prin cipal et se trouve conduite par l'espace compris dans la dou ble paroi comprend de 3 à 15 ffi de la totalité du courant principal.