Brevet FR2077755A1 — publié le 19711105

La présente invention concerne un échangeur de chaleur dans lequel une enveloppe ou chemise entoure un faisceau tubulaire, la chaleur étant transmise à travers les parois des tubes Dans l'exemple donné ici, qui illustre l'invention, un courant de gaz de combustion chauds traverse ltenveloppe de manière à préchauffer l'ai de combustion qui traverse les tubes. Une forme pratique de la présente invention est mise en oeuvre dans un préchauffeur d'air dans lequel un faisceau tubulaire est constitué par un ensemble d'éléments tubulaires en forme de boucles dont les extrémités sont réunies sur une seule plaque tubulaire de sorte que les extrémités d'entrée et de sortie de l'air sont disposées sur les côtés opposés respectifs d'un plan médian. Un collecteur monté sur la plaque tubulaire, divisé le long de e plan médian, forme les raccords d'entrée et de sortie pour l'air. L'entrée de l'air froid et la sortie de l'air chaud sont disposées, de cette manière, toutes les deux à la même extrémité de itenve- loppe. La présente invention résoud le problème présenté par les différences de dilatation thermique des parties des tubes qui se trouvent sur les côtés opposés du plan médian et qui sont dues à des différences de température entre les gaz de oorrcusti-r ar i-,anfi dont la température peut être de l'ordre de 810C et elle de l'air de combustion arrivant qui peut n'être qu'à la température am- biante. Avec une température résultante de sortie de l'alr . environ 204 à 2600, les branches des tubes qui se trouvent sur le ccE de sortie du plan médian sont beaucoup plus chaudes que les ra-enes qui se trouvent sur le côté entrée de ces tubes. Les différences de dilatation thermique et les tensions qui en résulter ans les boucles des éléments tubulaires peuvent avoir pour résultat iten- dommager et finalement d'entraîner la rupture des joints t lêmité des tubes. De plus, il peut se produire des déformations ou des déviations latérales du faisceau tubulaire avec des tensions résultantes non seulement sur les tubes mais également sur - enveoppe et le collecteur, ainsi que sur leurs raccords. La présente invention fournit un échangeur de chaleur per fectionné du type à enveloppe et faisceau tubulaire dans lequel les tensions thermiques indiquées plus haut sont supprimées et sont compensées au moins dans une mesure telle qu'elles ne sont pas nuisibles et qu'elles peuvent être absorbées facilement. Plus particulièrement, la présente invention a pour but de supprimer les tensions thermiques destructives qui s'exercent sur les joints des "branches chaudes" ou extrémités de sortie des tu bes, du fait que ces joints formés sur la plaque tubulaire sont plus vulnérables aux températures élevées que les joints formés aux extrémités d'entrée des "branches froides" des tubes. Pour obtenir ce résultat, l'échangeur de chaleur selon l'invention comporte une série d'éléments tubulaires entourés par une enveloppe comportant chacun à une extrémité une entrée pour le fluide chaud arrivant et une sortie pour le fluide chaud usé à son autre extrémité, les éléments tubulaires communiquant avec un collecteur pourvu d'une chambre d'entrée pour le fluide froid arrivant et d'une chambre de sortie pour le fluide chauffé sortant, cet échangeur de chaleur étant caractérisé par le fait que chacun des éléments tubulaires comprend deux branches en forme de L, à peu près parallèles l'une à l'autre et comportant une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie ouvertes, ces éléments tubulaires étant assemblés de façon à constituer un faisceau tubulaire en forme de L, dont toutes les extrémités ouvertes sont disposées au voisinage les unes des autres, ces éléments tubulaires communiquant de plus avec le collecteur par l'intermédiaire d'une plaque tubulaire disposée entre l'enveloppe et le collecteur et qui est reliée à toutes les extrémités ouvertes, les extrémités d'entrée ouvertes occupant une première partie de la plaque tubulaire et les extrémités de sortie ouvertes occupant une partie complémentaime de celle-ci, un dispositif de support monté dans l'enveloppe fixant les extrémités de sortie des éléments tubulaires en les em pendant de se déformer latéralement tout en leur permettant de ,'a onger longitudînalement par dilatation thermique. De e fait, suivant la présente invention, l'enveloppe de --2hanbeur de chaleur présente une configuration ayant la forme rel d'un L, comprenant par exemple une branche horizontale et ~.e branche ,verticale pendante. Cette enveloppe enferme un fais -au en : .e de L correspondant formé d'éléments tubulaires en -c-me de boucles. Les extrémités d'entrée et les extrémités de -c-;ie de ces éléments tubulaires se terminent sur une plaque tubu laire qui ferme l'extrémité libre de la branche horizontale de l'enveloppe.Un collecteur monté sur la chaque tubulaire forme les raccords d'entrée et de sortie des tubes. On voit ainsi qu'un élément tubulaire comporte une "branche froide" en forme de L e une !'branehe haude" également n forme le L qui sont à peu près parallèles, e une communication transver- sale ou parte courbée en forme de tu disposée entre les extrémtiés inférieures pendantes des branches au forme de b parallèles. Dans la présente invention, la partie horizontal de la bran- che cnaude" est supportée à l'intérieur de l'enveloppe d'une maniè- re ne lui permettant de se dilater sous l'action de la chaleur que dans le sens longitudinal, tout en permettant à la partie restante de l'élément tubulaire de se dilater librement. La grande longueur horizontale et verticale que présente l'élément tubulaire par rapport à son diamètre, lui permet d'absor ber facilement les différences de dilatation ou d'allongement en tre ses branches parallèles "chaudes" et "froides"; Bien que ceci puisse produire de légères déformations des parties du tube qui ne sont pas supportées, les tensions n'ont que des effets négli geables sur la totalité du tube et sur ses raccords du rait du "montage t" des partes pendant verticalement des éléments tubulaires. De cette manière, la boucle pendant verticalement d'un élé ment tubulaire en forme de L, forme en fait un joint de dilatation compensant les différences de température entre les parties nori- zontales "chaudes" et "froides" de l'élément tubulaire. La partie horizontale de la "branche froide" qui peut être déformée forme également à son tour un joint de dilatation pour la partie pendant verticalement de la boucle de l'élément tubulaire. Suivant une première caractéristique de l'invention, l'en- veloppe cu chemise en forme de L comporte une paroi latérale en forme de L qui est amovible de manière à permettre de démonter et d'examiner l'ensemble des tubes an forme de L y compris la plaque tubulaire qui est reliée aux extrémités "chaudes" t "froides" des boucles des éléments. Une autre caractéristique de la présente invention se trouve. dans l'application d'une enveloppe comprenant un coin amovible qui constitue la jonction de la partie horizontale et de la partie verticale de l'enveloppe an forme ne L. et Üi permet as examens. De préférence, chacune des branches de l'élément e forme de L comporte une partie intermédiaire qui est reliée par des brides au coin ainsi que des extrémités respectives qui sont montées à l'aide de brides. Dans un mode de réalisation préféré, le collecteur comprend une cloison horizontale formant un compartiment supérieur qui communique avec les "branches chaudes et un compartiment inférieur qui communique avec les "branches froides des éléments tubulaires. Ceci donne la possibilité de réaliser un faisceau tubulaire comprenant plusieurs ensembles d'éléments tubulaires en forme de boucles emboîtés les uns dans les autres et de disposer ces ensembles suivant des plans parallèles les uns aux autres. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ces dessins, la figure 1 est une vue verticale schématique d'un système de combustion dans lequel un préchauffeur d'air est disposé à la manière d'un L inversé. la figure 2 est une vue latérale à plus grande échelle et plus détaillée du préchauffeur d'air de la figure 1, représentant un mode de réalisation du faisceau d'éléments tubulaires en forme de L disposé dans une enveloppe comportant une paroi amovible. la figure 3 est une vue en plan en arrachement du préchauffeur d'air de la figure 2. la figure 4 est une vue éclatée du préchauffeur de la figure 3, représentant une manière d'assembler l'appareil. la figure 5 est une vue partielle du coin du préchauffeur, représentant l'enlèvement du coin de l'enveloppe. la figure 6 est une vue en coupe d'un détail à plus grande échelle de la figure 2, représentant l'agencement des sous-ensembles d'éléments tubulaires du faisceau tubulaire et des entretoises d'extrémité. la figure 7 est une vue en coupe de détail suivant 7-7 de la figure 5, représentant le dispositif de support et de guidage des parties horizontales des éléments tubulaires. la figure 8 est une vue partielle, suivant 8-8 de la figure 5 des parties horizontales des boucles des éléments tubulaires,y compris les entretoises servant à les espacer latéralement les unes des autres. la figure 9 représente schématiquement la manière de compenser les différences de dilatation thermique des éléments tubulaires en forme de boucles du préchauffeur selon l'invention. A titre d'exemple, (voir figure 1), l'échangeur de chaleur 10 selon l'invention est représenté ici comme étant utilisé comme préchauffeur pour l'air de combustion d'un système de combustion qui peut comporter un ensemble de combustion vertical 11,un ventilateur 12 fournissant l'air de combustion et un épurateur 13 servant à purger les gaz de combustion des matières solides entraînées telles que des escarbilles. L'ensemble de combustion de cet exemple est d'un type connu qui fonctionne suivant le principe de la fluidisation. C'est-à-dire qu'une plaque de resserrement 14 divise l'ensemble en une chambre de combustion 15 disposée au-dessus et une botte à vent 16, endessous. L. matière qui doit être brillée, par exemple de la boue d'égout déshydratée, ou une matière semblable, est introduite en 17 dans un lit fluidisé B de sable. Après une période de démarrage pendant laquelle le bruleur "R" ne fournit pas de gaz de fluidisation chaud, la combustion de la matière dans le lit de sable chauffé au rouge s'entretient à peu près d'elle-même, l'air de combustion provenant du ventilateur 12 constituant la masse du gaz de fluidisation.Une petite quantité de combustible supplémentaire peut être ajoutée suivant le degré d'humidité de la matière qui doit être brulée. Du fait du maintien dans le système de la pression du vent provenant du ventilateur 12, les gaz de combustion provenant du corps 18 de l'ensemble de combustion sont refoulés à travers la branche horizontale 19 du préchauffeur d'air, puis descendent ensuite par la branche pendant 20 et par un cnnduit 21 traversent l'épurateur 13 d'où les gaz purgés ou épurés peuvent s'échapper par une cheminée 22. Les gaz de combustion en traversant l'enveloppe ou chemise en forme de L du préchauffeur d'air entourent le faisceau des boucles d'éléments tubulaires en forme de L qui est indiqué en 23 de manière à chauffer l'air de combustion refoulé à travers ces éléments par le ventilateur 12. C'est-à-dire que le ventilateur refoule par le conduit ascendant 24 de l'air dans la chambre inférieure 25 d'un collecteur 26 et par les éléments tubulaires l'envoie dans la chambre supérieure 27 du collecteur puis ensuite par un conduit 28 le fait descendre dans la boîte à vent 16. Les éléments tubulaires comprennent chacun des branches en forme de L, 29 et 30, appelées ici respectivement la "branche froide?? et la "branche chaude", lesquelles sont situées dans un plan vertical commun. Comme indiqué en 31, la "branche chaude" 30 est supportée de manière à lui permettre de s'allonger horizontale lement et axialement par dilatation thermique tout en I'empêchant de se déformer d'une manière angulaire. En même temps, la branche froide 29 ainsi que les parties 32 et 32a de la boucle pendante 33 sont libres de se dilater et de se déformer dans la mesure nécessaire pour permettre des allongements par dilatation thermique relatifs à la fois des parties horizontales et des parties verticales pendantes de l'élément tubulaire.Toutes les tensions thermiques possibles du tube se compensent ainsi d'elles-mêmes, du fait que la boucle pendante absorbe les différences d'allongement des bran ches horizontales "chaude " et "froide " tout en évitant des efforts de flexion ou de déformation de la "branche chaude", de façon à protéger le montage qui peut être vulnérable de la "branche chaude sur la plaque tubulaire P, comme expliqué plus loin. En se reportant aux figures de 2 à 8, on va donner ci-après une description d'une forme d'échangeur de chaleur ou de préchauffeur d'air selon l'invention. Le préchauffeur d'air disposé à la manière d'un "L" inversé comprend un faisceau 34 en forme de L d'éléments tubulaires enfermés dans une enveloppe en forme de L correspondante 46 pourvue d'une garniture en matière réfractaire "K" soutenue par une couche appropriée de mati ère de calorifugeage "I". L'enveloppe comprend un élément horizontal "H" et un élément vertical pendant "V", qui tous les dieux sont reliées à un coin C à l'aide de liaisons 35 et 36 constituées par des brides. L'éà son tour liement horizontal "H" comporte/des sous-sections ',H-i11 et "H-S" qui sont reliées l'une à l'autre par une bride 37, tandis que l'é- lément vertical "V" comprend des sous-sections "V-i" et "V-2" réunies par une bride 38. L'enveloppe présente en section droite une configuration .-ectangulaire et peut également être définie comme comportant deux parois latérales verticales en forme de L, 39 et 40, reliées par une paroi extérieure rectangulaire horizontale 41, une paroi horizontale teure rectangulaire 42, une paroi extérieure verticale rectangulaire 43 43 et une paroi verticale intérieure 44, et de plus par une paroi de coin intérieure 45. La paroi latérale en forme de L, 40, peut être détachée du corps 46 de l'enveloppe afin de pouvoir introduire latéralement le faisceau tubulaire dans celle-ci comme représenté sur la vue éclatée de la figure 4.Une plaque tubulaire "T" ferme ltextrémité ouverte de la section horizontale de l'enveloppe à l'aide d'une liaison par brides et boulons "F". L'élément horizontal de l'enveloppe comporte un col 47 dirigé vers le bas servant à l'entrée des gaz chauds et qui est monté sur l'extrémité supérieure de la chambre de combustion, et un col de sortie latéral 48 pour le gbz usé, prévu à la partie inférieure de la section verticale pendante, qui est relié à l'épurateur 13. La partie verticale pendante du faisceau tubulaire se ter- mine à une distance "d" au-dessus du bas 49 de l'enveloppe, de fa çon à ménager un alvéole 50 collectant la poussière auquel on peut accéder par un trou d'homme 51. Le faisceau tubulaire en forme de L qui est relié à la plaque tubulaire "T" est constitré par plusieurs ensembles d'éléments boucles tubulaires en forme de / 53, 54, 55, emboîtés les uns dans les autres dans un plan vertical commun. Chaque élément tubulaire comprend deux branches en forme de L qui communiquent l'une avec l'autre à leurs extrémités inférieures pendantes et comportent une extrémité d'entrée 57 pour l'air froid d'entrée et une extrémité de sortie 58 pour l'air chauffé. Sur la face extérieure de la plaque tubulaire est montée une caisse ou collecteur 59 comportant une cloison horizontale 60 formant une chambre intérieure 61 communiquant par l'intermédiaire de la plaque tubulaire "T" avec les extrémités d'entrée de l'air froid des éléments tubulaires, et une chambre supérieure 62 qui communique avec les extrémités de sortie d'air chaud des éléments tubulaires. La chambre intérieure 61 reçoit, par un raccord 63, de l'air froid provenant du ventilateur, tandis que l'air chauffé passe de la chambre supérieure 62 par un raccord 64 à la boite à vent 16 de la chambre de combustion. Bien que les extrémités d'entrée de l'air froid et de sortie de l'air chaud des éléments tubulaires soient toutes deux disposées dans la zone d'entrée des gaz de combustion chauds dans l'enveloppe, les branches supérieures de sortie de l'air chaud des éléments tubulaires présentent des températures beaucoup plus élevées que celles des branches inférieures d'aspiration de l'air froid, ce qui permet de les appeler ici " la branche chaude" et " la branche froide", Du fait que les joints des "branches chaudes" des tubes sont plus vulnérables que les joints des branches froides", des -dispositions sont prises pour supporter ou maintenir les parties horizontales des "branches- chaudes" de façon à les empêcher de se déformer latéralement, tout en leur permettant de s'allonger par dilatation thermique.En conséquence, on utilise des barres de support transversales horizontales 65, chacune pour une rangée d'extrémités horizontales de "branches chaudes". Comme on le voit sur la figure 7, les extrémités de chaque barre sont supportées par de petites consoles 66 ou des dispositifs semblables disposés sur les faces intérieures des parois latérales verticales de l'en- veloppe. On assure un espacement approprié des ensembles verticaux d'éléments tubulaires en utilisant des entretoises en forme de U inversé 67 qui sont appliquées aux tubes, comme indiqué sur la figure 8. Un premier jeu "S-1" (voir figures 2 et 4) de telles entretoises est disposé à l'intérieur du coin de l'enveloppe, un autre jeu "S-2" étant appliqué aux extrémités pendantes des éléments tubulaires (voir figure 6). Sur la figure 5, on voit que le corps 68 du coin de l'en- veloppe peut être enlevé en le séparant des brides correspondantes tout en laissant en place sa paroi 45. Tout en permettant de mettre ainsi à découvert le coin du faisceau tubulaire et en permettant d'accéder aux barres de support 65, l'enlèvement de la partie 68 du coin de l'enveloppe permet également d'examiner et de nettoyer les parties horizontales et verticales du faisceau tubulaire. Cependant, pour exécùter un nettoyage périodique des éléments tubulaires, on peut utiliser des souffleurs de suie 58a, par exemple sous la forme de tubes de soufflage horizontaux s'étendant transversalement. Des barres entretoises transversales 69 sont disposées entre les rangées des parties verticàles de tube (voir figure 6) pour maintenir sous tension la partie pendante du faisceau tubulaire par rapport à la paroi verticale intérieure voisine 44 de l'enveloppe lorsque les parties horizontales des tubes sont froides ou contractées. De cette manière, au moment du chauffagedQ au fonctionnement de l'ensemble, les parties horizontales des tubes se dilatent, et la partie pendante du faisceau tubulaire cesse d'être sous tension et prend une position médiane voulue dans l'élément pen-.: dant de l'enveloppe. La figure 9 représente schématiquement la manière d'assurer une compensation des tensions thermiques des éléments tubulaires en forme de boucles, suivant l'invention. La position de ltélément tubulaire 70 froid ou au repos, selon l'invention, est indiquée en traits pleins, tandis que le contour en traits mixtes indique les variations d'allongement thermiques de l'élément lorsque l'appareil est en fonctionnement. L'air froid qui arrive de la chambre 71 du collecteur 72 traverse la "branche froide" en forme de L 73 de l'élément tubulaire en même temps que les gaz de combustion s'écoulent à travers l'en- veloppe 74 depuis son orifice d'entrée 75 jusqu'à son orifice de sortie 76. L'air passe alors à travers la boucle 77 pour aller dans la "branche chaude" 78 à contre-courant par rapport au sens de passage des gaz de combustion, puis dans la chambre 79 du collecteur, et être enfin renvoyé à l'ensemble de combustion. La sortie horizontale P - 1 de la "branche chaude" 78 est supportée et gazée en 80 de manière à empêcher toute déformation latérale, tout en permettant un allongement thermique axial comme indiqué par la différence de longueur t-1. Ce guidage permet d'*ti- ter toute tension de flexion nuisible quelconque pouvant s exer- cer sur le joint 81 de la plaque tubulaire, à l'extrémité chaude de l'élément tubulaire. En même temps, il se produit un certain allongement thermique t-2 de la partie horizontale P-2 de la "branche froide" 73, mais dans une mesure moindre que l'allongement t-1 de la "branche chaude" horizontale P-1. Cette différence est cependant absorbée du fait de la longueur considérable de la partie P-3 de la boucle pendant verticalement de l'élément tubulaire, laquelle boucle agit en fait comme un joint de dilatation. La partie verticale pendante de la boucle est soumise elle aussi à un allongement thermique, comme indiqué par la différence de longueur t-). C'est-à-dire que l'élément vertical Q-1 de la bou cle s'allonge vers le bas tandis que l'élément Q-2 s'allonge vers le haut. TOute différence résultante d'allongement de ces deux éléments verticaux est absorbée, cependant, du fait de la longueur considérable de la branche froide horizontale P-2, comme indiqué par sa déformation t-4. Bien que l'importance de cette déformation dépende des conditions de température de fonctionnement, elle n'impose aucune tension nuisible au joint 82 de la plaque tubulaire qui est soumis à des températures beaucoup plus faibles que celles du joint 81 du tube chaud il va de soi que la présente invention a été décrite cidessus à titre d'exemple préférentiel explicatif, mais nullement limitatif, et que 1 on pourra introduire toute équivalence dans ses éléments constitutifs sans sortir de son cadre défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1 - Echangeur de chaleur comportant plusieurs éléments tubulaires entourés par une enveloppe munie à une première extrémité d'un orifice d'entrée pour le fluide chaud de combustion et à son -autre extrémité d'un orifice de sortie pour le fluide usé, les éléments tubulaires communiquant avec un collecteur muni d'une chambre d'entrée pour le fluide froid arrivant et d'une chambre de sortie pour le fluide préchauffé sortant, caractérisé en ce que les éléments tubulaires comprennent chacun deux branches en forme de L à peu près parallèles l'une à l'autre et comportant des extrémités d'entrée et de sortie ouvertes, les éléments tubulaires étant assemblés de façon à constituer un faisceau tubulaire en forme de L, dont toutes les extrémités ouvertes des éléments tubulaires sont disposées au voisinage les unes des autres, ces éléments tubulaires communiquant avec le collecteur par une plaque tubulaire disposée entre l'enveloppe et le collecteur et qui est reliée à toutes lesdites extrémités ouvertes, les extrémités d'entrée ouvertes occupant une première partie de la plaque tubulaire et les extrémités de sortie ouvertes occupant la partie complémentaire de la plaque tubulaire, un dispositif de support monté dans l'enveloppe fixant les extrémités de sortie des éléments tubulaires en les empêchant de se déformer latéralement tout en leur permettant de s'allonger longitudinalement par dilatation thermique. 2 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux branches de l'enveloppe en forme de L présentent en section droite une configuration rectangulaire, l'une des parois latérales en forme de L de l'enveloppe étant amovible. 3 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé -en ce que le faisceau d'éléments tubulaires ainsi que la plaque tubulaire peuvent être détachés de 1 'enveloppe. 4 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe comporte des parois latérales en forme de L et des parois rectangulaires qui relient entre elles les parois latérales, le collecteur comportant une cloison qui s'étend parallèlement aux parois de liaison voisines, le faisceau tubulaire comprenant plusieurs ensembles d'éléments tubulaires, chaqu-ensemble à son tour comprenant plusieurs éléments tubulaires emboîtés les uns dans les autres dans un plan parallèle aux parois latérales en forme de L de l'enveloppe. quelconque 5 - Echangeur de chaleur suivant l'une/des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le coin de l'enveloppe est amovible, les dispositifs de support étant disposés au voisinage du coin. 6 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé, én ce que l'enveloppe est pourvue intérieurement d'un revêtement de calorifugeage. 7 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, ou la revendication 6 caractérisé en ce que l'enveloppe est pourvue intérieurementd'une couche de matière réfractaire. 8 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que chaque ensemble comprend plusieurs éléments tubulaires emboîtés les uns dans les autres, de sorte que les extrémités d'entrée et les extrémités de sortie des éléments tubulaires de chacun de ces ensembles soient disposées dans des plans respectifs parallèles aux parois rectangulaires de liaison voisines intérieure et extérieure de l'enveloppe, les extrémités en forme de boucles de chacun des ensembles d'éléments tubulaires étant disposées dans des plans respectifs parallèles aux parois rectangulaires de liaison voisines intérieure et extérieure de l'enveloppe. 9 - Echangeur de chaleur suivant l'unqe7des rqevendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'extrémité d'entrée de l'enveloppe communique avec la sortie du gaz d'un ensemble de combustion. 10 - Système de combustion caractérisé en ce que l'air de combustion est préchauffé dans un système d'échange de chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9.