Brevet FR2092687A1 — publié le 19720128

La présente invention se rapporte d'une façon générale aux échangeurs de chaleur et elle concerne, plus particulièrement, des échangeurs de chaleur du type à tubes et plaques. Bes spécialistes savent étudier la construction d'un échangeur de chaleur de manière à obtenir une transmission de chaleur donnée pour un débit d'écoulement et un volume donnés. On connaît également la façon de régler la chute de pression et d'obtenir un effluent exempt d'humidité quand le fluide est un gaz. Lorsque le constructeur dispose d'une très grande latitude en ce qui concerne la forme extérieure de l'installation, ces critères ne posent habituellement que peu de problèmes. Cependant, l'installation dans laquelle un échangeur doit être monté impose parfois certaines limitations, si bien qu'il devient impossible d'utiliser des échangeurs d'une conception classique.C'est ainsi que lorsque l'entrée et la sortie doivent entre sur le même côté de l'échangeur, avec un espacement variable entre elles, que la totalité du fluide doit s'écouler une fois seulement sur la surface de refroidissement en répartition régulière sur toute la superficie de cette dernière et que des dispositions doivent être prises pour recueillir l'humidité, on se heurte à divers problèmes spéciaux. En conséquence, la présente invention a pour buts : - de réaliser un échangeur de chaleur d'un type nouveau et perfectionné, à tubes et plaques, dont entrée et la sortie du fluide sont situées sur le même coté et avec lequel on obtient une transmission de chaleur efficace accompagnée d'une faible chute de pression - de réaliser les caractéristiques énoncées dans un échangeur de chaleur qui comporte des moyens pour supporter un faisceau de tubes en dedans d'une enveloppe externe, en vue d'un mouvement relatif entre les tubes et l'enveloppe - de réaliser les caractéristiques énoncées dans un échangeur de chaleur muni de moyens pour empeAcher un court-circuit du courant gazeux entre l'entrée et la sortie et pour assurer une circulation correcte du débit gazeux - de réaliser un échangeur de chaleur comportant des moyens pour distribuer le courant gazeux de façon égale sur la totalité du faisceau de tubes. L'échangeur de chaleur, selon l'invention, comprend une enveloppe cylindrique comportant deux plaques opposées montées dans l'enveloppe et un faisceau de tubes qui coulisse entre les plaques et qui est monté dans l'enveloppe en vue d'un mouvement relatif par rapport à cette dernière. Ce faisceau comprend une série de tubes allongés et espacés, engagés dans des ouvertures d'une série de tôles à ailettes transversales. Un tube pour l'entrée du fluide et un tube de sortie du fluide sont montés à c8té du dessus de l'enveloppe et sont orientés de manière à correspondre aux raccords extérieurs pour le fluide. Une paroi formant barrière est montée entre l'enveloppe et la plaque supérieure de support afin de séparer le tube d'entrée du tube de sortie et de diriger l'écoulement du fluide suivant un trajet en arc de- cercle vers un côté du faisceau.Une plaque perforée est installée sur l'autre côté du faisceau de tubes en vue de répartir le fluide dans le sens de la longueur du faisceau. Une chambre est prévue dans le bas de l'échangeur pour recueillir le liquide condense à partir du fluide, pendant le refroidissement de celuici, ce qui permet de disposer d'un effluent exempt d'humidité. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue de côté d'un échangeur de chaleur selon l'invention, dont certaines parties sont en arrachement et sont représentées partiellement en coupe et partiellement en élévation pour mieux faire ressortir la construction intérieure. La figure 2 est une coupe verticale à plus grande échelle par la ligne 2-2 de la figure 1. La figure 3 est une coupe partielle et à plus grande échelle montrant la liaison flottante entre l'enve- loppe et le faisceau de tubes de liéchangeur-de chaleur. Dans le mode de réalisation représente, l'échangeur de chaleur comprend une enveloppe cylindrique extérieure 10 supportée sur des pieds en équerre Il et comportant des plaques terminales 12 et 14 aux extrémités opposées. Une plaque supérieure de support 16 et une plaque inférieure de support 18 sfétendent sensiblement sur toute la longueur de l'enveloppe 10 et ont une section transversale courbe de telle sorte qu'une ligne prolongée circonférentiellement et qui suit les courbures des plaques 16 et 18 définisse un cercle ayant un diamètre plus petit que celui de l'enveloppe cylindrique 10. Les extrémités des plaques de support supérieure 16 et inférieure 18 sont rigidement fixées aux plaques terminales 12 et 14 de manière à établir une construction unitaire avec ces dernières.La plaque de support inférieure 18 est pourvue d'un ou plusieurs drains 15 qui aboutissent à une chambre 17 collectrice d'humidité,qui comprend l'espace antre le bas de l'enveloppe 10 et la plaque inférieure de support 18. L'enveloppe 10 est également pourvue de drains 19 pour décharger le liquide de la chambre 17.Une paroi allongée 21 formant barrière est installée le long de la plaque inférieure de support 18 entre cette plaque et l'enveloppe 10 afin d'empecher l'écoulement gazeux dans l'intérieur de la chambre 17 collectrice d'humidité. Les expressions telles que supérieure, inférieure, vers le haut, vers le bas, vers la gauche, vers la droite, sur le dessus, sur le dessous, etc, ne sont-utilisées que pour faciliter la description et doivent être considérées en rapport avec les figures 1 et 2, mais sans apporter de limitation quelconque à la portée générale de l'invention. Un dispositif de transmission de chaleur est désigné par la référence d'ensemble 20 et sera considéré, ciaprès comme étant un faisceau de tubes. Ce faisceau comprend une série de tubes 22 parallèles, allongés et supportés à leurs extrémités opposées par des plaques terminales 24 et 26 d'un collecteur, dans des conditions étanches au fluide. Une série de tôles 28 à ailettes, longitudinalement espacées, sont interposées entre les plaques terminales 24 et 26 du collecteur et s'étendent dans le sens transversal des tubes 22, ces tôles présentant des ouvertures pour recevoir les tubes précités suivant un montage hermétique. Ces tôles d'ailettes 28 sont fixées aux tubes 22 d'une façon connue. Le faisceau 20 tout entier peut coulisser longitudinalement à l'intérieur de l'enveloppe 10 entre les plaques 16 et 18. Chaque tôle 28 présente des bords latéraux parallèles 30, 32, qui s'étendent verticalement entre les plaques 16 et 18 et définissent des parois latérales dirigées longitudinalement par rapport au faisceau 20. Les tôles à ailettes sont habituellement fabriquées sous une forme rectangulaire. Le fait de les munir de bords supérieur et inférieur courbes, dont les profils épouseraient les plaques 16 et 18, constituerait une opération coûteuse. Une particularité de l'invention est que les tôles 28 sont construites de manière à s'adapter étroitement avec les plaques 16 et 18 sur un mode qui facilite un coulissement relatif entre elles. Dans ce but, l'extrémité supérieure de chaque totale 28 présente trois bords formant cordes 34, 36, 38 et 1'extrémité inférieure de chaque tôle présente également trois bords analogues formant cordes 40, 42, 44 définissant des passages 46, 48 et 50 entre ces bords et la plaque inférieure de support 18, ce qui permet de réunir les espaces entre les tôles adjacentes 28. Des tôles à ailettes 28 dont la structure dans le haut et dans le bas est du type qui vient d'eAtre décrit, sont d'une fabrication relativement facile et peu coûteuse, permettent l'utilisation de pratiquement tout l'espace disponible entre les plaques 16 et 18 et procurent des points d'appui espacés entre les tôles, ce qui en facilite le couplissement relatif. Une plaque d'entretoisement 52 sépare la plaque terminale 24 d'un couvercle 86 et tous ces éléments sont assujettis à la plaque terminale 12 de l'enveloppe 10. Pour compenser la dilatation et la contraction relatives entre l'enveloppe 10 et le faisceau tubulaire 20, des moyens sont prévus sur l'extrémité de gauche de l'ensemble pour permettre le mouvement relatif entre l'enveloppe 10 et le faisceau 20. Ces moyens comprennent une bague de retenue 54 montée autour de la plaque terminale du collecteur, qui se prolonge au-delà de l'extrémité de la plaque 14 de l'enveloppe (figure 3). La bague 54 présente un siège annulaire biseauté 56 qui reçoit une bague torique 58 poussée contre la plaque terminale 14 de l'enveloppe 10 et la plaque terminale 26 du faisceau 20 en rapport hermétique avec ces deux plaques, pour ainsi empêcher tout échappement de gaz. La bague de retenue 54 est rapportée à la plaque terminale 14- par des vis convenables 55. Un tube 60 d'entrée de gaz est prévu sur l'extrémité supérieure de gauche de l'enveloppe 10 alors qu'un tube de sortie de gaz 62 est installé dans la partie supérieure de droite de l'enveloppe 10 (voir figure 1). En se référant à la figure 2, on voit que les axes de l'entrée 60 et de la sortie 62 sont légèrement de biais par rapport l'un à l'autre et ne reposent pas dans un plan commun coupé longitudinalement le long de l'axe de l'enveloppe 10. Cependant, l'entrée et la sortie sont situées sur le même coté de l'échangeur et un tel agencement pose des problèmes spéciaux. Des moyens sont prévus sur la partie supérieure du faisceau 20 pour assurer l'écoulement gazeux à travers la totalité du faisceau tubulaire et pour empêcher un trajet de court-circuit depuis l'entrée 60 directement à la sortie 62. Ces moyens comprennent une paroi courbe 66,formant barrière et s'étendant circonférentuellement autour de la surface supérieure de la plaque de support supérieure 16 et verticalement entre cette plaque 16 et l'enveloppe 10, pour ainsi définir une chambre d'entrée 68 et une chambre de sortie 70.Une paroi-barrière 72 reliée à une extrémité de la paroi 66 est dirigée dans une direction perpendiculaire â celle de la paroi 66, c'est-à-dire dans le sens longitudinal de l'enveloppe 10 en suivant le bord de la plaque 16 et se terminant sur la plaque terminale 14 pour empêcher un écoulement gazeux dans le sens dextrorsum à partir de la chambre 68, quand on observe la figure 2. Une paroi-barrière 74 reliée à l'autre extrémité de la paroi 66 est dirigée dans une direction perpendiculaire à cette dernière, le long du bord opposé de la plaque 16, pour se terminer sur la plaque 12 et empêcher ainsi un écoulement gazeux dans le sens sinistrorsum vers l'intérieur de la chambre 70 (en observant la figure 2). Des moyens sont prévus pour répartir le gaz dans le sens de la longueur du faisceau 20 ; ces moyens sont sous forme d'une plaque perforée 80 qui est disposée, avantageusement, sur le côté de sortie du faisceau 20, en étant la paroi de droite (voir figure 2). La plaque 80 s'étend dans le sens de la longueur du faisceau 20 et verticalement entre les plaques de support 16 et 18. On conçoit cependant que la plaque perforée 80 pourrait être installée sur le côté de sortie du faisceau 20, si on le préfère et toujours dans le cadre de l'invention. Des couvercles terminaux 84 et 86 sont fixés aux extrémités opposées de l'échangeur par des moyens de jonction convenables, pour réaliser une construction unitaire close et aussi pour jouer le rôle de régulateurs qui distribuent le réfrigérant à travers le tube 22 du faisceau 20. En fonctionnement, le réfrigérant est admis dans les raccords transversalement accouplés 88 et est envoyé dans les tubes 22 situés à c6té des parois du faisceau 20. Le réfrigérant s'écoule longitudinalement par rapport au faisceau 20 et arrive dans le couvercle ou régulateur 84 d'où il est renvoyé vers les tubes centraux 22 et revient å travers le faisceau 20 dans le couvercle terminal ou régulateur 86 avant sqn échappement à travers les raccords 90. Be réfrigérant effectue sa circulation cyclique dans le faisceau 20 pour refroidir un gaz à température élevée admis dans la chambre 68 de l'échangeur par le tube d'entrée 60. Be gaz ne peut pas arriver directement à la sortie 62 car la barrière 66 l'empêche de circuler de cette façon, si bien que le gaz doit suivre un trajet circonférentiel autour de la plaque supérieure 16, dans le sens sinistrorsum (flèches A sur la figure 2) du fait de l'obstruction créée par la paroi longitudinale 72. Ainsi le gaz s'écoule vers le bas le long d'un c8té du faisceau 20 et à travers celuici, entre les tôles à ailettes 28 (voir flèches A). Le gaz ne peut pas entrer dans la chambre collectrice d'humidité 17 par suite de la barrière 21. La plaque perforée 80 oppose à l'écoulement une résistance suffiaante pour obliger le gaz à se répartir sur toute la longueur du faisceau 10 sur le coté d'entrée de celui-ci.Finalement le gaz s'écoule vers ltextérieur à travers le coté de droite du faisceau 20 (figure 2), vers le haut (flèches B) et dans la chambre de sortie 70, d'où il est évacué à travers le tube de sortie 62. A la différence de la plupart des échangeurs de chaleur classiques, tout le volume gazeux n'est pas envoyé suivant un trajet sinueux autour d'une série de chicanes. Au lieu de cela, le gaz est réparti le long du faisceau tubulaire et ne s'écoule qu'une fois à travers celui-ci. Chaque volume unitaire de gaz ne passe qu'entre deux tôles 28, de sorte que la baisse de pression est minimum pendant l'écoulement du gaz. L'humidité dans le gaz qui s'écoule entre les t8les à ailettes 28 se condense pour former des gouttelettes liquides sur les tôles 28 et sur les tubes 22, ces gouttelettes s'amassant et descendant par gravité vers la plaque inférieure de support 18. Le liquide emprunte les passages 46, 48 et 50 et le drain 15 pour arriver dans la chambre 17 d'amassage d'humidité et ce liquide peut alors être déchargé de l'enveloppe 10 à travers les drains inférieurs 19. En conséquence, le gaz est débarrassé de l'humidité pendant son refroidissement et on obtient un effluent gazeux qui est à la fois sec et refroidi. Il ressort de ce qui précède que l'invention remplit les buts énoncés. On dispose d'un échangeur de chaleur d'un type nouveau et perfectionné, dont les caractéristiques peuvent être régies par des critères de construction externe, cet appareil permettant d'effectuer la transmission de chaleur de manière efficace. Des particularités nouvelles sont incorporées dans l'échangeur pour permettre ltétablissement d'un effluent exempt d'humidité et avec une baisse de pression relativement basse. REVENDICATIONS 1 Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe comportant une entrée et une sortie pour le fluide sur le meme c6té ; deux plaques opposées montées dans cette enveloppe sur les cotés opposés et dirigées dans le sens longitudinal, au moins l'une de ces plaques étant espacée de la paroi de l'enveloppe et lesdites plaques étant espacées l'une de l'autre suivant un premier axe transversal, lesdites entrée et sortie étant du même côté de l'enveloppe que la première des plaques précitées ; un faisceau de tubes à l'intérieur de l'enveloppe entre les plaques espacées et dans le sens longitudinal de l'enveloppe ; des moyens de support du faisceau dans l'enveloppe en vue d'un mouvement par rapport à cette dernière, le faisceau étant espacé de la paroi de l'enveloppe, sur les cotés opposés de cette dernière, le long d'un second axe transversal qui est sensiblement normal à l'axe indiqué en premier lieu ; et des moyens pour séparer l'entrée de la sortie et envoyer le fluide depuis l'entrée vers la sortie suivant un trajet qui passe transversalement à travers le faisceau et sensiblement dans le sens de l'axe mentionné en second lieu, lesdits moyens de séparation et de direction comprenant une paroi transversale entre l'entrée et la sortie et s'étendant entre la première plaque et l'enveloppe, lesdits moyens de séparation et de direction comprenant également des parois longitudinales s'étendant depuis la paroi transversale dans des directions opposées le long des cotés opposés de ladite première plaque. 2.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour distribuer le fluide dans le sens de la longueur du faisceau tubulaire. 3.- Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de distribution comprennent une plaque perforée disposée le long d'une paroi du faisceau. 4.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau tubulaire comporte plusieurs tubes allongés et plusieurs tôles à ailettes espacées longitudinalement par rapport aux tubes et s'étendant transversalement à ces deraiers. 5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les plaques sont courbes quand on les observe en coupe transversale, et les tôles à ailettes ont une forme sensiblement rectangulaire dont les angles sont enlevés sensiblement le long des cordes des arcs desdites plaques. 6. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde plaque est espacée de la paroi de l'enveloppe le long du premier axe et une chambre collectrice d'humidité est disposée entre la seconde plaque et l'enveloppe. 7. Echangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une paroi formant barrière s'étend à travers la chambre collectrice d'humidité sur le côté d'entrée du faisceau tubulaire. 8. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau est fixé de façon amovible à une extrémité de l'enveloppe et il est monté de manière à pouvoir coulisser à côté de l'autre extrémité de l'enveloppe. 9. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ltenveloppe est de forme cylindrique.