Brevet FR2128126A1 — publié le 19721020

la présente invention concerne un échangeur de chaleur entre deux fluides dans lequel l'un des fluides circule à l'intérieur des tubes d'un faisceau tubulaire reliant un collecteur d'entrée à un collecteur de sortie, l'autre fluide circulant autour des tubes du faisceau. Le but de l'invention est de fournir un échangeur tel que ci-dessus qui puisse supporter des chocs thermiques particulièrement violents. Un échangeur conforme à l'invention doit etre utilisable notamment pour la vaporisation des gaz liquéfiés, le liquide froid à vaporiser passant à l'intérieur des tubes du faisceau et se vaporisant en échangeant de la chaleur avec un fluide chaud passant autour des tubes du faisceau. On y parvient, selon l'invention, par le fait que chaque tube du faisceau forme au moins une spirale plane, par le fait que lorsqu'un tube forme plusieurs spirales planes, deux spirales successives du tube sont chaque fois enroulées l'une en sens inverse de l'autre, et par le fait que les différentes spirales des tubes qui constituent le faisceau sont sensiblement parallèles les unes aux autres et réparties le long des collecteurs. les tubes du faisceau ont, de préférence, sensiblement méme section et méme longueur, signifiant par là que deux tubes quelconques du faisceau n'ont pas dans leur longueur ou dans leur section des différences supérieures à 10 % environ. On décrira ci-après diverses réalisations d'un échangeur conforme à l'invention, en référence aux figures du dessin joint sur lequel - la figure I est une coupe transversale d'un premier type d'échangeur conforme à l'invention - la figure 2 montre une variante de réalisation d'un échangeur du type de celui de la figure 1 - la figure 3 est une section transversale d'un second type d'échangeur conforme à l'invention - la figure 4 est une partie d'une vue latérale de l'échangeur de la figure 3, prise à l'intérieur de l'échangeur ; suivant le plan IV-IV de la figure 3 - la figure 5 est une partie d'une vue de dessus du faisceau de l'échangeur de la figure 3f et - la figure 6 est une vue-latérale de l'échangeur de la figure 3. Les échangeurs de chaleur représentés sur les figures comprennent à l'intérieur d'une enveloppe 1 de forme indifférente, par exemple cylindrique, un collecteur de distribution 2 et un collecteur de collecte 3, ces deux collecteurs étant reliés par un faisceau tubulaire en sorte que-le fluide introduit dans le collecteur 2 soit distribué dans -les-différents tubes du faisceau puis collecté dans le collecteur 3 pour titre évacué de l'échangeur. L'autre fluide avec lequel se fait l'échange de chaleur est introduit par tout moyen approprié à l'intérieur de l'enve- loppe 1 pour baigner le faisceau de tubes. Les collecteurs sont maintenus en place dans I'envelop- pe par tout moyen approprié. De préférence, ils sont tubulaires et reliés de façon rigide à l'enceinte par l'une seulement de leurs extrémités, un guidage ou un supportage adéquat permettant le libre développement des dilatations tout en limitant les efforts de flexion subis par les collecteurs. De préférence également, les collecteurs ont des dimensions importantes comparativement à la section des tubes constituant le faisceau, ce qui permet de répartir uniformément le fluide entre les différents tubes. En outre, dans le cas où le fluide de chauffage passant autour des tubes est susceptible de se solidifier, il y a lieu de prévoir des moyens pour éviter le risque de stagnation du fluide de chauffage dans une zone du faisceau. Ces moyens sont constitués par exemple par un excentrement du faisceau vers le haut de l'enceinte (notamment dans le cas de chauffage par vapeur d'eau) ou par un guidage soigné du fluide de chauffage au moyen de corps morts 4, 5 (notamment lorsque ce fluide est un liquide ou un gaz autre que la vapeur d'eau). On décrira maintenant les structures caractéristiques du faisceau tubulaire d'un échangeur conforme à l'invention. Dans l'échangeur des figures 1 et 2, les collecteurs sont disposés de façon à passer l'un à l'intérieur du faisceau (collecteur 2) et l'autre à l'extérieur du faisceau (collecteur 3). Lorsque les collecteurs sont ainsi disposés, l'invention préconise que chaque tube du faisceau soit enroulé sur lui-même de façon à former un nombre impair de spirales, ce-nombre pouvant être réduit à une spirale. Sur la figure 1 on voit ainsi un tube 6 enroulé sur lui-mme en une spirale partant du collecteur intérieur 2 et aboutissant au collecteur extérieur 3, et sur la figure 2 on a représenté une réalisation dans laquelle chaque tube de l'échan- geur ne comporte également qu'une seule spirale mais avec cette particularité supplémentaire que les spirales sont deux à deux symétriques par rapport au plan passant par les axes des collecteurs. La figure 2 montre ainsi le tube 7 et le tube 8 qui sont symétriques l'un de l'autre. Dans une telle réalisation aux spirales symétriques, les deux spirales de chaque couple de spirales symétriques sont donc enroulées dans des sens inverses. Lorsque les tubes des échangeurs du type de la figure 1 ou 2 comportent un nombre impair de spirales supérieur à 1, deux spirales successives d'un tube sont chaque fois enroulées l'une en sens inverse de l'autre, comme cela a été dit précédemment. En général, les différentes spirales des tubes du faisceau qui sont échelonnées le long des collecteurs sont disposées dans des plans sensiblement perpendiculaires aux axes des collecteurs, ces derniers étant de préférence constitués par des tubes sensiblement rectilignes. Dans les réalisations des figures 3 à 6, les collecteurs 2 et 3 sont disposés de façon à passer l'un et l'autre à l'intérieur du faisceau. Lorsque les collecteurs sont ainsi disposés, l'invention préconise que chaque tube du faisceau forme un nombre pair de spirales, chaque tube formant donc au moins deux spirales. On voit ainsi sur la figure 3 les deux spirales 9a et 9b formées par un tube 9 allant du collecteur 2 au collecteur 3, les spires de la spirale 9b étant ombrées pour mieux les distinguer des spires de la spirale 9a. Deux spirales successives d'un tube sont chaque fois de sens inverse et sont disposées sensiblement dans deux plans parallèles sauf évidemment que la ou les deux dernières spires de chaque spirale s'écartent du plan de la spirale dont elles font partie pour les besoins du raccordement de cette spirale avec l'autre spirale. Selon le nombre de spirales qui composent un tube, le raccordement de deux spirales successives du tube se fait par les spires situées à l'extérieur de la spirale ou par les spires situées à l'intérieur de la spirale. Dans le cas de l'échangeur des figures 3 à 6, où chaque tube forme seulement deux spirales, le raccordement de ces deux spirales se fait obligatoirement par les spires extérieures des spirales puisque les deux spirales doivent titre en sens inverse. La figure 5 montre, à titre d'exemple, comment se fait le raccordement des spirales 9a et 9b du tube 9 et des spirales 10a et lOb du tube voisin 10. Les différentes spirales des tubes de l'échangeur sont de préférence disposées dans des plans parallèles et sont échelonnées le long des collecteurs, comme on le voit le mieux sur la figure 6 qui montre une réalisation dans laquelle les tubes comportent chacun deux spirales. Un échangeur réalisé selon les enseignements de l'invention présente cet avantage que l'utilisation de tubes en spirales permet d'augmenter la turbulence intérieure des tubes, ce qui améliore le rendement thermique de l'échangeur0 Dans le cas notamment où le fluide qui circule dans les tubes est un gaz liquéfié que l'on désire vaporiser, la turbulence multiplie le nombre de contacts entre les gouttes du liquide et les parois des tubes dans lesquels le liquide circule ; en outre, le risque d'entraînement de gouttelettes de liquide par la vapeur formée se trouve également considérablement réduit. On remarquera également que la conception modulaire des échangeurs qui utilisent de préférence des tubes identiques dont on peut régler le nombre en fonction des besoins, simplifie les gammes de fabrication Enfin, la solution apportée par la conception d'échangeur selon l'invention au problème des dilatations différentielles permet d'utiliser en majeure partie des matériaux non nobles là où l'emploi de matériaux nobles était impératif selon les conceptions connues. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur entre deux fluides, comportant un faisceau tubulaire de tubes métalliques reliant un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie pour la circulation de l'un des fluides dans l'échangeur, caractérisé par le fait que chaque tube du faisceau forme au moins une spirale plane, par le fait que lorsqu'un tube forme plusieurs spirales planes, deux spirales successives du tube sont chaque fois enroulées l'une en sens inverse de l'autre, et par le fait que les différente spirales des tubes qui constituent le faisceau sont sensiblement parallèles les unes aux autres et réparties le long des collecteurs. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les différents tubes du faisceau ont sensiblement mêmes sections et mimes longueurs. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les deux collecteurs passent à l'intérieur du faisceau et par le fait que chaque tube est constitué par un nombre pair de spirales. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait-que l'un des collecteurs estaitué à l'extérieur du faisceau et l'autre à l'intérieur du faisceau et par le fait que chaque tube est constitué par un nombre impair de spirales. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le raccordement d'un tube à un collecteur passant à l'intérieur du faisceau se fait par une spire intérieure du tube. 6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le raccordement de deux spirales successives d'un tube se fait par les spires intérieures de ces spirales. 7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le raccordement de deux spirales successives d'un tube se fait par les spires extérieures de ces spirales. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que les spirales des tubes différents sont disposées deux à deux symétriquement par rapport aux collecteurs. 9. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les spirales des tubes sont dans des plans sensiblement perpendiculaires aux axes des collecteurs.