Brevet FR2135031A1 — publié le 19721215

L'invention est relative aux échangeurs de chaleur à tubes scellés, c'est-à-dire aux échangeurs de chaleur comportant une pluralité de tubes sensiblement parallèles les uns aux autres et disposés transversalement ou obliquement par rapport aux écoulements de fluide chaud et de fluide froid, de sorte que chaque tube présente une partie baignée par le fluide chaud et une partie baignée par le fluide froid, chaque tube étant scellé sous pression réduite et contenant un fluide caloporteur propre à subir des transformations entre sa phase liquide et sa phase gazeuse suivant qu'il se trouve dans la partie du tube baignée par le fluide chaud ou le fluide froid, l'orientation de ces tubes étant telle que ce fluide caloporteur revienne par gravité, en phase liquide, dans la partie des tubes baignée par le fluide chaud Dans un tel échangeur de chaleur, on a constaté qu'il se produisait une ébullition brutale dans la phase liquide du fluide caloporteur et que du liquide était entrainé par des grosses bulles vers la partie supérieure du tube baignée par le fluide froid Ce phénomène constitue un inconvénient important car il occasionne un fonctionnement intermittent de l'échangeur, le liquide entraîné dans la partie supérieure du tube baignée par le fluide froid se refroidissant puis redescendant dans la partie inférieure du tube baignée par le fluide chaud, ce qui provoque une interruption momentanée de l'ébullition L'invention a précisément pour but de remédier à cet incon dénient L'échangeur de chaleur conforme à l'invention est caractérisé par le fait que des moyens mécaniques sont prévus à l'intérieur de chaque tube, au moins dans la partie inférieure du tube baignée par le fluide chaud, pour s'opposer à l'entraînement de la phase liquide du fluide caloporteur vers la partie supérieure du tube baignée par le fluide froid Selon un premier mode de réalisation de l'invention, ces moyens mécaniques sont constitués par une substance poreuse à alvéoles ouverts disposée dans chaque tube et occupant au moins la partie inférieure du tube baignée par le fluide chaud et occupée par la phase liquide du fluide caloporteur Selon un autre mode de réalisation de l'invention, ces moyens mécaniques sont constitués par une séparation interne disposée dans chaque tube et séparant, dans la partie inférieure du tube baignée par le fluide chaud et occupée par la phase liquide du fluide caloporteur, la circulation vers le haut du liquide chaud en cours d'ébullition et la circulation vers le bas du liquide froid. L'invention consiste, mis à part les dispositions dont il vient d'être question ci-dessus, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-aprèsO L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à des modes de réalisation préférés de l'invention et ne comportent bien entendu aucun caractère limitatif. La figo 1, de ces dessins, est une coupe schématique d'un échangeur de chaleur à tubes scellés susceptible de recevoir les perfectionnements selon 1 'invention. La fig. 2 est une coupe d'un tube de cet échangeur, établi conformément à un premier mode de réalisation de l'invention. La figo 3 est une coupe d'un tube de cet échangeur, établi conformément à un autre mode de réalisation de l'invention. A titre d'exemple d'application, on peut indiquer que l'échangeur de chaleur montré sur la fig. 1 est destiné à prélever des calories dans des gaz brûlés provenant de la combustion d'hydrocarbures, ces gaz brûlés constituant le fluide chaud et circulant dans un conduit d'évacuation 1. Les calories prélevées dans un tel fluide chaud sont transmises à un fluide froid constitué par de l'air comburant provenant de l'atmosphère et circulant dans un conduit d'admission 2. Cet échangeur comporte une pluralité de tubes 3, sensiblement parallèles entre eux et disposés transversalement ou obliquement par rapport aux écoulements de fluide chaud et de fluide froid. Chaque tube 3 présente donc une partie 3a baignée par le fluide chaud et une partie 3b baignée par le fluide froid. Chaque tube 3 est scellé sous pression réduite et contient un fluide caloporteur propre à subir des transformations entre sa phase liquide et sa phase gazeuse suivant qu'il se trouve dans la partie du tube baignée par le fluide chaud, partie 3a, ou le fluide froid, partie 3b. Cette pression réduite correspond à la tension de vapeur du fluide caloporteur à la température considérée. L'orientation de ces tubes 3 est telle que le fluide caloporteur revienne par gravité, en phase liquide, dans la partie 3a des tubes baignée par le fluide chaud. Conformément à l'invention, des moyens mécaniques sont prévus à l'intérieur de chaque tube 3, au moins dans la partie in férieure 3a du tube baignée par le fluide chaud, pour s'opposer à l'entraînement de la phase liquide du fluide caloporteur vers la partie supérieure 3b du tube baignée par le fluide froid. Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la fig. 1, les moyens mécaniques sont constitués par une substance poreuse 4, présentant des alvéoles ouverts, disposée dans chaque tube 3; cette substance poreuse occupe au moins la partie inférieure 3a du tube baignée par le fluide chaud et occupée par la phase liquide du fluide caloporteur, Cette substance poreuse 4 évite la formation de grosses bulles et contrarie, en s'y opposant, l'entraînement du liquide vers le haut. Cette substance poreuse 4 peut être monobloc ou constituée par des éléments en contact les uns avec les autres. Ces éléments peuvent être des billes sphériques, des fragments de forme quelconque, des pièces en forme de tortillons, etc.. Dans certains cas, et pour éviter l'entraînement de la subs- tance poreuse 4 vers le haut, on remplit complètement le tube 3 par cette substance poreuse 4. Selon le mode de réalisation de l'invention illustré sur la fig. 2, les moyens mécaniques sont constitués par une séparation interne 5 disposé dans chaque tube 3 et séparant, dans la partie inférieure 3a du tube baignée par le fluide chaud et occupée par la phase liquide du fluide caloporteur, la circulation vers le haut du liquide chaud en cours d'ébullition et la circulation vers le bas du liquide froid. Lorsqu'il s'agit d'un échangeur à convection au niveau du fluide chaud, cette séparation interne 5 est constituée par un tube axial ouvert à ses deux extrémités et s'étendant depuis l'extrémité inférieure du tube 3 jusqu'au voisinage de la surface libre de la phase liquide du fluide caloporteur; une telle séparation interne 5 sépare alors la circulation annulaire vers le haut du liquide chaud en cours d'ébullition et la circulation axiale vers le bas du liquide froid. Dans ces conditions, on conçoit que du liquide chaud en cours d'ébullition peut être entraîné, par une succession de bulles, ou une grosse bulle annulaire , vers le haut jusqu'à l'extrémité supérieure du tube axial constituant la séparation interne 5 au niveau de laquelle ledit liquide chaud sera aspiré par ledit tube; la circulation de la phase liquide du fluide caloporteur s'effectue alors dans le sens repéré par les flèches sur la fig. 2, c'est-à-dire en montant dans le conduit annulaire délimité par le tube 3 et le tube 5 et en descendant dans le conduit axial délimité par le tube 5. Le tube axial constituant la séparation interne 5 est maintenu dans le tube 3 par des cales radiales 6 et au moins une cale axiale 7. Il convient encore de signaler que l'ensemble des tubes 3 est avantageusement rectiligne. Au point de vue de la-constitution des tubes 3, et notamment lorsque le fluide chaud contient des vapeurs corrosives (ce qui est le cas lorsque ce fluide chaud est constitué par des gaz brûlés provenant de la combustion d 'hydrocarbures) , il est avantageux de faire appel à des tubes 3 en verre Quant à la constitution de la substance poreuse 4 ou de la séparation interne 5, on peut faire appel à n'importe quel matériau sous réserve qu'il résiste aux températures atteintes par le fluide caloporteur. Finalement et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose d'un échangeur de chaleur dont le fonctionnement et le rendement sont meilleurs que dans les échangeurs du même type mais établis de façon classique, et ce grâce à l'absence d'entraînement de liquide vers la partie supérieure des tubes baignée par le fluide froid. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à tubes scellés, comportant une pluralité de tubes sensiblement parallèles les uns aux autres et disposés transversalement ou obliquement par rapport aux écoulements de fluide chaud et de fluide froid, de sorte que chaque tube présente une partie baignée par le fluide chaud et une partie baignée par le fluide froid, chaque tube étant scellé sous pression réduite et contenant un fluide caloporteur propre à subir des transformations entre sa phase liquide et sa phase gazeuse suivant qu'il se trouve dans la partie du tube baignée par le fluide chaud ou le fluide froid, l'orientation de ces tubes étant telle que ce fluide caloporteur revienne par gravité, en phase liquide, dans la partie des tubes baignée par le fluide chaud, caractérisé par le fait qu'une substance poreuse est disposée à l'intérieur de chaque tube (3), au moins dans la partie inférieure (3a) du tube baignée par le fluide chaud, pour s'opposer à ltentraînement de la phase liquide du fluide caloporteur vers la partie supérieure (3b) du tube baignée par le fluide froid, cette substance poreuse étant constituée par des éléments en contact les uns avec les autres. 2 Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ces éléments sont des billes sphériques, des fragments de forme quelconque, ou des pièces en forme de tortillons.