Brevet FR2129858A1 — publié le 19721103

Lorsqu'un circuit de gaz contient une source vibratoire, il peut en résulter des pulsations de pression, notamment sous la forme d'ondes stationnaires de résonance acoustique. Si ces pulsations sont de forte intensité (comme cela arrive dans les gaz de masse spécifique élevée), elles peuvent être très néfastes par leurs conséquences, bruit, vibrations, fatigue, etc.. Ceci peut se produire, enptrticulier, dans des appareils échangeurs de chaleur, où les sources d'excitation peuvent Stre constituées par des instabilités périodiques de l'écoulement autour d' obstacles, tels que les faisceaux de tubes, par exemple. Il existe de nombreux remèdes connus à ces problèmes, remèdes utilisés soit à titre préventif (lorsqu'on peut prévoir la possibilité de résonances néfastes), soit à titre curatif (lorsqu'on a affaire à des phénomènes difficilement prévisibles). Les solutions généralement utilisées peuvent consister à supprimer la source d'excitation : par exemple à supprimer les instabilités périodiques d'écoulement en modifiant le profil des obstacles ( ceci est quelquefois possible, mais souvent impraticable si les obstacles sont nombreux, s'ils consistent, par exemple, en tubes d'échangeur s'élevant en nombre à plusieurs centaines ou mil lierez a modifier les fréquences propres de résonance acoustique du circuit de façon à écarter ces fréquences suffisamment loin de la gamme des fréquences d'excitation possible ( ceci peut se faire en modifiant la géométrie acoustique interne du circuit, par exemple, en installant des cloisonnements, en modifiant les dimensions, etc..., mais n'est pas toujours matériellement souhaitable ou possible sans gêner l'écoulement du gaz ;; une telle solution est particulièrement indésirable dans les circuits d'échangeurs de chaleur à enveloppe allongée et circulation longitudinale de flui deX à installer des dispositifs "atténuateurs" (cavités, chicanes, parois absorbantes, etc...) qui absorbent l'énergie acoustique et atténuent ainsi le niveau sonore ( c'est ainsi qu'agissent de nombreux dispositifs dits "silencieux" installés en aval de machines de type alternatif ou autre, ou à l'intérieur d'enceintes diverses où l'on veut réduire le niveau sonores La présente invention a pour objet de faciliter l'atténuation des pulsations de pression dans les circuits de gaz des échangeurs de chaleur, du type comportant une enveloppe allongée dont ltespa- ce intérieur,le long duquel circule ce gaz, est garni d'un faisceau de tubes d'échangeur sur, au moins, une partie de sa longueur. On constate que les échangeurs de ce type donnent lieu, pour certaines conditions de fonctionnement, ou à certains régimes, à des pulsations de pression. Celles-ci ont tendance à se manifester sous forme d'ondes stationnaires longitudinales, qui paraissent présenter plus de fixité dans la partie d'échangeur garnie de faisceaux de tubes que dans le reste du circuit. On constate aussi que, parmi les fréquences de résonance théoriquement susceptibles de se produire en-raison des caractéristiques du circuit, certaines ne parviennent pas à s'établir de manière gênante, à cause des capacités d'amortissement naturel dues à la configuration du circuit et des obstacles qu'il contient, tubes et autres. Par contre, il existe d'autres fréquences, dites privilégiées, dont ce niveau d'amortissement naturel ne suffit pas à empêcher la résonance effective. Par ailleurs, ces fréquences privilégiées semblent se rapprocher de cellesaisceptibles de se produire dans un circuit de gaz approximativement limité à la partie d'échangeur garnie de tubes. Des essais ont ainsi révélé, dans un échangeur de chaleur du type qui sera décrit ci-après, la présence de profils d'ondes stationnaires avec des noeuds de pression près des extrémités inférieure et supérieure de l'ensemble de faisceaux tubulaires formant écono mis eur-vaporisateur. Il semble donc que, contrairement à l'opinion souvent admise, selon laquelle la présence des tubes ne modifie pas les caractéristiques acoustiques des cavités dans lesquelles ilsse trouvent, pourvu que le diamètre des tubes soit petit par rapport à la longueur d'onde, ces tubes influencent notablement le comportement acoustique du circuit quand, s'agissant d'un échangeur de chaleur, ils ont un coefficient de remplissage important. Ces tubes paraSs- sent alors amortir de manière satisfaisante certaines fréquences, et n'offrir pour certaines autres fréquences "privilégiées" qu'un amortissement insuffisant, les valeurs des fréquences privilégiées, et de leurs phases, étant assez proches de celles susceptibles de se produire dans des conditions de résonance de la partie de circuit occupée par les faisceaux de tubes. Sur la base de ces constatations, l'invention propose un dispositif d'atténuation des pulsations de pression dans un circuit de gaz d'échangeur de chaleur du type sus-visé, dispositif consignant, au moins, en une cavité résonnr$e placée latéralement sur le circuit, dans la partie occupée par le faisceau de tubes. Une telle cavité a pour effet de modifier les valeurs de fréquences de résonance, de produire des déplacements spatiaux de phase, et de changer la géométrie du circuit. Elle permet d'éliminer les fréquences privilégiées, et les fréquences nouvelles rendues possibles par modification du circuit sont de celles à l'é- gard desquelles l'ensemble du circuit, y compris le faisceau, présente une capacité d'amortissement suffisante. L'efficacité du dispositif selon l'invention résulte de l'adjonction d'une cavité réstnmte à un faisceau de tubes existant, et de la coopération entre eux, celui-ci jouant le rôle d'amortisseur, et celle-là servant à provoquer des modifications de fréquence et des déplacements de phases. Un tel agencement diffère donc sensiblement des dispositifs connus, qui servent à absorber eux-mêmes de l'énergie pulsatoire et à la dissiper. Le déplacement de fréquence réalisé par la cavité résonnante est d'autant plus important que la fréquence propre de celle-ci est proche de la fréquence que l'on cherche à déplacer. En outre, ce déplacement se fait d'autant mieux que la cavité est plus rapprochée d'un ventre de pression de la résonance à déplacer. Par ailleurs, l'efficacit de la cavité s'accrott en raison de son volume. Les moyens d'essais et de calcul dont on dispoee permettent de donner à ce volume une valeur telle que l'altération de fréquence et de phases de ltensemble~du système place les nouvelles fréquences et phases dans les zones d'amortissement naturel élevé. Le dispositif selon l'inventinn offre, comme appréciable avantage, celui de ne pas perturber l'écoulement du gaz. Suivant les applications, on utilise une ou plusieurs cavités, placées en série ou en parallèle. Ces cavités sont i section constante, ou bien présentent un rétrécissement à l'entrée, celle-ci pouvant consister, par exemple, en un ou plusieurs orifices pratiqués dans la paroi de l'enveloppe. Les objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront par ailleurs de la description que l'on va en donner ciaprès, portant sur un mode de rdalisation choisi à titre d'exemple et représenté sur les desins annexés. Sur ces dessins la figure 1 représente en coupe axiale verticale une tour d' échangeur munie d'un dispositif selon l'invention la figure 2 représente ce dispositif à plus grande échelle la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2 les figures 4 à 6 portent sur des variantes. La tour d'échangeur représentée sur la figure 1 constitue un module, faisant partie d'un générateur de vapeur de type modulaire, chauffé au 002. Elle comporte une enveloppe 1, fermée en haut par un dôme 2 et munie à sa partie inférieure d'une sortie 3. Une cheminée 4, disposée verticalement à l'intérieur de l'enveloppe, est ouverte à son extrémité supérieure 5, voisine du dbme 2, et présente à sa partie inférieure une tubulure horizontale 6 par l'intermé- daire de laquelle elle communique avec un collecteur 7 de C02 chaud. Un faisceau de tubes 8 enroulés en hélice, formant éconoBliseur- vaporisateur, estlogé, sur une partie de la hauteur de la tour, dms l'espace annulaire entre l'enveloppe 1 et la cheminée 4. Ce faisceau est raccordé à un faisceau 9 de tubes verticaux formant surchauffeur, qui sont disposés dans la cheminée 4. Selon un mode connu, le C02 chaud admis par la tubulure 6 monte le long de la cheminée 9 , descend ensuite le long de l'espace annulaire entre celle-ci et l'enveloppe 1 et s'évacue par la sortie 3, tandis qu'un fluide eau-vapeur parcourt à contre-courant les faisceaux 8 et 9. Pour atténuer les pulsations de pression dans le circuit de C02, il est prévu, selon l'invention, une cavité fermée 10, disposée sur la face latérale extérieure du conduit annulaire de circulation de gaz, et communiquant avec lui. Cette cavité 10 est formée par une cuvette il à fond bombé, soudée le long de son bord piri- phérique à la face extérieure de l'enveloppe 1, et située dans la partie de conduit annulaire occupée par le faisceau 8. Sa communication avec le conduit se réduit à deux trous 11' percés dans lten- veloppe 1 (figures 2 et 37. Dans la variante de la figure 4, la cavité résonnante est délimitée par un simple tube cylindrique 12, obturé en bout extérieur et communiquant à pleine section avec l'espace annulaire de circulation de gaz. Le mode de réalisation de la figure 5 porte sur une cavité formée par une bote cylindrique 13, obturée par un fond plat 14, et communiquant avec le conduit annulaire par un passage rétréci 15. Quant à la cavité représentée sur la figure 6, elle est composée de deux bottes plates cylindriques 16 et 16', disposées en série sur le conduit annulaire, les agaces intercommunicants étant relids les uns aux autres par des tubulures 17, 17' formant passages rétrécis. Selon une variante, ces passages sont réalisés par des cloisons perforées du genre de celle qui assure la communication entre la cavité 10 et le conduit annulaire (Figures 2 et 3). Dans certaines applications, un conduit de gaz de forme annulaire délimité par deux viroles allongées coaxiales peut être muni, selon l'invention, d'une ou plusieurs cavités fermées fixées à la virole intérieure et disposées en saillie dans l'espace intérieur défini par celle-ci. REVENDICATI S 1. Enveloppe d'échangeur de chaleur, de forme allonge, carac térisée par la présence, sur sa face latérale extérieure, d'une cavité fermée communiquant avec l'espace intérieur de l'enveloppe. 2. Enveloppe suivant la revendication 1, dont la, ou une cavité est délimitée par un élément en forme de cuvette i fond bombé, relié le long de son bord à la face extérieure de l'enveloppe. 3. Enveloppe suivant la revendication 1, dont la, ou une cavité est de forme cylindrique. 4. Enveloppe suivant une quelconque des revendications préc- dentes, dont la, ou une cavité est formée de plusieurs espaces communicants dispos en série. 5. Enveloppe suivant une quelconque des revendications précédentes, dont le, ou les passages entre espaces communicants, sont rétrécis. 6. Enveloppe suivant la revendication 5, comportant une cloison perforée formant passage rétréci entre deux espaces communi- cants. 7. Echangeur de chaleur comportant une enveloppe suivant une quelconque des revendications précédentes définissant un circuit de gaz et garnie d'un faisceau de tubes air, au moins, une partie de sa longueur. 8. Echangeur de chaleur suivant la revendication 7, dont la, ou une cavité fermée est située sur une partie de l'enveloppe garnie de tubes. 9. Echangeur de chaleur suivant la revendication 7 ou 8, dont la ou une cavité a une fréquence propre voisine d'une fréquence privilégiée du circuit de gaz, ou égale à celle-ci. 10. Echangeur de chaleur suivant la revendication 7, 8 ou 9, caractérisé par la eotncidence ou le voisinage de la ou d'une cavité et d'un ventre de pression d'onde stationnaire associée à une fréquence privilégiée du circuit de gaz.