Brevet FR2139076A1 — publié le 19730105

ta présente invention concerne des échangeurs de chaleur et, plus particulièrement, un échangeur de chaleur du type dans lequel un faisceau de tubes parallèles d'échange de chaleur s'étend entre des plaques à tubes situées à chaque extrémité du faisceau. tes tubes d'échange de chaleur sont reliés par leurs extrémités aux trous des plaques à tubes, par exemple par soudage. Le faisceau des tubes d'échange de chaleur est disposé dans une enveloppe externe ou récipient auquel les plaques sont fixées. Dans une application d'un tel échangeur de chaleur, par exem- ple comme générateur ou surchauffeur de vapeur d'eau, un métal liquide utilisé comme milieu de transmission de chaleur, par exemple du sodium, passe dans ltenveloppe sur les tubes, et de l'eau destinée à engendrer de la vapeur d'eau ou bien de la va pevr d'eau destinée à entre surchauffée passe dans les tubes. Dans ce cas, l'échange de chaleur s'effectue entre des fluides qui réagiraient violemment s'ils entraient en contact, par exemple par échappement de la vapeur d'eau ou de l'eau dans la masse de sodium contenue dans l'enveloppe par suite d'une soudure défectueuse entre les tubes et les plaques. t'intégrité des constructions courantes d'échangeurs de chaleur à sodium/eau dépend de l'éxcellence de la production et de l'examen des soudures entre les tubes et les plaques.Toutefois, il faut tenir compte d'une réaction éventuelle entre le sodium et l'eau et, par conséquent, il est nécessaire de réaliser l'enveloppe de l'échangeur de chaleur de manière qu' elle puisse résister aux fortes pressions in te:es qui seraient engendrées au cas où il se produirait une telle réaction. ainsi, l'enveloppe de l'échangeur de chaleur et les plaques à tubes ont été réalisées à une très grande épaisseur. La demande de brevet britalmique iTO 15 899/69 concerne un échangeur de chaleur du type à "tubes dans une envclolpe" dans lequel liteau et la vapeur d'eau à haute pression sont contenues dans l'enveloppe et le sodium se trouve dans les tubes, de sorte qu'une défaillance d'un tube ne peut pas s'aggraver par un surchauffage et une corrosion d'autres tubes situés au voisinage du tube défectueux. Dans ce cas, comme le milieu à haute pression est contenu dans l'enveloppe, l'enveloppe et les plaques à tubes doivent avoir à nouveau une très grande épaisseur pour résister à la forte pression interne. Il convient également de prévoir dans les échangeurs de chaleur du type à "tubes da une enveloppe" des moyens pour permettre une différence de dilatation thermique longitudinale des tubes par rapport à l'enveloppe à la fois pendant que l'échangeur est amené à l'état de régime permanent et dans des conditiens transitoires. On peut y parvenir en donnant aux tubes une forme en U à l'intérieur de l'enveloppe, les deux plaques à tubes étant placées à une extrémité de cette dernière. Dans une autre disposition, les tubes sont en forme de J ou de crosse de hockey à l'intérieur d'une enveloppe de meme forme, de façon que la plaque à tubes située à une extrémité de l'enveloppe soit dans un plan perpendiculaire au plan de la plaque à tubes située à l'autre extrémité de l'enveloppe.Ces deux solutions augmentent le prix et compliquent la fabrication des échangeurs de chaleur. Selon la présente invention, dans un échangeur de chaleur du type "à tubes dans une enveloppe", chaque plaque à tubes est fixée le long de son bord externe à l'enveloppe de l'échangeur par un élément annulaire intermédiaire couvrant la distance comprise entre le bord externe de la plaque à tubes et l'enveloppe, le sens radial l'élément annulaire ayant une section droite de forme arquée dans/ L'élément annulaire a de préférence une section droite semi dans le sens radial circulaire|, de façon qu'il ait la forme d'un demi-toroide tubu- laire.L'élément annulaire est placé de préférence de façon que ses bords interne et externe soient sensiblement dans le plan dans lequel se trouve la plaque à tubes, les bords interne et externe de l'élément annulaire étant fixés à la plaque à tubes et à l'en- veloppe par soudage.La section droite curviligne de l'élément annulaire lui permet de résister à une forte pression, de sorte qu'il peut entre en un matériau relativement mince. t'élément annulaire présente ainsi un certain degré de flexibilité dans le sens perpendiculaire au plan de la plaque à tubes, de sorte que cette dernière peut se déplacer longitudinalement par rapport à l'enveloppe de l'échangeur de chaleur pour permettre la dilatation thermique longitudinale relative entre les tubes et l'enve- loppe de l'échangeur de chaleur. Afin d'augmenter la flexibilité de l'élément annulaire tout en lui permettant de contenir la pres sion, ledit élément annulaire peut être sous forme stratifiée. En outre, dans de tels échangeurs de chaleur à sodium/eau du type à "tubes dans une enveloppe" dans lequel le sodium chauffé passe dans les tubes de l'échangeur de chaleur et l'eau passe dans l'enveloppe sur les tubes pour engendrer de la vapeur d'eau, il est avantageux de prévoir également un calorifuge sur les faces des plaques des tubes à l'intérieur de l'enveloppe, étant donné que lesdites plaques sont simultanément en contact thermique étroit avec le sodium et l'eau ou la vapeur d'eau. te calorifugeage a pour effet de réduire au minimum les contraintes imposées aux plaques en régime permanent ainsi que les contraintes transitoires dues à de brusques changements des conditions opératoires.En particulier, la plaque à tubes située à l'extrémité de sortie de la vapeur d'eau de l'enveloppe de l'échangeur de chaleur serait exposée à des conditions particulièrement rigoureuses si elle n'était pas calorifugée, car si la vapeur d'eau est humide, les gouttelettes de liquide heurteraient la plaque à tubes à travers laquelle passe le sodium à la température élevée d'entrée. Une forme connue du calorifuge comprend un certain nombre de plaques formant chicanes disposées parallèlement à la plaque à tubes et parallèlement les unes aux autres. tes chicanes sont percées pour qu'elles puissent être traversées par les tubes à leurs extrémités voisines de la plaque à tubes et elles sont disposées de manière que le fluide en stagnation, ctest-à-dire la vapeur d'eau ou l'eau, soit retenu dans les espaces compris entre les chicanes pour assurer l'isolation thermique nécessaire. Ce type de calorifuge a pour inconvénient principal un prix de fabrication élevé, car il est nécessaire de percer des milliers de trous dans les chicanes pour y introduire les extrémités des tubes d'échange de chaleur. Cet inconvénient est particulièrement important lorsqutil s'agit d'obtenir une très bonne isolation thermique au moyen d'un tel calorifuge formé d'un grand nombre de chicanes. Un autre inconvénient éventuel est da au fait que les espaces compris entre les plaques à tubes ne permettent qu'un accès limité au corps principal de l'enveloppe de l'échangeur.Ainsi, une évaporation rapide de l'eau contenue dans les espaces compris entre les chicanes, lors de la mise en marche de l'échangeur de chaleur ou par suite d'une variation transitoire des conditions opératoires, pourrait conduire à une montée rapide de la pression dans les espaces qui ne pourrait pas entre relâchée facilement desdits espaces entre les chicanes dans le corps principal de l'enveloppe. Ainsi, il y a un risque de défaillance locale des tubes dû à une accumulation excessive de pression. Selon une autre caractéristique de la présente invention, les plaques à tubes d'un échangeur de chaleur du type à tubes dans une enveloppe" comme susmentionné présentent un calorifuge comprenant une série de plaques disposées de chant sur la plaque à tubes et parallèlement les unes aux autres entre les rangées successives des tubes d'échange de chaleur. Lorsqu'il existe des espaces droits entre les rangées de tubes, les plaques peuvent être planes. Dans le cas d'un échangeur de chaleur comportant des tubes très serrés entre lesquels il n'existe pas d'espaces droits, les plaques peuvent entre de forme ondulée pour les ajuster entre les rangées de tubes.Cette disposition permet à chaque tube d'échange de chaleur autre entouré à son point de liaison avec la plaque à tubes par un fluide en stagnation, soit de la vapeur d'eau, soit de l'eau, selon les conditions, qui est retenu dans les poches délimitées dans les éléments en forme de plaques et les tubes. Ainsi, un changement de conditions aboutissant à une évaporation rapide de l'eau retenue dans les poches ne pourrait pas produire-de pressions locales excessives car chacune des poches est entièrement ouverte et en communication avec le corps principal de l'enveloppe. Ledit calorifuge a également l'avantage autre peu coûteux, cat il n'est pas nécessaire par exemple de percer un grand nombre de trous dans une série de plaques pour former les chicanes nécessaires. L'isolation thermique obtenue dépend simplement de l'épaisseur des éléments en forme de plaques. Une bonne isolation thermique peut entre obtenue en donnant simplement une épaisseur suffisante auxdits éléments en forme de plaques. te calorifuge selon l'invention est également facile à monter par rapport aux plaques à tubes, étant donné qu'il suffit d'intercale les éléments en forme de plaques en les plaçant de chant sur la plaque à tubes entre les rangées parallèles des tubes d'échange de chaleur.Les éléments en forme de plaques constituant le calorifuge peuvent entre supportés à leurs extrémités par un élément annulaire monté sur la face de la plaque à tubes et entourant les tubes d'échange de chaleur. En variante, un élément de support annulaire des éléments en forme de plaques peut être monté autour de la paroi interne de l'enveloppe de ltéchangeur juste au-dessous du niveau de la plaque à tubes. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif,mais nullement limitatif,des formes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins la figure 1 est une coupe longitudinale d'un échangeur de chaleur selon la présente invention la figure 2 est une coupe longitudinale à grande échelle d'une variante de l'ensemble des tubes et d'une plaque à tubes de L'échangeur de chaleur représenté sur la figure 1 la figure 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la figure 2, et la figure 4 est analogue à la figure 3 et représente à plus grande échelle un détail d'une variante. L'échangeur de chaleur représenté sur la figure 1 comporte une enveloppe cylindrique 1 contenant un faisceau de tubes parallèles 2 d'échange de chaleur. tes tubes 2 s'étendent longitudinalement dans l'enveloppe 1 entre des plaques à tubes 7 placées à chaque extrémité de ltenveloppe 1. Les tubes 2 sont espacés et maintenus transversalement dans l'enveloppe 1 par des grilles dis poséestar intervalles le long des tubes 2 ou, en variante, les tubes 2 peuvent titre espacés par un fil métallique enroulé autour des tubes ou par des ailettes solidaires de ces derniers, les tubes étant maintenus à l'état cohérent dans le faisceau par un élément enveloppant comme décrit dans la demande de brevet britannique NO 15 899/69 précitée. t? enveloppe 1 comporte un raccord d'entrée 4 à son extrémité inférieure et un raccord de sortie 5 à son extrémité supérieure. lies tubes 2 traversent des trous 6 ménagEs dans la plaque à tubes 3 située à l'extrémité supérieure de l'enveloppe 1 et leurs extrémités supérieures sont reliées à un collecteur d'entrée 7. D'une manière analogue, les tubes 2 traversent des trous 6 de la plaque à tubes 3 située à l'extrémité inférieure de I'enveloppe 1 et leurs extrémités inférieures sont reliées à un collecteur de sortie 8. tes tubes 2 sont brasés dans les trous 6 des plaques à tubes 3 et sont également brasés à leurs extrémités reliées aux collecteurs d'entrée et de sortie 7 et 8. Chacune des plaques à tubes 3 est reliée à l'enveloppe 1 de la mgme manière. En se référant à la plaque à tubes 3 située à l'extrémité supérieure de l'enveloppe 1, la plaque 3 présente un diamètre externe plus petit que le diamètre interne de ltextré- mité supérieure de l'enveloppe 1, de manière à laisser un espace annulaire 9 entre le bord externe de la plaque à tubes 3 et le bord de l'enveloppe 1.L'espace 9 est fermé par un élément annulaire 10 qui a une section droite semi-circulaire. l'élément 10 peut etre décrit comme ayant la forme d1un demi-toroide tubulaire et est constitué par plusieurs feuilles il emboîtées les unes dans les autres. l'élément 10 est fixé par son bord interne 12 au bord externe de la plaque à tubes 3 par une soudure 13. l'élé- ment 10 est fixé par son bord externe 14 au bord de l'enveloppe 1 par une soudure 15. Pendant l'utilisation de l'échangeur de chaleur, par exemple comme chaudière à passage dirent, l'eau passe dans l'enveloppe 1 par le raccord d'entrée intérieur 4 et la vapeur d'eau est engendrée dans l'enveloppe 1 par échange de chaleur avec par exemple du sodium chauffé qui passe dans les tubes 2 d'échange de chaleur. le sodium chauffé passe dans les tubes 2 par l'intermédiaire du collecteur supérieur d'entrée 7 et,après entre descendu le long des tubes 2, il sort par le collecteur inférieur 8. La vapeur engendrée, par exemple à une pression de 175 bars dans l'enveloppe 1, sort de cette dernière par le raccord supérieur 5. Une grande force axiale est exercée sur les plaques à tubes 3, mais ce sont les tubes d'échange de chaleur qui en supportent la plus grande partie en étant soumis à une traction longitudinale. Par conséquent, les plaques à tubes43 peuvent avoir une épaisseur relativement faible, par exemple de 7,6 cm en comparai son d'une épaisseur de 30,5 cm qui était nécessaire pour des pla ques à tubes qui transfèrent toute la pression interne à l'enve- loppe 1. La forme des éléments annulaires 10 leur permet de contenir la pression interne élevée régnant dans l'enveloppe 1 tout en ayant une épaisseur de métal relativement faible. A cause de certains facteurs géométriques et du fait que les éléments annulaires 10 sont constitués par des feuilles 11 relativement minces, lesdits éléments 10 sont flexibles dans le sens de l'axe longitudinal de l'enveloppe 1, c'est-à-dire dans le sens perpendiculaire au plan des plaques à tubes 3. Ces plaques 3 peuvent ainsi se déplacer longitudinalement par rapport à l'enveloppe 1 de l'échan- geur, grâce à la flexion des éléments annulaire 10,pour compenser la dilatation thermique longitudinale des tubes 2 par rapport à l'enveloppe.Cette dilatation thermique longitudinale des tubes 2 par rapport à l'enveloppe est due à la différence de température entre les tubes et l'enveloppe ol pendant que l'échangeur de chaleur est porté à cette température de fonctionnement. L'échangeur de chaleur selon l'invention a l'avantage d'entre monté facilement, étant donné que les tubes 2 peuvent entre assemblés avec les plaques à tubes 3, à l'extérieur de l'enveloppe 1, et que l'ensemble des tubes 2 et des plaques 3 peut entre ensuite introduit dans l'enveloppe 1 et les plaques 3 peuvent entre reliées aux extrémités de ladite enveloppe 1 par soudage des éléments anr;;ulaires 10 qui ferment- l'espace 9 compris entre les plaques 3 et les extrémités de l'enveloppe 1. lies couches superposées 11 des éléments annulaires 10 peuvent entre soudées individuellement en position ou,en variante, les couches 11 peuvent être soudées à des éléments annulaires séparés qui sont soudés ultérieurement aux plaques 3 et à l'enveloppe 1. Ce dernier processus facilite l'examen et le traitement thermique des soudures des couches stratifiées. L'ensemble modifié des tubes et des plaques à tubes représenté sur les figures 2 et 3 comporte une plaque à tubes 21 à laquelle sont reliés plusieurs tubes échangeurs de chaleur 22. lies tubes 22 sont disposés parallèlement les uns aux autres sous forme d'un faisceau et sont soudés à leur extrémité pour communiquer avec des trous 23 de la plaque à tubes 21. Un calorifuge de la face inférieure de la plaque 21 comporte une serie de plaques parallèles 24 disposées de chant contre la face de la plaque à tubes 21. Les plaques 24 sont interposées entre les rangées parallèles des tubes d'échange de chaleur 22. Un élément annulaire 25 de support des plaques 24 est soudé à la face de la plaque à tubes 21 autour du faisceau des tubes d'échange de chaleur 22. lies extrémités des plaques 24 s'appuient contre une bride interne 26 formée à la base de l'élément annulaire 25. lie faisceau des tubes 22 est ajusté à l'intérieur de l'enveloppe 1 (figure 1) à laquelle les plaques à tubes placées à chaque extrémité du faisceau des tubes 22 sont fixées par l'intermédiaire des éléments annulaires 10 (figure 1). Lorsque l'échangeur de chaleur est du type à sodium/eau, le sodium chauffé passe dans les tubes d'échange de chaleur 22 et l'eau destinée à engendrer de la vapeur d'eau passe dans l'enveloppe sur les tubes 22. -Te calorifuge de l'invention isole thermiquement les plaques à tubes 21 en emprisonnant la vapeur d'eau ou l'eau en stagnation dans les poches formées sur la face des plaques à tubes entre les plaques 24 et les extrémités des tubes échangeurs de chaleur 22. Dans la disposition de la figure 3, des espaces rectilignes existent entre les rangées de tubes 22, ce qui permet aux plaques 24 d'étire planes. Dans la variante représentée sur la figure 4, les tubes 22 sont très rapprochés,de telle sorte -qu'il n'y a pas d'espaces droits entre les rangées de tubes. Dans ce cas, les plaques 24' ont une forme ondulée pour s'ajuster entre les tubes 22. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent entre apportées aux formes de réalisation décrites sans sortir du cadre et de l'esprit de l'invention. 11 invention. REVEISDICATIOIIS 1. Echangeur de chaleur du type à tubes dans une enveloppe, dans lequel un faisceau de tubes parallèles d'échange de chaleur s'étend entre des plaques à tubes situées à chaque extrémité du faisceau, les tubes étant reliés à des trous desdites plaques à tubes, et une enveloppe dans laquelle le faisceau des tubes est disposé avec des moyens destinés à fixer les plaques à tubes à ladite enveloppe, échangeur caractérisé en ce que lesdits moyens destinés à fixer chaque plaque à tubes à ladite enveloppe comprennent un élément annulaire entre chaque plaque à tubes et l'enve- loppe, ledit élément étant fixé au bord externe de la plaque à tubes respective et à l'enveloppe, de manière à franchir l'espace qui les sépare, la section droite dudit élément annulaire dans le sens radial étant de forme arquée. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section droite dudit élément dans le sens radial est semi-circulaire. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément annulaire est disposé de façon que ses bords interne et externe soient sensiblement dans le plan dans lequel se trouve la plaque à tubes respective, et en ce qu'ils sont fixés à ladite plaque à tubes et à l'enveloppe par soudage. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément annulaire est stratifié. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des plaques à tubes comporte un calorifuge formé d'une série de plaques disposées de chant contre la plaque à tubes respective et parallèlement les unes aux autres entre les rangées successives des tubes d'échange de chaleur. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, carac- risé en ce- que lesdites plaques sont planes et s'étendent dans des espaces rectilignes entre les tubes. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites plaques ont une forme ondulée pour entre interposées entre les tubes lorsque ces derniers sont très rapprochés. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les plaques sont supportées à leurs extrémités par un élément annulaire monté sur la face de la plaque à tubes respective et entourant les tubes d'échange de chaleur.