Brevet FR2194934A1 — publié le 19740301

L'invention est relative aux échangeurs thermiques à faisceau tubulaire, comportant une pluralité de tubes (généralement parallèles entre eux) interposés, par l'intermédiaire de moyens de liaison étanches, entre une plaque d'entrée et une plaque de sortie; le fluide chaud circule dans ce faisceau tubulaire depuis la plaque d'entrée vers la plaque de sortie, et le fluide froid circule autour de ce faisceau tubulaire. Dans de tels échangeurs thermiques, le problème consiste dans la réalisation de ces moyens de liaison; en effet, il se produit des contraintes mécaniques, dues aux contraintes thermiques, qui sont très importantes au niveau du raccordement du faisceau tubulaire avec la plaque d'entrée (côté d'entrée du fluide chaud) et, dans une moindre mesure, avec la plaque de sortie (côté de sortie du fluide chaud). Ce problème est d'autant plus délicat à résoudre que l'on fait appel pour constituer les tubes du faisceau tubulaire à un matériau différent de celui constitutif des plaques d'entrée et de sortie, ce qui est actuellement le cas dans certaines conceptions d'échangeurs thermiques. L'invention s'applique plus particulièrement, parce que c'est dans ce cas que son application semble devoir présenter le plus d'intérêt, mais non exclusivement, aux échangeurs thermiques pour générateurs d'air chaud, dans lesquels le fluide chaud est constitué par les gaz de combustion résultant directement de la combustion de fuel ou de gaz dans une chambre de combustion, et le fluide froid est constitué par de l'air à réchauffer mis en circulation par un ou plusieurs ventilateurs. Dans de tels échangeurs il est avantageux, pour des raisons économiques notamment, de constituer les tubes du faisceau tubulaire en fontes les plaques d'entrée et de sortie étant constituées en acier. De plus, dans ces échangeurs les périodes de fonctionnement alternent avec des périodes d'arrêt, donc le problème des contraintes mécaniques dues aux contraintes thermiques est particulièrement important en raison de leur valeur et de la fréquence de leur apparition ou de leur disparition. L'invention a pour but un échangeur qui permet de faire appel à des matériaux différents pour constituer les tubes du faisceau tubulaire et les deux plaques d'entrée et de sortie. L'invention a encore pour but un échangeur qui tolère des contraintes mécaniques, dues aux contraintes thermiques, dont la valeur est importante et qui peuvent apparattre et disparattre fréquemment. L'invention a aussi pour but un échangeur dont le faisceau tubulaire peut se dilater librement, et ce sans risque de voir certains tubes se désolidariser de la plaque d'entrée ou de sortie. L'invention a en outre pour but un échangeur dont la construction est simple et qui se prête à un montage facile. L'échangeur conforme à l'invention est caractérisé par le fait que les moyens de liaison étanches sont constitués, pour chaque tube et au moins au niveau de la plaque d'entrée, par un tronçon tubulaire intérieur fixé sur la plaque d'entrée et s'étendant à l'intérieur du tube, et par un tronçon tubulaire extérieur fixé sur la plaque d'entrée et s'étendant à lexté- rieur du tube, ce tronçon tubulaire extérieur portant une garniture d'étanchéité coopérant avec la paroi extérieure du susdit tube. On conçoit alors que le tube peut coulisser librement dans l'espace annulaire déterminé par le tronçon tubulaire intérieur et le tronçon tubulaire extérieur, ce qui permet d'utiliser pour le tube un matériau différent de celui de la plaque d'entrée, et ce qui permet d'absorber toutes les déformations du tube sans qu'aucune contrainte mécanique soit engendrée, le tube demeurant toujours maintenu par les susdits tron çons tubulaires intérieur et extérieur. De plus, l'échangeur présente une construction simple et un montage facile. Enfin, le tronçon tubulaire intérieur protège le tube contre l'action du fluide chaud. Avantageusement, le tronçon tubulaire intérieur s'étend au-delà du tronçon tubulaire extérieur; cette disposition permet de protéger contre un trop grand flux thermique la zone du tube qui coopère avec la garniture d'étanchéité, qui se trouve généralement disposée à l'extrémité du tronçon tubulaire extérieur. L'invention consiste, mises à part les dispositions dont question ci-dessus, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise a' l'aide du complément de description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à un mode de réalisation préféré de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La figure 1, de ces dessins, est une vue schématique en coupe d'un échangeur établi conformément à l'invention. La figure 2 est une vue à plus grande échelle et en coupe montrant une partie importante de l'échangeur de la figure 1. L'échangeur montré sur la figure 1 est un échangeur pour générateur d'air chaud, dans lequel le fluide chaud est constitué par les gaz de combustion résultant de la combustion de fuel ou de gaz dans une chambre de combustion 1, et le fluide froid est constitué par de l'air à réchauffer mis en circulation par un ventilateur 2. Cet échangeur est constitué principalement par un faisceau tubulaire 3 comportant une pluralité de tubes 4 (parallèles entre eux) interposés, par l'intermédiaire de moyens de liaison étanches, entre une plaque d'entrée 5 et une plaque de sortie 6. Les gaz de combustion circulent dans ce faisceau tubulaire 3 depuis la plaque d'entrée 5 vers la plaque de sortie 6, comme montré par les flèches en trait plein, et, à la sortie dudit faisceau tubulaire 3, ils débouchent dans une cheminée d'évacuation 7. L'airà réchauffer circule autour de ce faisceau tubulaire 3, comme montré par les flèches en pointillé, et il est admis à la partie inférieure du générateur par un conduit d'aspiration 8; le ventilateur 2 prélève l'air réchauffé par un conduit de liaison 9 situé à la partie supérieure du générateur et il refoule l'air réchauffé dans un conduit de distribution 10 acheminant cet air vers un ou plusieurs postes de distribution (non représentas'). Conformément à l'invention et comme montré clairement sur la figure 2, les moyens de liaison étanches entre les tubes 4 et la plaque d'entrée 5 sont constitués, pour chaque tube 4, par un tronçon tubulaire intérieur Il fixé sur la plaque d'entrée 5 et s'étendant à l'intérieur du tube 4, et par un tronçon tubulaire extérieur 12 fixé sur la plaque d'entrée 5 et s'étendant à l'extérieur du tube 4, ce tronçon tubulaire extérieur 12 portant une garniture d'étanchéité 13 coopérant avec la paroi extérieure 4a du susdit tube 4. Avantageusement, le tronçon tubulaire intérieur 11 s'étend au-delà du tronçon tubulaire extérieur 12, ce qui permet de protéger contre un trop grand flux thermique la zone du tube 4 qui coopère avec la garniture d'étanchéité 13. Cette garniture d'étanchéité 13 se trouve de préférence disposée à l'extrémité du tronçon tubulaire extérieur 12. Au point de vue constructif, il est avantageux de faire comporter à la plaque d'entrée 5 une collerette 14 bordant l'orifice de passage correspondant au tube 4 considéré, cette collerette 14 s'étendant en direction du susdit tube 4. Le tronçon tubulaire intérieur Il présente alors une partie évasée lla dont le diamètre extérieur est égal (approximativement au moins) au diamètre intérieur de la collerette 14; ce tronçon tubulaire intérieur 11 est fixé à la plaque d'entrée 5 par un cordon de soudure 16 affleurant ladite plaque d'entrée 5. Le tronçon tubulaire extérieur 12 présente des diamètres intérieur et extérieur égaux (approximativement au moins) aux diamètres intérieur et extérieur de la collerette 14; ce tron çon tubulaire extérieur 12 s'emmanche donc sur la partie évasée lla du tronçon tubulaire intérieur 11 et il est fixé sur la plaque d'entrée 5 par un cordon de soudure 17 assurant la soudure bout à bout de son extrémité sur l'extrémité en regard de la collerette 14. En ce qui concerne la garniture d'étanchéité 13, elle est avantageusement abritée dans un anneau rapporté 18 soudé à l'extrémité libre du tronçon tubulaire extérieur 12, qui à cet effet présente un épanouissement 12a. Comme montré sur la figure 1, les moyens de liaison étanches entre chaque tube 4 et la plaque de sortie 6 peuvent avantageusement être constitués d'une façon analogue. En ce qui concerne l'étendue axiale des tronçons tubulaires intérieur Il et extérieur 12, il convient de signaler que l'étendue axiale du tronçon tubulaire intérieur 11 peut être de ltordre de deux fois le diamètre intérieur du tube 4, et ltétendue axiale du tronçon tubulaire extérieur 12 peut être de l'ordre d'une fois et demi le susdit diamètre intérieur. Quant à la matière constitutive des tronçons tubulaires intérieur 11 et extérieur 12, on peut avantageusement faire appel au même matériau que celui constituant la plaque d'entrée 5 et la plaque de sortie 6, un tel matériau étant généralement constitué par de l'acier. Finalement et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose d'un échangeur dans lequel il est possible de constituer les tubes du faisceau tubulaire en fonte ordinaire puisque, grâce aux moyens de liaison étanches entre ces tubes et les plaques d'entrée et de sortie, il n'apparat pratiquement aucune contrainte mécanique quelle que soit la fréquence des périodes de fonctionnement et des périodes d'arrêt de l'échangeur. Chaque tube de l'échangeur peut se dilater librement tout en restant maintenu dans l'espace annulaire délimité par le tronçon tubulaire intérieur et le tronçon tubulaire extérieur et il n'y a aucun risque de voir certains tubes se désolidariser de la plaque d'entrée ou de sortie. Enfin, le tronçon tubulaire intérieur protège chaque tube et la garniture d'étanchéité correspondante contre le flux thermique élevé apporté par les gaz de combustion à l'entrée du faisceau tubulaire. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation ayant été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique à faisceau tubulaire, comportant une pluralité de tubes interposés, par l'intermédiaire de moyens de liaison étanches, entre une plaque d'entrée et une plaque de sortie, le fluide chaud circulant dans ce faisceau tubulaire depuis la plaque d'entrée vers la plaque de sortie, et le fluide froid circulant autour de ce faisceau tubulaire, cet échangeur étant caractérisé par le fait que les susdits moyens de liaison étanches sont constitués, pour chaque tube et au moins au niveau de la plaque d'entrée, par un tronçon tubulaire intérieur fixé sur la plaque d'entrée et s'étendant à l'intérieur du tube, et par un tronçon tubulaire extérieur fixé sur la plaque d'entrée et s'étendant à l'extérieur du tube, ce tronçon tubulaire extérieur portant une garniture d'étanchéité coopérant avec la paroi extérieure du susdit tube. 2. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le tronçon tubulaire intérieur s'étend au-delà du tronçon tubulaire extérieur. 3. Echangeur thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la garniture d'étanchéité se trouve disposée à l'extrémité du tronçon tubulaire extérieur. 4. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la plaque d'entrée comporte une collerette bordant l'orifice de passage correspondant au tube considéré et s'étendant en direction du susdit tube, par le fait que le tronçon tubulaire intérieur présente une partie évasée dont le diamètre extérieur est sensiblement égal au diamètre intérieur de ladite collerette, et par le fait que le tronçon tubulaire extérieur présente des diamètres intérieur et extérieur sensiblement égaux aux diamètres intérieur et extérieur de la susdite collerette. 5. Echangeur thermique selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que la garniture d'étanchéité est abritée dans un anneau rapporté fixé à l'extrémité libre du tronçon tubulaire extérieur. 6. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'étendue axiale du tronçon tubulaire intérieur est de l'ombre de deux fois le diamètre intérieur du tube et l'étendue axiale du tron çon tubulaire extérieur est de l'ordre d'une fois et demi le susdit diamètre intérieur. 7. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les tronçons tubulaires intérieur et extérieur sont constitués par le même matériau que celui constituant la plaque d'entrée. 8. Echangeur thermique selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ce matériau est de l'acier. 9. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les tubes du faisceau tubulaire sont constitués en fonte. 10. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les moyens de liaison étanches entre chaque tube et d'une part la plaque d'entrée et d'autre part la plaque de sortie sont identiques.