Brevet FR2183613A1 — publié le 19731221

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur à chicanes. De tels échangeurs comportent un faisceau de tubes longitudinaux parallèles dont les extrémités sont engagées dans des plaques tubulaires. les tubes de ce faisceau sont parcourus intérieurement par un fluide primaire qui est admis chaud à i'une des extrémités du faisceau et qui est évacué refroidi à l'autre extrémité. Une virole cylindrique entoure le faisceau tubulaire et délimite, avec les plaques tubulaires, ltéchangeur proprement dit. Dans cette virole une ouverture est prévue pour l'admission du fluide secondaire froid au voisinage d'une des plaques tubulaires, tandis qu'unie autre ouverture est ménagée au voisinage de l'autre plaque tubulaire pour l'évacuation du fluide secondaire réchauffé, ce fluide secondaire circulant à l'extérieur des tubes du faisceau. A l'intérieur de l'échangeur, des chicanes situées dans des plans perpendiculaires au faisceau servent à la fois à supporter les tubes dudit faisceau et à imprimer au fluide secondaire un trajet sinueux, favorisant les échanges entre le fluide primaire passant à l'intérieur des tubes et le fluide secondaire curculant à l'extérieur des tubes. [Bien entendu, inversement, le fluide primaire peut être le fluide froid et le fluide secondaire le fluide chaud]. Dans le cas de grands débits du fluide secondaire, qui peut être aussi bien un gaz qu un liquide, on est conduit à ménager de grandes sections de passage à ltextérieur des tubes du faisceau. La section de passage S est donnée approximativement par la formule = = Ec x A (I) où E est la distance entre deux chicanes successives et A est la c longueur de passage entre tubes, qui est elle-même donnée approximativement par la formule # = # p-d (II) p 0 étant le diamètre de la virole, p le pas des tubes, c'est-àdire la distance entre axes de deux tubes voisins, et d le diamètre des tubes. Or, pour des raisons mécaniques, la portée maximale Pmax. est limitée suivant des normes. Par exemple, pour des tubes de 19 mm en cuivre, elle est limitée à 1,27 m, alors que pour l'acier elle est de 1,52 m, suivant les normes américaines TEMA. Gomme les chicanes sont équidistantes et étant donné que, dans les appareils antérieurs, les tubes étaient supportés, au moins pour certains d'entre eux, par une chicane sur deux, l'écart maximum E max. c est égal à P max72 Ainsi, quand E c max. est atteint, pour augmenter la section de passage S, il fallait augmenter A conformément à l'équation I ci-dessus, c'est-à-dire augmenter p d'après l'équa- tion Il ou écarter les tubes les uns des autres. On arrivait ainsi à des appareils dans lesquels les tubes sont écartés à un pas rela tivement important et dans lesquels on était obligé de prévoir un grand nombre n de chicanes, ce qui se traduit à perte de charge égale, par une diminution de la vitesse de passage c'est-à-dire par une baisse du coefficient d'échange. L'invention a pour objet un échangeur de chaleur du type décrit, mais dans lequel le coefficient d'échange est main tenu à une valeur élevée, alors -e la réalisation est moins comateuse. b A cet effet, un échangeur à chicanes selon l'inven- tion est caractérisé par la combinaison des particularités suivantes - Les tubes ne sont disposés que dans les zones l'écoulement est strictement perpendiculaire aux tubes, c'est-à-dire que tous les tubes peuvent traverser toutes les chicanes, et non pas une chicane sur deux comme dans les réalisations antérieures. - les chicanes sont soudées à la virole externe pour éviter les fuites susceptibles d'engendrer une réduction du coefficient d'échange total. - Le pas des tubes est rendu aussi faible que pos sible, de façon que pour une section de passage donnée, la distance entre chicanes soit la plus grande possible, des fausses chicanes intermédiaires, parallèles aux chicanes, étant prévues dans le cas où la portée entre deux chicanes successives devient supérieure à la portée maximale admissible. Ainsi, dans l'échangeur selon l'invention, la portée des tubes n'est pas liée au nombre de chicanes, alors que le nombre de chicanes est minimum, ce qui permet d'augmenter la vitesse de circulation tout en n'augmentant pas la perte de charge. La possibilité de soudage des chicanes à la virole suppose que cette dernière a un diamètre d'au moins 60 cm, correspondant à de gros débits, ce qui est précisément le cas où l'invention offre le plus d'intérêt. De préférence, les fausses chicanes, qui peuvent être équidistantes entre elles, tout en étant parallèles aux chicanes, sont disposées de façon à favoriser la distribution du fluide dans le faisceau tubulaire, compte tenu du fait que les chicanes sont très éloignées les unes des autres. Pour bien maintenir les tubes du faisceau, il est préférable d'assurer une liaison mécanique aussi bonne que possible entre les chicanes intermédiaires ou fausses chicanes et les tubes en soudant à cet effet ces fausses chicanes à la virole. Dans le cas où les dilatations entre les tubes de la virole sont importantes, on peut équiper la virole de l'appareil d'un soufflet, la dilatation différentielle entre les tubes et la virole se traduisant par un glissement des tubes dans les chicanes. D'une manière générale, l'appareil selon l'invention est d'une réalisation telle.qu'il garantit une tenue mécanique excellente des tubes, quelles que soient les sections de passage à obtenir. En augmentant la distance entre les chicanes, on diminue le nombre de passes. Par conséquent, pour une perte de charge donnée, on peut faire circuler le fluide à réchauffer à la vitesse maximale dans chaque passe. le coefficient sera donc plus élevé que dans une solution classique comptant plus de chicanes proprement dites. On remarque en outre que l'écoulement est parfaitement défini puisqu'il est, dans tous lestas, strictement perpendiculaire aux tubes. Enfin, du fait que les chicanes sont soudées, il n'y a pas lieu de tenir compte d'un abaissement du coefficient d'échange dû à des fuites. En définitive, l'appareil présente essentiellement l'avantage d'avoir une excellente tenue mécanique des tubes quelles que soient les sections de passage à ménager et d'assurer un coeffi cient d'échange élevé pour une perte de charge donnée. le complément de description qui va suivre, avec le dessin annexé, donné surtout à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur le dessin - La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un échangeur à chicanes selon l'invention - La figure 2 est une coupe transversale d'un échangeur selon la figure 1 - La figure 3 montre la disposition des tubes dans le faisceau - les figures 4a à 4d sont quatre sections au niveau d'une chicane et de deux fausses chicanes successives et enfin de la chicane suivante dans un appareil selon la figure 1; - La figure 5 montre un second mode de réalisation possible d'un échangeur à chicanes selon l'invention, et - La figure 6 est une section transversale d'un tel échangeur. L'échangeur de chaleur selon l'invention, dont un premier mode de réalisation est représenté sur la figure 1, et un second mode de réalisation est représenté sur la figure 5, comporte un faisceau de tubes parallèles désigné d'une manière générale par 1 et destinés à être parcourus intérieurement par un fluide primaire. les extrémités de ce faisceau de tubes sont engagees dans une plaque tubulaire 2 et 3 respectivement. Une virole cylindrique 4 entoure le faisceau de tubes 1. En traversant la plaque tubulaire 2, les tubes communiquent avec une tête 5 munie d'une admission 6, tandis qu'à l'autre extrémité, ces tubes communiquent à travers la plaque 3 avec une tête 7 munie d'une évacuation 8. Ainsi, le fluide primaire admis en 6 traverse successivement la tête 5 pour pénétrer dans le faisceau de tubes 1 puis sort en 8 après avoir traversé la tête 7. Pour le fluide secondaire destiné à circuler autour des tubes du faisceau 1, une admission 9 est prévue, de préférence au voisinage de l'extrémité comportant l'évacuation 8 du fluide primaire, tandis qu'une évacuation de ce fluide secondaire est prévue au voisinage de l'extrémité correspondant à l'admissiòn du fluide primaire de façon à réaliser un échange à contre-courant. Cette évacuation est indiquée en 10. Si l'on considère le premier mode de réalisation de la figure 1, on voit que pour un échangeur selon l'invention, le faisceau tubulaire 1 peut être concentré au voisinage du plan axial de l'échangeur [voir aussi la figure 2] en traversant toutes les chicanes telles que 11a, 11b, 11c etc. disposées successivement de façon alternée en étant soudées à la virole 4. Comme expliqué précédemment, la distance entre les chicanes est augmentée au maximum compte tenu de la diminution maximale possible du pas p des tubes du faisceau [Figure 31. Du fait que la distance E c entre deux chicanes successives peut devenir supérieure à la portée maximale des tubes, on dispose entre les chicanes des fausses chicanes telles que 12a, 12b, etc.dont la fonction est essentiellement d'assurer le support des tubes.De préférence, la coupe de ces fausses chicanes est étudiée de façon à favoriser la distribution du fluide secondaire entre les tubes du faisceau 1 parcourus par le fluide primaire. Une telle coupe est représentée sur la figure 1, tandis que les figures 4e à 4d montrent les passages laissés libres au fluide secondaire au niveau des chicanes et des fausses chicanes. De préférence également les fausses chicanes sont aussi soudées à la virole 4 pour assurer une lais on mécanique excellente entre les supports et les tubes. le mode de réalisation représenté sur la figure 5 et sur la coupe de la figure 6 montre un cas où il nty a pas de tubes ni au centre, ni à la périphérie de l'échangeur. les tubes du faisceau 1 sont disposés annulairement en traversant toutes les chicanes successives 11'a, 11'b, 11'c etc. Comme précédemment, des fausses chicanes 12'a, 12tub etc. sont disposées entre les chicanes, parallèlement à celles-ci, avec une coupe convenable pour favoriser la distribution du fluide secondaire autour du faisceau de tubes mnu- laire. Dans le cas où les dilatations entre les tubes 1 et la virole 4 sont importantes, la virole peut être équipée d'un soufflet de dilatation de façon que la dilatation différentielle entre les tubes et la virole se traduise par un glissement des tubes dans les chicanes REVENDICATIONS 1. Echangeur de chal@ur comportant un fais@eau de tubes longitudi- naux parallèles d@nt les extrémités sont engagée@ dans des pla ques tubulaires, les tubes de ce faisceau étant parcourus inté rieurement nar un fluide primaire qui est admis chaud à l'une des extré@ités du faisceau et QÂi est évacué refroidi à l'autre extrémité tandis qu'une virole cylindrique entoure le faisceau tubulaire avec une admission du fluide secondaire froid et une évacuation du fluide secondaire réchauffé et des chicanes situées à l'intérieur du faisceau de la virole dans des plans perpendiculaires au faisceau, caractérisé en ce que les tubes ne sont disposés que dans les zones où l'écoulement du fluide secondaire est perpendiculaire aux tubes parcourus in+érieure- ment par le fluide primaire, en ce que les chicanes sont sou dées à la virole externe et en ce que le as des tubes est rendu aussi faible que possible de faSon que, pour une section de passage donnée, la distance entre chicanes soit la plus grande possible, des fausses cnicanes intermédiaires, parallèles aux chicanes, étant prévues dans le cas où la portée entre deux chicanes successives devient supérieure à la portée maximale admissible pour les tubes. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes parcourus par le fluide primaire sont concentrés en un faisceau disposé au voisinage de l'axe de l'appareil et tra versant toutes les chicanes successives. 3. Echangeur selon la revend cation 1, caractérisé an ce que les tubes parcourus par le fluide primaire sont disposes suivant un faisceau annulaire traversant toutes les chicanes successives. 4. changeur selon l'une des revendicatIons 1 à , caractérisé en ce que les fausses chicanes sont égaleraient soudées à la virole externe. 5. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les fausses chicanas ont une coupe conçue de façon à favoriser la distri@ution du fluide dans le faisceau tubulaire. 6. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la virole de l'appareil est équipée d'un soufflet de dilatation pour que la dilatation différentielle entre les tubes et la vi virole se traduise par un glissement des tubes dans les chicanes.