Brevet FR2163431A1 — publié le 19730727

Cette invention est relative à un échangeur de chaleur comportant une enceinte extérieure reliée à un des fluides et des éléments intérieurs dans lesquels circulent le ou les autre olui- des et qui comportent au moins une canalisation de épart et de retour pour autre fluide traversant d'une manière étanche l'en- ceinte extérieure.Les éléments intérieurs de ces échangeurs de chaleur sont, en général, constitués par des faisceaux ou serpentins tubulaires, dont l'élaboration et la liaison aux canalisations de départ et de retour sont fastidieuses et croûteuses. Cette invention a pour but de simplifier les éléments intérieurs de ces échangeurs de chaleur connus, de manière à simplifier leur élaboration, tout en maintenant dans l'ensemble la puissance calorifique et en permettant par ailleurs, un nettoyage simple et contr8- lable des surfaces de transfert de chaleur. Ce but est atteint selon ltinvention du fait que les éléments intérieurs sont également constitués par une ou plusieurs enceintes fermées. Les canalisations de départ et de retour pour le ou les autres fluides venant ou allant aux enceintes intérieures peuvent traverser d'une manière étanche la paroi de enceinte extérieure, mais il est recommandé de disposer à l'intérieur de l'enceinte extérieure les liaisons entre enceintes intérieures dans lesquelles circulent le même fluide, étant donné qu'on fait alors économie de points d'étanchéité dans la paroi de enceinte extérieure et que les canalisations de liaison contribuent également au transfert de chaleur. Un support particulier des enceintes intérieures dans l'en- ceinte extérieure n'est pas nécessaire tant que les dimensions restent relativement faibles; il suffit alors souvent de maintenir les enceintes intérieures dans la bonne position par rapport à 1 enceinte extérieure et l'une par rapport aux autres par les canalisations de départ et de retour qui traversent d'une manière étanche l'enceinte extérieure.Cependant, en présence de dimensions relativement plus grandes, il est recommandé de supporter les enceintes intérieures par rapport à l'enceinte extérieure, de préférence d'une manière élastique afin d'éviter des contraintes d'origine thermique et dsabsorbettes dilatations thermiques d'une manière souple; il est alors possible de réaliser les supports de manière rigide et de les laisser coulisser sur les parois d'appui le necinte e: eure. La forme des enceintes extérieures et intérieures et la disposition des enceintes intérieures dans enceinte extérieure peuvent Aetrc adaptées au circonstanceiet pourtant Aetre variables Ainsi on peut utiliser notamment une enceinte extérieure cylindrique de forme classique, mais on peut aussi choisir d'autres enceintes s'écartant de la forme cylindrique et présentant par exemple une forme prismatique.On peut utiliser des fonds lisses, mais de préférence bombés, et cela aussi bien pour les enceintes extérieures qu'intérieures; il est alors, de nouveau, avantageux de disposer les axes longitudinaux des enceintes intérieures cylindriques ou prismatiques de façon qu'ils coupent, de préférence à 90 , celui de l'enceinte extérieure; il n'est aucunement décisif que les axes se trouvent au meme niveau ou se croisent.On peut aussi-disposer les axes des enceintes intérieures à des niveaux différents, ce qui est particulièrement avantageux lorsque cela est exigé par la disposition de canalisations de liaison entre les enceintes intérieures à l'intérieur de l'enceinte extérieure, afin de réduire le volume du fluide à un minimum; ce fluide s'écoule entre les enceintes intérieures et extérieure , et il peut Aetre souhaitable de limiter son temps de séjour dans ltéchaxgeur. Avec cette disposition à 900 des axes longitudinaux des enceintes intérieures par rapport à enceinte extérieure, il est avantageux de pouvoir munir les enceintes intérieures de fonds bombés dont la forme est adaptée à la paroi voisine de l'enceinte extérieure, indépendamment du fait que cette dernière présente une enveloppe cylindrique ou une enveloppe polygonale régulière. Dans ce dernier cas, 3e galbe des enceinte intérieures peut avoir éventuellement la fordmeUaplflyrida%OU1ide tronquée afin d'utiliser un maximum de volume intérieur. Dans cet esprit, il est aussi possible de déplacer les centres des fonds galbés à grands rayons des enceintes intérieures vers l'axe de l'enceinte extérieure, à condition que cette dernière présente la section cylindrique classique. I1 peut encore être avantageux - de manière connue et habituellement pratiquée - de ne pas faire entrer l'un des fluides directement sur un des fonds de l'enceinte extérieure avec sortie soit sur le meme fond, soit sur le fond diamétralement opposé, mais de prévoir ltentrée d'un des fluides entre deux enceintes intérieures. Cela est surtout vrai avec une disposition horizontale de l'échangeur de chaleur, ce qui offre alors la possibilité de faire entrer et sortir l'un des fluides entre deux enceintes intérieures respectivement en haut ou en bas. Dans ces cas d'entrée ou respectivement de sortie ae l un des fluiaes entre deux enceintes interieures, il est encore recommandé de brancher les enceintes intérieures en série par groupes, si bien que l'enceinte intérieure qui est traversée la dernière est voisine de l'entrée de l'un des fluides dans l'enceinte extérieure. Une variante de l'invention qui est applicable à toutes les formes de réalisation susmentionnées, concerne la forme des enceintes intérieures. Ces dernières peuvent, d'une manière connue en soi, astre constituées simplement par deux fonds reliés directement l'un à l'autre par exemple par soudage, ces fonds pouvant entre lisses c'est-à-dire à faces frontales planes, ou bombées. Dans ce dernier cas, qui est préférable pour des raisons de fabrication ou aussi de résistance à la pression, on obtient des enceintes en forme de lentille, ce qui peut astre particulièrement avantageux au point de vue rendement calorifique de l'échangeur.Dans ce cas, il est alors recommandé de disposer les enceintes intérieures assez plates de grand diamètre d'une manière sensiblement coaxiale par rapport à enceinte extérieure. I1 est alors possible de loger dans une enceinte extérieure un grand nombre d'enceintes intérieu- res. Cela donne alors la possibilité de modifier la forme de la section de l'enceinte extérieure, afin de dégager de l'espace pour le logement des canalisations de liaison entre les enceintes intérieures. Selon une forme de réalisation de l'invention, on met en oeuvre cette possibilité en utilisant des enceintes extérieures à section allongée en liaison avec des enceintes intérieures qui s'en éloignent en formant un espace intermédiaire, par exemple des enceintes circulaires. On peut aussi utiliser des formes de section différentes et correspondantes, par exemple polygonales. Dans ces cas il est possible de disposer dans les espaces intermédiaires entre les deux systèmes d'enceintes les canalisations de liaison pour les enceintes intérieures. Selon l'invention, il est encore possible d'améliorer le transfert de chaleur en augmentant la vitesse d'écoulement, grâee à des corps de remplissage hydrodynamiques entre les enceintes extérieure et intérieures et dans les enceintes intérieures. Ces corps de remplissage peuvent de nouveau être conçus comme enceintes intérieures servant au transfert calorifique du meme fluide, tel qu il se trouve dans les autres enceintes intérieures, ou encore au transfert calorifique d'un autre fluide qui présente par exemple un faible écart de pression par rapport à l'un des fluides. Dans un tel cas, on introduira un fluide secondaire avec une forte différence de pression dans l'enceinte intérieure cylindrique et un fluide tertiaire avec une faible différence de pression dans les corps de remplissage servant d'enceintes intérieures, dont la section occupe par exemple les espaces entre enceintes intérieures cylindriques voisines. De cette manière, on peut enchevêtrer plusieurs systèmes et loger des surfaces d'échange considérables, sans renoncer à l'avantage d'une fabrication simple. On peut même de nouveau disposer dans les enceintes intérieures ellesmAeme des corps de remplissage qui sont remplis soit du fluide primaire, soit d'un autre fluide, par exemple du fluide secondaire ou d'un fluide tertiaire. Le problème du support des différents corps de remplissage et enceintes intérieures les uns par rapport aux autres et par rapport à l'enceinte extérieure peut trouver la même solution que celle qui a été exposée ci-dessus, crest à dire une solution à l'aide de supports souples ou coulissants. La disposition de corps de remplissage à l'intérieur des enceintes intérieures peut être simplifiée sur le plan technique par une fermeture étanche, mais démontable des enceintes, notamment sur leurs fonds.De plus, une telle fermeture démontable offre également des avantages sensibles même sans l'emploi de corps de remplissage dans les enceintes intérieures, en raison du fait que - par exemple en utilisant des enceintes intérieures simples en forme de lentille - l'échangeur de chaleur peut astre démonté, avec ouverture des enceintes intérieures, si bien qu'on peut nettoyer à fond et de la manière mécanique la plus simple aussi bien les surfaces intérieures qu'extérieures, en contrôlant de visu la propreté des parois à tous les endroits. M8me avec la conception la plus simple de lté- changeur selon l'invention, dans laquelle la surface de transfert de chaleur est plus petite qu'avec les éléments intérieurs connus en forme de faisceaux tubulaires, on obtient ainsi, vu sur toute la durée de l'exploitation, une augmentation sensible de la performance thermique. L'invention sera maintenant exposée à l'aide d'un exemple particulièrement simple, en se référant au dessin annexé. Sur ce dessin - La figure 1 est une coupe longitudinale d'un échangeur de chaleur selon l'invention, suivant la ligne I-I de la figure 2 et - La figure 2 est une coupe transversale du meme échangeur de chaleur suivant la ligne II-II de la figure 1. L'enceinte extérieure cylindrique 5 de l'échangeur est munie de fonds bombés 6. Le fond gauche corprend la canalisation d'entrée 7 pour un fluide capteur de chaleur qui constitue, dans l'esprit de la description précédente, "l'autre"fluidde. Cette e chaleur canalisation se raccorde, dans le cas du présent échangeur/ à une canalisation tubulaire 8. Cette dernière mène vers une première enceinte intérieure 9, dans la face inférieure de laquelle elle pénètre parun coude 10. Ce coude 10 est un coude fileté courant ; la liaison par rapport à enceinte intérieure 9 se fait par une tubulure filetée 11 solidaire de enceinte intérieure et par un raccord à écrou 12.Ce mode de liaison démontable est prèvu pour toutes les autres canalisations de liaison existant entre les enceintes intérieures. L'enceinte intérieure 9 et les autres enceintes inté rieures 9, qui sont d'une construction absolument identique, com portent une enveloppe latérale 13 et deux fonds bombés 14. Un des fonds de chaque enceinte est monté d'une manière démontable, non reprdsenté en détail, si bien que l'intérieur de l'enceinte intérieure est accessible, peut être nettoyé et peut recevoir des corps remplissage qui ne sont pas représentés non plus. Les axes 15 (figure 2) des enceintes intérieures vien nent à intersection aux points 17 avec l'axe 16 (figure 1) de enceinte extérieure. La courbure des fonds 14 est adaptée au rayon de l'enveloppe de l'enceinte extérieure 5, de façon que la zone à grand rayon R des fonds ait son centre M au voisinage de l'axe 16 de l'enceinte extérieure. Le diamètre D de l'enceinte intérieure est fixé en fonction du diamètre D de l'enceinte extérieure de façon qu il subsiste assez d'espace pour le logernent des canalisa tions de liaison existant entre les enceintes intérieures. Une autre canalisation de liaison 18 de ce genre com- mence à la tubulure 19, qui est diamétralement opposée à la tubulure 11 de l'enceinte intérieur2/située à droite sur le dessin, et mène le long de la face intérieure supérieure de l'enveloppe latd rale de l'enceinte extérieure 5, vers l'enceinte intérieure centrale 9. Une troisième canalisation de liaison prend naissance à la face inférieure de cette enceinte centrale 9 et passe d'une tubulure 20 prévue sur cette dernière à l'enceinte intérieure 9 située à gauche sur le dessin, la canalisation de retour 21 venant de cette dernière passant par le fond gauche 6 deg'enceinte extérieure. L'un des fluides - celui qui fournit la chaleur - entre par une tubulure 22 dans l'enceinte extérieure 5 et monte dans cette enceinte au moment de la mise en marche.I1 sort par une canalisation de retour 23 (figure 1) traversant l'enceinte exté:- rieure en 24. L'échangeur de chaleur représenté ne présente que des cotes faibles, inférieures à un mètre pour la longueur de l'échangeur, si bien qu'il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens particuliers pour supporter les enceintes intérieures. L'invention peut être réalisée selon de nombreuses variantes aussi bien à partir de cet exemple, qu'à partir des formes de réalisation exposées plus haut. Ainsi, il est possible de munir les enceintes intérieures d'ailettes ou de moulures pouvant servir à augmenter aussi bien la résistance mécanique à la pression que le transfert de la chaleur. Ces ailettes peuvent être prévues aussi bien sur les faces extérieures que sur les faces intérieures des enceintes intérieures. On peut monter des dispositifs tourbillonnaires, des ailes directrices etc... et il est bien clair qu'un calorifugeage extérieur de l'échangeur, disposé de la manière habituelle, est recommandé. REVENDICATIONS 1 - Echangeur de chaleur comportant une enceinte exté isre raccordée à un des fluides et un ou plusieurs éléments intérieurs destinés à la circulation de l'autre fluide, ces éléments étant reliés à l'autre ou aux autres fluides par au moins une cana lisation d'arrivée et une canalisation de retour traversant l'en- ceinte extérieure d'une manière étanche, c a r a c t é r i s é par le fait que les éléments intérieurs sont constitués par une ou plusieurs enceintes fermées qui sont reliées éventuellement par des canalisations tubulaires placées, de préférence, à l'intérieur de l'enceinte extérieure et/ou qui sont supportées d'une manière souple par rapport à l'enceinte extérieure. 2 - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, com- portant une enceinte extérieure cylindrique ou prismatique avec des fonds de préférence bombés, c a r a c t é r i s é par le fait qu'il contient plusieurs enceintes intérieures cylindriques ou prismatiques, dont les axes longitudinaux viennent à intersection, de préférence, en formant un angle de 900 avec l'axe de l'enceinte extérieure. 3 - Echangeur de chaleur selon la revendication 2, c a r a c t é r i s é par le fait que les fonds des enceintes intérieures sont adaptés à la forme de la paroi voisine de l'enceinte extérieure. 4 - Echangeur de chaleur selon la revendication 3, c a r a c t é r i s é par le fait que les centres des zones à grand rayon des fonds bombés des enceintes intérieures se trouvent au voisinage de l'axe de 1 enceinte extérieure. 5 - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, c a r a c t é r i s é par le fait que l'un des fluides entre et sort dans l'enceinte extérieure entre deux enceintes intérieures. 6 - Echangeur de chaleur selon la revendication 5, c ar a c t é ri s é par le fait que l'entrée et la sortie de l'un des fluides sont disposées en bas ou en haut entre des enceintes intérieures voisines. 7 - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 5 ou 6, c a r a c t é r i s é par le faidque les enceintes intérieures sont branchées par groupes en série, de façon que l'enceinte intérieure, qui est traversée la dernière, soit voisine de l'entrée de l'un des fluides dans l'enceinte extérieure. 8 - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, c a r a c t é r i s é par le fait que les enceintes intérieures sont constituées de manière connue en soi, uniquement par deux fonds, de préférence bombés, assemblés directement, par exemple par soudage. 9 - Echangeur de chaleur selon la revendication 8, c a r a c t é r i s é par le fait que les enceintes intérieures sont disposées de façon sensiblement coaxiale par rapport à l'enceinte extérieure. 10 - Echangeur de chaleur selon la revendication 9, c a r a c t é r i s é par le fait que l'enceinte extérieure a une section allongée, par exemple ovale, et que 11 enceinte intérieure s'en éloigne en formant un espace intermédiaire, par exemple une enceinte circulaire, espace intermédiaire entre ces deux enceintes renfermant les canalisations de liaison pour les enceintes intérieures. 11 - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 10, c a r a c t é r i s é par le fait que des corps de remplissage hydrodynamiques sont disposés entre les enceintes extérieure et intérieures ou dans les enceintes intérieures. 12 - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 11, c a r a c t é r i s é par le fait que les enceintes intérieures sont obturées d'une manière étanche et démontable notamment sur leurs fonds. 13 - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 12, c a r a c t é r i s é par le fait que les surfaces extérieure ou intérieure des enceintes intérieures comportent des ailettes, moulures ou analogues.