Brevet FR2158130A1 — publié le 19730615

L'invention est relative aux échangeurs thermiques à faisceau tubulaire, comportant une pluralité de tubes (généralement parallèles entre eux) mettant en communication une enceinte d'entrée et une enceinte de sortie. Ces tubes sont parcourus par l'un des deux fluides entre lesquels l'échange thermique doit s'opérer, alors que l'autre fluide circule autour des susdits tubes Dans ce genre d'échangeur thermique, le problème réside dans la liaison entre les deux extrémités de chaque tube et les parois, dites "plaques tubulaires", des enceintes d'entrée et de sortie. En effet, cette liaison doit être étanche, elle doit pouvoir permettre l'utilisation de matériaux différents pour la constitution des tubes et des plaques tubulaires, et elle doit pouvoir tolérer des dilatations différentielles. De plus, cette liaison doit pouvoir convenir pour des tubes présentant des tolérances larges sur leur diamètre extérieur. L'invention a précisément pour but un échangeur thermique dans lequel la liaison entre les tubes et les plaques tubulaires répond aux impératifs dont question ci-dessus. Selon une première disposition de l'invention, l'échangeur thermique comporte une pluralité de tubes mettant en communication une enceinte d'entrée et une enceinte de sortie, ces tubes aboutissant par leurs deux extrémités aux deux plaques tubulaires appartenant respectivement aux susdites enceintes d'entrée et de sortie, et il est caractérisé par le fait que chaque plaque tubulaire est constituée par une plaque intérieure située du côté des tubes et présentant autant d'orifices que l'échangeur comporte de tubes, et une plaque extérieure située du côté de l'enceinte d'entrée ou de sortie correspondante et présentant autant d'orifices que l'échangeur comporte de tubes, des moyens de fixation étant prévus pour solidariser la plaque intérieure et la plaque extérieure de façon que leurs orifices soient concentriques, le diamètre des orifices de la plaque intérieure étant supérieur au diamètre des orifices de la plaque extérieure, de sorte que l'extrémité de chaque tube soit entourée par l'orifice de la plaque intérieure et soit en appui, avec interposition d'un joint d'étanchéité, contre la zone annulaire entourant l'orifice de la plaque extérieure, des moyens de serrage étant prévus pour solliciter l'une vers l'autre les deux plaques tubu laires ainsi constituées. On conçoit alors que, grâce à une telle disposition, la liaison entre les deux extrémités de chaque tube et les plaques tubulaires des enceintes d'entrée et de sortie peut être rendue parfaitement étanche en prévoyant un joint d'étanchéité résistant à la température de fonctionnement de l'échangeur. De plus, il est possible d'utiliser des matériaux différents pour la constitution des tubes et des plaques tubulaires, et en particulier on peut réaliser des tubes en fonte, alors que les plaques tubulaires sont réalisées en acier. Enfin, grâce aux moyens de serrage qui sollicitent l'une vers l'autre les deux plaques tubulaires, les dilatations différentielles peuvent se produire sans nuire à la qualité de la liaison entre les tubes et les plaques tubulaires. Selon une deuxième disposition de l'invention, l'échangeur thermique comporte une pluralité de tubes mettant en communication une enceinte d'entrée et une enceinte de sortie, et il est caractérisé par le fait que ces tubes traversent vers leurs deux extrémités les deux plaques tubulaires munies d'orifices correspondant au diamètre extérieur des tubes, ces deux plaques tubulaires appartenant respectivement aux susdites enceintes d'entrée et de sortie dans lesquelles chaque tube se prolonge légèrement, l'étanchéité au niveau de chaque tube étant assurée par un joint torique entourant le tube considéré et interposé entre une bague d'appui.et la plaque tubulaire, des moyens de serrage étant prévus pour solliciter ladite bague d'appui vers ladite plaque tubulaire. On conçoit alors que, grâce à une telle disposition, la liaison entre les tubes et les plaques tubulaires des enceintes d'entrée et de sortie présente une étanchéité suffisante même pour des tubes dont les diamètres extérieurs varient dans une gamme de tolérances étendue ( ce qui est notamment le cas des tubes de fonte fabriqués en grande série). De plus, les tubes ne sont pas maintenus axialement et peuvent se déplacer librement, ce qui élimine tout risque de contrainte thermique. Enfin, la longueur des tubes n'a pas besoin d'être fixée avec précision. L'invention consiste, mis à part les dispositions dont il vient d'être question, 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 à l'aide du complément de description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à des modes de réalisation préférés de l'invention et ne comportent bien entendu aucun caractère limitatif. La fig. 1, de ces dessins, est une vue en coupe d'un échangeur thermique conforme à une première disposition de l'invention. La fig. 2 est une coupe à plus grande échelle montrant un détail de l'échangeur de la fig. 1. La fig. 3 est une coupe partielle d'un échangeur thermique conforme à une deuxième disposition de l'invention. Comme montré sur la fig. 1, l'échangeur thermique comporte une pluralité de tubes 1 parallèles entre eux et mettant en communication une enceinte d'entrée 2 et une enceinte de sortie 3. Ces tubes 1 sont parcourus par l'un des deux fluides entre lesquels l'échange thermique doit s'opérer, alors que l'autre fluide circule autour des susdits tubes. A titre d'application de l'invention plus particulièrement envisagée, on peut indiquer qu'un tel échangeur thermique peut être incorporé dans un générateur d'air chaud comprenant un brûleur à fuel et un ventilateur pour l'air à réchauffer et à pulser. Dans ces conditions, les tubes sont parcourus par les gaz de combustion provenant de la combustion du fuel, et l'air circule autour des tubes. De toute façon, les tubes 1 de l'échangeur aboutissent par leurs deux extrémités aux plaques tubulaires 4 appartenant aux enceintes d'entrée 2 et de sortie 3. Comme montré clairement sur la fig. 2, chaque plaque tubulaire 4 est constituée par une plaque intérieure 4a située du côté des tubes 1 et présentant autant d'orifices 5a que ltéchan- geur comporte de tubes, et une plaque extérieure 4b située du côté de l'enceinte d'entrée ou de sortie 2 ou 3 correspondante et présentant autant d'orifices 5b que I'échangeur comporte de tubes 1. Des moyens de fixation 6 sont prévus pour solidariser la plaque intérieure 4a et la plaque extérieure 4b de façon que leurs orifices 5a et 5b soient concentriques. Le diamètre des orifices 5a de la plaque intérieure 4a est supérieur au diamètre des orifices 5b de la plaque extérieure 4b, de sorte que l'extrémité de chaque tube 1 soit entourée par l'orifice 5a de la plaque intérieure 4a et soit en appui, avec interposition d'un joint d'étanchéité 7, contre la zone annulaire 8 entourant l'orifice 5b de la plaque extérieure 4b. Des moyens de serrage 9 sont alors prévus pour solliciter l'une vers l'autre les deux plaques tubulaires 4 ainsi constituées. En ce qui concerne les moyens de fixation 6 destinés à solidariser la plaque intérieure 4a et la plaque extérieure 4b, ils peuvent avantageusement être constitués par une pluralité de rivets 10 régulièrement répartis sur la surface de la plaque tubulaire 4. Avantageusement, le diamètre des orifices 5a de la plaque intérieure 4a est égal, aux tolérances de montage près, au diamètre extérieur des tubes 1; dans ces conditions, le diamètre des orifices 5b de la plaque extérieure 4b est égal au diamètre intérieur des tubes 1. En ce qui concerne les moyens de serrage 9, ils peuvent avantageusement être constitués par des tirants Il fixés sur les deux plaques tubulaires 4 par des dispositifs élastiques 12 et des écrous 13. Chaque dispositif élastique 12 peut être constitué par un empilement de rondelles coniques élastiques, dites "rondelles Belleville". Comme montré sur la fig. 3, l'échangeur thermique comporte une pluralité de tubes 21 parallèles entre eux et mettant en communication une enceinte d'entrée et uné enceinte de sortie, seule l'enceinte d'entrée 22 étant visible sur la fig. 3. Comme indiqué à propos de la première disposition de l'invention, ces tubes 21 peuvent être parcourus par les gaz de combustion d'un générateur d'air chaud, l'air circulant alors autour desdits tubes. Ces tubes 21 traversent vers leurs deux extrémités les deux plaques tubulaires 24 munies d'orifices 25 correspondant au diamètre extérieur des tubes 21, chaque tube 21 se prolongeant légèrement dans l'enceinte d'entrée ou de sortie considé rée. L'étanchéité au niveau de chaque tube 21 est assurée par un joint torique 27 entourant le tube considéré et interposé entre une bague d'appui 28 et la plaque tubulaire 24. Des moyens de serrage 29 sont prévus pour solliciter la bague d'appui 28 vers la plaque tubulaire 24. De préférence, le joint torique 27 et la bague d'appui 28 sont disposés, par rapport à la plaque tubulaire 24, du côté où circule le fluide le moins chaud. En ce qui concerne le joint torique 27, il peut avantageusement être constitué par un matériau à base d'amiante. Quant à la bague d'appui 28, elle présente avantageusement une section en L, l'une des branches du L étant perpendiculaire à l'axe du tube considéré et l'autre branche du L étant parallèle à l'axe dudit tube et située sur le plus grand diamètre de la bague d'appui 28 de manière à s'étendre en direction de la plaque tubulaire 24 pour entourer extérieurement le joint torique 27. Les moyens de serrage 29 peuvent avantageusement être constitués par une plaque d'appui 30 présentant autant d'orifices 31 que la plaque tubulaire 24 présente d'orifices 25, cette plaque d'appui 30 venant prendre place sur l'ensemble des bagues d'appui 28 et étant sollicitée vers la plaque tubulaire 24 par l'intermédiaire d'une pluralité de boulons 32. Finalement, on dispose d'un échangeur de chaleur dans lequel il estpossible de monter des tubes de fonte, alors que les plaques tubulaires sont réalisées en acier, cet échangeur de chaleur étant d'une construction et d'un montage simples et d'un prix de revient peu élevé. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties ayant été plus spécialement indiqués; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique à faisceau tubulaire, comportant une pluralité de tubes mettant en communication une enceinte d'entrée et une enceinte de sortie, ces tubes aboutissant par leurs deux extrémités aux deux plaques tubulaires appartenant respectivement aux susdites enceintes d'entrée et de sortie, caractérisé par le fait que chaque plaque tubulaire (4) est constituée par une plaque intérieure (4a) située du côté des tubes (1) et présentant autant d'orifices (5a) que l'échangeur comporte de tubes (1), et une plaque extérieure (4b) située du côté de l'enceinte d'entrée (2) ou de sortie (3) correspondante et présentant autant d'orifices (5b) que l'échangeur comporte de tubes (1), des moyens de fixation (6) étant prévus pour solidariser la plaque intérieure (4a) et la plaque extérieure (4b) de façon que leurs orifices (5a) et (5b) soient concentriques, le diamètre des orifices (5a) de la plaque intérieure (4a) étant supérieur au diamètre des orifices (5b) de la plaque extérieure (4b), de sorte que l'extrémité de chaque tube (1) soit entourée par ltori- fice (5a) de la plaque intérieure (4a) et soit en appui, avec interposition d'un joint d'étanchéité (7), contre la zone annulaire (8) entourant l'orifice (5b) de la plaque extérieure (4b), des moyens de serrage (9) étant prévus pour solliciter l'une vers l'autre les deux plaques tubulaires (4) ainsi constituées. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de fixation (6) sont constitués par une pluralité de rivets (10) régulièrement répartis sur la surface de la plaque tubulaire (4) considérée. 3. Echangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le diamètre des orifices (5a) de la plaque intérieure (4a) est égal, aux tolérances de montage près, au diamètre extérieur des tubes (1). 4. Echangeur selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le diamètre des orifices (5b) de la plaque extérieure (4b) est égal au diamètre intérieur des tubes (1). 5. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les moyens de serrage (9) sont constitués par des tirants (11) fixés sur les deux plaques tubulaires (4) par des dispositifs élastiques (12) et des écrous (13). 6. Echangeur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que chaque dispositif élastique (12) est constitué par un empilement de rondelles coniques élastiques. 7. Echangeur thermique à faisceau tubulaire, comportant une pluralité de tubes mettant en communication une enceinte d'entrée et une enceinte de sortie, caractérisé par le fait que ces tubes (21) traversent vers leurs deux extrémités les deux plaques tubulaires (24) munies d'orifices (25) correspondant au diamètre extérieur des tubes (21), ces deux plaques tubulaires (24) appartenant respectivement aux susdites enceintes d'entrée et de sortie dans lesquelles chaque tube (21) se prolonge légèrement, l'étanchéité au niveau de chaque tube (21) étant assurée par un joint torique (27) entourant le tube considéré et interposé entre une bague d'appui (28) et la plaque tubulaire (24), des moyens de serrage (29) étant prévus pour solliciter la bague d'appui (28) vers la plaque tubulaire (24). 8. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le joint torique (27) et la bague d'appui (28) sont disposés, par rapport à la plaque tubulaire (24), du côté où circule le fluide le moins chaud. 9. Echangeur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé par le fait que la bague d'appui (28) présente une section en L, l'une des branches du L étant perpendiculaire à l'axe du tube considéré et l'autre branche du L étant parallèle à l'axe dudit tube et située sur le plus grand diamètre de la bague d'appui (28), de manière à s'étendre en direction de la plaque tubulaire (24) pour entourer extérieurement le joint torique (27). 10. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait que les moyens de serrage (29) sont constitués par une plaque d'appui (30) présentant autant d'orifices (31) que la plaque tubulaire (24) présente d'orifices (25), cette plaque d'appui (30) venant prendre place sur l'ensemble des bagues d'appui (28) et étant sollicitée vers la plaque tubulaire (24) par l'intermédiaire d'une pluralité de boulons (32).