Brevet FR2231931A1 — publié le 19741227

La présente invention a pour objet un perfectionnement à la construction des échangeurs de chaleur du type comportant un faisceau de tubes parallèles parcourus intérieurement par un premier fluide, et une enveloppe de révolution entourant ledit faisceau de tubes et définissant avec lui une enceinte parcourue par un second fluide, les parois des tubes du faisceau formant une surface d'échange thermique entre les deux fluides introduits dans l'échangeur à des températures différentes. De tels échangeurs de chaleur peuvent comporter une botte d'entrée et/ou une botte de sortie. Ces bottes, lorsqu'elles existent, sont situées à l'une ou aux deux extrémités de l'enveloppe. Elles sont, le plus souvent, réalisées sous la forme de parties élargies de l'enveloppe de l'échangeur ; elles comportent chacune une tubulure latérale permettant de la raccorder à une canalisation extérieure et elles sont utilisées respectivement pour distribuer le second fluide autour du faisceau de tubes lors de son admission dans l'enveloppe et pour le collecter en vue de sa reprise hors de celle-ci. Des cloisonnements en chicane disposés à l'intérieur de l'échangeur concourent à assurer une distribution aussi uniforme que possible des filets du second fluide à l'intérieur du faisceau de tubes. Dans un premier type de réalisation connu, la botte d'entrée et/ou de sortie se compose d'une virole cylindrique d'un diamètre supérieur à celui de l'enveloppe de l'échangeur, et de deux portions tronconiques de raccordement entre ladite virole et ladite enveloppe. Ce mode de construction présente un certain nombre d'inconvénients, d'autant plus sensibles que l'échangeur est de plus grande capacité : multiplicité des pièces constitutives et, par conséquent, des soudures d'assemblage ; difficultés matérielles de réalisation des raccords tronconiques ; nécessité de renforcer l'épaisseur de paroi des raccords tronconiques aussi bien que de la virole pour que la botte présente une résistance à la pression du fluide identique ou comparable à celle de l'enveloppe ; espace mort d'extrémité relativement important qui crée une zone morte nuisible au rendement thermique, etc... La figure 1 des dessins annexés illustre schématiquement un échangeur de chaleur de ce premier type qui comprend, à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique 1, un faisceau de tubes parallèles 2 traversant à leurs extrémités deux plaques de fermeture 3 et 3' qui les maintiennent convenablement écartés les uns des autres. Ces tubes débouchent ainsi, à l'extrémité gauche de l'échangeur sur une chambre d'admission 4, et à l'extrémité droite de ce même échangeur sur une chambre de reprise 4' pour un premier fluide mis en circulation selon le sens des flèches à l'intérieur des tubes 2. L'enveloppe cylindrique 1 comporte, à proximité de ses extrémités, des parties élargies constituant une botte d'entrée E et une botte de'sortie S pour un second fluide admis à circuler suivant le sens des fléchés indiquées sur la figure 1 dans l'espace compris entre l'enveloppe 1 et les tubes 2 du faisceau.Les bottes d'entrée et de sortie s'ouvrent à cet effet par une tubulure latérale 5 ou 5' permettant leur raccordement à des canalisations extérieures non représentées. Ainsi qu'il est bien connu, les botes a'entrée et de sortie ont pour rôle respectivement de distribuer le second fluide autour du faisceau de tubes 2 dès son admission dans l'enveloppe 1 afin de faciliter et d'uniformiser sa pénétration entre les tubes du faisceau, et de collecter les filets de fluide parvenus en fin de parcours en vue de les conduire vers la tubulure de sortie.Des déflecteurs cylindriques 6 et 6' peuvent être avantageusement prévus à l'intérieur des bottes d'entrée et de sortie E et S, ainsi qu'une succession de cloisonnements 7 en chicane échelonnés le long du faisceau de tubes 2 et destinés à allonger et à uniformiser le parcours des filets du second fluide entre les tubes 2, ceci en vue d'améliorer le rendement général de l'échangeur. La figure 2 des dessins représente en coupe et à échelle agrandie la bote de sortie de l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 1. On voit sur cette figure que la boite se compose essentiellement d'une virole cylindrique 8 et de deux portions de raccordement tronconiques 9 et 10 soudées d'une part aux extrémités de la virole 8, et d'autre part, aux extrémités des éléments adjacents de l'enveloppe 1. La virole 8, dont le diamètre est évidemment supérieur à celui de l'enveloppe, est percée fltune ouverture latérale 11 dans laquelle s'engage l'ex- trémité de la tubulure 5 de raccordement aux circuits extérieurs. Afin d'éviter la création d'un point faible en cet endroit, une plaque annulaire de renfort 12 est placée autour de la tubulure 5 et est soudée sur tout son pourtour, aussi Dlen à la tubulure qu'à la virole cylindrique 8. Pour présenter une résistance clffisante à la pression du fluide contenu dans l'échangeur, les raccords tronconiques 9 et 10 doivent avoir une épaisseur de paroi de l'ordre de 1,25 à 1,5 fois celle du corps de l'enveloppe 1 ils doivent, de plus, se terminer par des bords droits de raccordement façonnés avec interposition d'un rayon de courbure suffisamment important pour éviter tout coude brusque et toute contrainte anormale dans le métal.De son côté, la virole cylindrique 8, dont l'épaisseur de paroi est souvent augmentée localement autour de l'ouverturè latérale 11, doit présenterune longueur axiale suffisante pour ne pas se trouver affaiblie par la présence de cette ouverture. De ces impératifs résulte un suremploi de matières, ainsi qu'un allongement inopportun de la botte dans le sens axial, et la création d'un espace mort de longueur d souvent indésirable entre le rayon de raccordement de la portion tronconique 9 et la plaque de fermeture voisine 3. Il convient encore de remarquer que les portions tronconiques 9 et 10 de la botte constituent des pièces d'une exécution relativement complexe et coûteuse, pouvant nécessiter un façonnage à chaud et un traitement thermique notamment dans le cas d'emploi d'aciers inoxydables. Dans un second type connu de réalisation, comme représenté sur la figure 3, la botte, par exemple la botte d'entrée de l'échangeur, se compose d'une pièces de raccordement 20, d'un diffuseur sphérique 21 et d'un adaptateur d'entrée ou de sortie 22. Ce type de réalisation impose certaines limitations : dans une botte sphérique, la longueur occupée par la boite sur l'enveloppe cylindrique, la forme et la section de distribution des fluides autour de la tubulure d'entrée sont liées au diamètre de la sphère ; pour avoir une section de distribution suffisante, il feut augmenter la longueur occupée, ce qui n'est obtenu qu'en augmentant le diamètre de la sphère, et, par conséquent, l'encom- brement de la boîte. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients et limitations signalés ci-dessus. On y parvient, selon l'invention, par le fait que la botte est réalisée sous la forme d'une portion de tore se raccordant directement aux éléments adjacents de l'enveloppe de l'échangeur. le raccordement peut se faire le long de deux cercles égaux et parallèles, dans le cas le plus simple où l'axe de la portion de tore coincide avec celui de l'échangeur ; dans le cas contraire, le raccordement s'effectue le long de deux courbes fermées. L'invention, qui s'applique à la botte d'entrée et/ou à la botte de sortie, permet non seulement une réduction appréciable du nombre de pièces constitutives de la botte, mais encore une réduction sensible de l'épaisseur de paroi nécessaire, celle-ci pouvant être du même ordre ou méme d'une valeur inférieure à celle de l'enveloppe de l'échangeur tout en offrant une résistance à la pression comparable. L'invention fournit également le moyen de réduire sensiblement la longueur des espaces morts d'extrémité et, par conséquent, d'améliorer le rendement thermique de l'échangeur. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparattront clairement à la lecture de la description suivante d'un mode préférentiel de mise en oeuvre, donné à simple titre d'exemple et en se référant aux dessins ci-annexés en lesquels - les figures 4 et 5 montrent deux modes de réalisation selon l'invention d'une botte de sortie d'échangeur conforme à l'invention - les figures 6 et 7 montrent, en élévation latérale, deux variantes d'exécution de la botte de sortie selon l'invention - la figure 8 représente une coupe selon la ligne VI-VI de la figure 6 - la figure 9 représente une coupe selon la ligne VIII VIII de la figure 8 - la figure 10 représente une coupe selon la ligne VII VII de la figure 7 - la figure 11 représente une coupe selon la ligne X-X de la figure 10. Sur les figures 4 à 11, on voit que le corps de la botte est réalisé sous la forme d'une portion de tore de révolution 13 d'un diamètre extérieur supérieur à celui de l'enveloppe cylindrique 1 aux éléments de laquelle elle se raccorde directement suivant deux de ses petits cercles 14 et 15 égaux et parallèles, dans le cas le plus simple où l'axe de la portion de la botte 13 coincide avec celui de l'enveloppe cylindrique 1 (figure 6), ou suivant deux courbes fermées 16 et 17 dans le cas où ces axes sont au contraire décalés (figure 7). Le corps de la boîte est encore percé d'une ouverture latérale il dans laquelle débouche la tubulure 5 de raccordement aux circuits extérieurs ; la jonction de la tubulure 5 avec le corps de la botte 13 peut être renforcée par une plaque annulaire 12, ces différentes pièces étant assujetties les unes aux autres par soudure. On comprend immédiatement que, pour des dimensions et un mode de fonctionnement comparables à ceux des exécutions classiques représentées sur les figures 2 et 3, la botte selon l'invention offre déjà l'avantage de permettre une réduction appréciable du nombre de pièces constitutives ainsi que des soudures d'assemblage nécessaires, puisque la portion torique 13 se substitue à l'ensemble de la virole 8 et des raccords tronconiques 9 et 10 (figure 2), ou bien à l'ensemble de la pièce de raccordement 20, du diffuseur sphérique 21 et de l'adaptateur d'entrée 22 (figure 3). Le mode de construction selon l'invention élimine d'autre part la nécessité de prévoir des bords droits de raccordement comme c'est le cas dans le mode d'exécution classique de la figure 2, ce qui permet, toutes choses égales par ailleurs, de rapprocher l'axe de la tubulure 5 de l'extrémité de l'échangeur de chaleur, et aussi de réduire sensiblement la longueur d1 de l'espace mort existant entre la base de la botte et la plaque de fermeture voisine 3 ; du même coup, se trouve réduite la zone correspondant à une mauvaise circulation du fluide, et donc accru le rendement thermique de l'échangeur.Cet espace d' peut, même i-ns un des modes de réalisation prévu par l'invention, être reduit à zéro, permettant ainsi, dans le cas où l'échangeur est disposé verticalement et le second fluide est un liquide se vaporisant ou non, une évacuation totale et permanente de l'air entratné par le liquide ou de la vapeur formée, cette disposition améliorant ainsi de façon importante l'échange thermique contre la plaque tubulaire.On notera encore l'avantage substantiel de la réduction d'épaisseur de paroi permise par l'adoption d'une conformation torique pour le corps de la botte : alors qu'il était nécessaire, dans la technique antérieure, de prévoir un renforcement d'épaisseur pour l'exécution des raccords tronconiques 9 et 10, l'épaisseur de paroi du corps torique 13 peut être du même ordre que celle de l'enveloppe cylindrique 1 de l'échangeur; et la Demanderesse a même constaté qu'il était possible de la réduire sans inconvénient à une fraction comprise entre 5/10 et 8/10 de celle de l'enveloppe 1. Bien entendu, tout ce qui a été décrit précédemment à propos de la boitte de sortie peut s'appliquer aussi bien à la botte d'entrée de l'échangeur. Les figures 8 et 10 représentent les corps de l'une des bottes de distribution. Les figures 8 et 9 illustrent un mode de réalisation lorsque la botte est concentrique à la virole, alors que sur les figures 10 et 11 , ladite botte se trouve excentrée. Si l'on désigne par la la section de l'orifice de distribution 11 de la tubulure 5, S2 la surface de répartition dans la botte : cette surface est définie par le produit du périmètre de l'orifice il par la hauteur de distribution, cette hauteur de distribution étant approximativement la moyenne des valeurs a1 et a2, S3 dans une coupe longitudinale du faisceau, c'est le total des deux surfaces disponibles entre botte 13 et déflecteur 6 lorsqu'il existe. Ces deux surfaces sont représentées sur une coupe transversale par les lignes A A' et B B', S4 est la surface permettant le transfert du fluide de la botte de distribution vers le corps de l'appareil autour des tubes.Cette surface peut être une ouverture continue dans la solution 3 - a, ou l'ensemble des orifices 18 dans la solution 3 b, S5 est la section disponible pour le passage du fluide dans sa circulation longitudinale entre l'intérieur de la virole, l'extérieur des tubes et les chicanes s'il en existe. On sait que le calcul et I'expérience enseignent que ces divers paramètres constructifs doivent satisfaire simultanément aux conditions suivantes -0,4. S5 # S3 # 2. S5 -0,6. s1 * s3 s 3. S2 étant située en variation logique entre S1 et - 54 étant située en variation logique entre S3 et Sg. Toute variante constructive s'inspirant des principes de l'invention et vérifiant des relations d'inégalités ci-dessus peut procurer les memes avantages que ceux inhérents à la forme torique décrite à seul titre d'exemple illustratif des possibilités de mise en oeuvre de l'invention. La botte d'entrée ou de sortie est exécutée dans le cas de matériaux métalliques, à partir d'une tôle d'épaisseur constante, formée et assemblée par soudage à la virole cylindrique. Tout autre matériau (polyester armé par exemple) peut entre utilisé s'il peut être mis en forme et assemblé de façon à donner satisfaction0 R E V E E D I C A T I O N S 1. Echangeur de chaleur du type comportant un faisceau de tubes parallèles parcourus intérieurement par un premier fluide, une enveloppe de révolution entourant ledit faisceau de tubes et définissant avec lui une enceinte parcourue par un second fluide, et au moins une botte raccordée à l'enveloppe et comportant une tubulure latérale permettant son raccordement à une canalisation extérieure, cette botte étant utilisée pour distribuer le second fluide autour du faisceau de tubes lors de son admission dans l'enveloppe ou pour le collecter en vue de sa reprise hors de celle-ci, caractérisé en ce que ladite botte est réalisée sous la forme d'une portion de tore se raccordant directement aux éléments adjacents de l'enveloppe de l'échangeur. 2, Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de paroi de ladite boute et celle de ladite enveloppe sont dans un rapport au plus égal à 1, et de préférence compris entre 5/10 et 8/10. 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par un espace mort réduit entre le cercle de raccordement-de ladite botte à l'élément terminal de ladite enveloppe et une plaque de fermeture disposée à l'extrémité correspondante au faisceau ds tubes. 4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la botte est exécutée à partir d'une tole métallique d'épaisseur constante, formée et assemblée par soudage.