Brevet FR2245924A1 — publié le 19750425

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur à enveloppes. Ainsi qutil est oonnu, dans un échangeur de chaleur, l'échange de chaleur le plus important est obtenu en utilisant le maximum de superficie possible de matière à travers laquelle l'échange de chaleur a lieu. Différents dispositifs ont été utilisés pour augmenter la superficie de cette matière, par exemple des ailettes ou des ondulations le long desquelles passent les milieux entre lesquels a lieu échange de chaleur. Cependant, il a été constaté qu'un transfert de chaleur considérablement supérieur est obtenu en utilisant un corps en matière perméable ayant des pores interconnectés, par exemple de la fanon décrite dans le brevet des Stats-Unis dlAmerique nO 3 306 353. Ce corps en matière perméable présente un grand nombre de faces et, par suite, une superficie importante pour l'échange de chaleur. Cependant, ainsi qu'il est connu, des niveaux élevés de contraintes peuvent apparaître parce que le milieu d'échange de chaleur s'éooulant à l1extérieur du tube pendant le fonctionnement est à une température différente de celle du milieu d' échange de chaleur stecou- lant à l'intérieur des tubes. Des conditions sévères de ce type peuvent se traduire, et se traduisent souvent, par-des contraintes thermiques dans les tubes quand l'échange de chaleur est du type cyclique. Cela a lieu quand l'un ou les deux milieux d'éohange de chaleur estou sOntEOUgS à un écoulement périodique ou quand il y a un arrêt complet de l'écoule- ment de l'un ou des deux milieu.Des contraintes sont alors provoquées par les différences de dilation thermique entre l'enveloppe et les parties interieuress et peuvent provoquer des fissures par fatigue dans la paroi des tubes à côté de la surface du collecteur ou du distributeur qui est en contact avec le milieu d'échange de chaleur circulant autour des tubes. Des fissures peuvent aussi permettre le mélange d'un des milieux d'échange de chaleur I l'un avec L'autre, ce qui, bien entendu, est une situation inadmissible. Dans des échangeurs de chaleur classiques ne comportant pas de corps en matière permeable, des collecteurs ou des distributeurs flottants ont été fréquemment utilise dans le cas de conditions sevères, la partie centrale de l'eohangeur de chaleur pouvant ainsi avoir des dilations et des contractions libres dans la direction axiale pour réduire les contraintes et la fissuxation par fatigue. I1 est connu aussi pour les échangeurs de chaleur comportant un corps en matière perméable utilisé dans une unité à une seule passe, de permettre la dilation et la contraction des tubes de l'échangeur de ohaleur, tout en maintenant dans une position fixe- la plaque d'extrémité à l'extrémité de sortie des tubes, la plaque étant fixée par exemple par des boulons. Dans cet appareil, le faisceau de tubes " flotte" à une extrémité de l'enveloppe, et l'appareil étant à une seule passe ne comporte pas de botte de retour d'eau. Les caractéristiques de la présente invention peuvent être utilisées pour des échangeurs de chaleur de n'importe quelle forme, mais elles sont particulièrement adaptées aux échangeurs de chaleur tubulaires. Ainsi qutil est connu, I'utilisation d'échangeurs de chaleur du type tubulaire est hautement avantageuse dans certains cas quand il est désiré que l'échange de.chaleur ait lieu entièrement à l'intérieur de l'échangeur.Les échangeurs de chaleur tubulaires couramment en service dans ces conditions sont du type appelé "à enveloppe et tubes", dans lesquels plusieurs éléments tubulaires pour la circulation d'un des milieux d'échange thermique sont disposés dans l'enveloppe à travers laquelle circule l'autre milieu d'échange de chaleur, avec ou sans déflecteurs pour diriger l'écoulement qui a lieu d'une façon sensiblement axiale le long des tubes La présente invention oonoerne un échangeur de chaleur comportant un corps en matière perméable pour assurer des taux élevés de transfert de ohaleur -et dans lequel la fissuration par fatigue résultant du fonotionnement oyolique de l'échangeur de ohaleur-est éliminée. h;zivant cette caractéristique, la partie centrale de l'éehangeur de chaleur peut se dilater et se contracter librement, indépendåmment de l'enveloppe l'entourant, et par suite, le travail des tubes du fait des différences des dilatations et des contractions thermiques de l'enveloppe n'a pas lieu. I1 doit 8tre oompris que différentes oombinaisons de matières peuvent être utilisées pour former un échangeur de chaleur selon l'invention et par suite les parties pleines et le corps perméable de l'échangeur peuvent avoir des compositions différentes. Par exemple, le corps perméable et les autres parties de ltéohangeur peuvent être formés en utilisant une même matière telle qu'un acier inoxydable, du cuivres du laiton, un acier au carbone, de l'aluminium ou un alliage d'aluminium ou différentes combinaisons de ces matièrese I1 est évident que l'utilisation finale de la structure résultante détermine la combinaison particulière d'alliages à utiliser. La présente invention a, par suite, pour objet un échangeur de chaleur hautement compact et permettant cependant un rendement éleva et une chute de pression faible. L'invention a pour objet un échangeur de chaleur comportant un corps en matière perméable à l'intérieur de l'enveloppe0 L'invention a aussi pour objet un échangeur de chaleur comportant un élément perméable contenant plusieurs éléments tubulaires intérieurs liés métallurgiquement au corps en matière perméable. L'invention a aussi pour objet un échangeur de chaleur dans lequel la partie centrale peut se dilater et se contracter librement et dans lequel les ruptures par fatigue par contrainte thermique sont par suite, pratiquement éliminées. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particu- lièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un échangeur de chaleur selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1, et - les figures 3 à 8 sont des coupes d'une partie d'échangeurs de chaleur selon d'autres modes de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente un échangeur de chaleur 10 selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Un premier milieu d'échange de chaleur, par exemple le milieu utilisé pour le chauffage ou le refroidissement, est introduit dans l'échangeur 10 à travers une entrée de la façon indiquée par la flèche 12 pour qu'il s'écoule à travers les tubes du corps perméable 14 et qu'il sorte par une sortie dans la direction indiquée par la flèche 16.Le second milieu d'échange de chaleur, par exemple le milieu devant être refroidi ou chauffe arrive dans l'échangeur 10 à travers un raccord convenable de la façon indiquée par la flèche 18, et après avoir circulé à travers le corps perméable, il sort par une sortie convenable dans la direction indiquée par la flèche 20. I1 est évident que ntimporte quels milieux peuvent être utilisés dans cet échangeur de chaleur. Par exemple; le milieu arrivant en 12 peut Qtre de l'eau et celui arrivant en 18 peut être de l'huile. Une première chambre d'entrée 22 pour de l'eau est limitée par une cloison 24 pour diriger le milieu entrant uniquement vers une partie des éléments tubulaires 26. De m8msw une seconde chambre 28 forme un collecteur pour diriger le milieu à travers l'autre partie des tubes 26 vers la chambre de avertie 22a. Les éléments tubulaires, la première et la seconde chambre et la chambre de sortie, pris collectivement,peuvent 8tre appelés le coeur de ltéhangeur. Un espace S est aussi prévu pour permettre la dilatation du coeur. En considdrant la figure 2, les éléments tubulaires sont entourés et sont lic8 métallurgiquement au corps perméable 14. Les éld- ments tubulaires 26 peuvent gtre considérés oolleotivement comme le second conduit ou conduit intérieur et l'enveloppe 29 peut être considérez comme le premier conduit. La direction d'écoulement du milieu d'échange de chaleur à travers le second conduit est indiquée par les flèches 12 et 16. Ainsi, le milieu entrant arrive à travers l'entre 12 dans la première chambre 22 pour s'écouler ensuite à travers une partie des élé- ments tubulaires 26 vers la seconde chambre 28 et ensuite pour revenir à travers les autres éléments tubulaires 26 vers la chambre de sortie 22a et la sortie 16. Avec cette disposition, une partie seulement des éléments tubulaires est utilisée pour le passage du milieu vers la seconde chambre et l'autre partie des éléments tubulaires sert au passage du milieu vers la chambre de- sortie. Cette disposition oonstitue un échangeur appelé échangeur de chaleur à deux passes ou à courant de retour. La oloison 24 est située entre la première chambre et la chambre de sortie afin que le milieu entrant soit d'abord dirigé uniquement vers la partie désirée de tubes. Il sera noté sur la figure 1 que la seconde chambre ou dispositif collecteur, suivant oe mode de réalisation, oomprend deux éléments 30 et 32 qui sont emboîtés en en-opposition l'un par rapport à l'autreO Rien entendu, d'autres dispositicns convenables peuvent aussi être utilisées pour former un dispositif collecteur pour le milieu d'échange de chaleur et pour diriger ce milieu vers la seconde partie de tubes et vers la chambre de sortie de second conduit.Il sera notd aussi que le coeur est fixés par exemple, par une brasures au premier conduit ou enveloppe, uniquement du côté de la première chambre et que, par suite, le coeur peut se dilater ou se con traoter librement, indépendamment de l'enveloppe qui 1 'entoure. Le corps de matière perméable 14 entoure les éléments tubulaires 26 et remplit les espaces entre oes éléments. Bien entendu, la matière perméable ntest pas limitée à une configuration particulière quelconque, et par exemple, la matière perméable peut entourer seulement une partie des éléments tubulaires, ou peut remplir entièrement le premier conduit autour des éléments tubulaires, selon la relation particulière désirée pour le transfert de chaleur. I1 apparait ainsi que les éléments tubulaires, la première chambrez la chambre de sortie et la seconde chambre5 constituant le coeur peuvent se dilater ou se contracter liber e m e n t parce que le coeur est fixé au premier conduit uniquement du côté de la chambre d'entrée et de la chambre de sortie de la fagon représentée en 34. Si désiré, le coeur peut ne pas être lié à l'enveloppe de la façon repre- sentée sur la figure 3 qui représente une variante de la chambre 22 de la figure 1, 1 tensemble du coeur selon la figure 3 étant complètement inde-- pendant de ltenveloppe du point de vue des dilatations et des contractions. Un dispositif d'étanchéité convenable tel qu'une bague torique 36 est placé dans une rainure de l'enveloppe pour isoler de façon étanche le premier milieu d'échange thermique du second milieu. Par suite, quand des différences de température ont lieu du fait d'un cycle thermique, il n'est pas nêcessaire que le coeur se dilate et se contracte en concordance avec la dilatation et la contraction de 1'enveloppe ou premier conduit. Par exemple, dans un échangeur de chaleur classique typiques n'ayant pas les caractéristiques de la présente invention, l'enveloppe peut être en acier et les tubes en cuivre. Le coefficient de dilatation thermique de l'acier est d'environ 11,2 x 10 cm/om0C, tandis que celui du cuivre est de 16,6 x 10 5cm/omQC Dans le présent exemple, il est supposé que la température ambiante est de 21 0C, que l'eau circulant à travers le tube- est à 240C, et que la température moyenne de l'huile est de 66 C. Si l'eau ne circule pas, le coeur ainsi que l'enveloppe seront finalement stabilisés à 660C. L'enveloppe en aoier aura, par suite, une dilatation d'après la relation suivante, en supposant une longueur de 510 mm. s 11,2 x 10-6 z 510 z 41,7 w 0,238 mm. Dans les mimes conditions, la dilatation du coeur a lieu d'après la relation : 16,2 x 10-6 z 510 x 41,7 - 0,332. Si la circulation de l'eau est établie aveo le débit voulu pour obtenir la température de 240C, l'enveloppe restera à 66 C pendant un certain temps et il en résultera une différence de longueur d'environ 0,238 mm entre le coeur et l'enveloppe. La valeur de la contrainte résultant de la différence de longueur peut être calculée d'après la relation générale suivante pour laquelle il est supposé que la différence a lieu entièrement dans l'une des matières mais non dans l'autres d = Pt dans laquelle d = allongement d'une barre de métal P = charge nécessaire pour cet allongement L = longueur de la barre A = section transversale de la barre E = module d'élasticité de la barre dE Comme P/A est la contrainte S, il en résulte S = L . D'après la relation ci-dessus, les contraintes sont égales à 5,7 kg/mm pour le cuivre et d'environ 9,8 kg/mm pour l'acier. Comme l'acier n'est pas étiré dans ces conditions en raison de la limite élastique relativement élevée, la contrainte est pratiquement appliquée au cuivre seulement. Des facteurs de concentration peuvent faoilement doubler la contrainte qui, par suite, peut Être considérablement supé- rieure à la limite élastique de 3,5 à 8,4 kg/mm pour le cuivre désoxydulé recuit.La répétition de ces contraintes se traduit en général par la rupture au point de contrainte la plus élevée, qui se trouve normalement juste à oEté du distributeur qui est en oontact avec le premier milieu d'échange thermique0 Dans les échangeurs de chaleur à enveloppe et à tubes la rupture par fatigue n'est pas un problème appréoiable parce que les dilatations et les contractions se traduisent par un léger flambage réduisant ainsi la valeur des contraintes d'une façon considérable etS en général,en dessus de la limite élastique du métal.De plus, des tubes sont habituellement utilisés à l'état étiré dur de sorte que leur limite élastique est élevée et que, de ce fait, les contraintes induites ne se traduisent pas toujours par une contrainte au-delà de la limite élastique et que, par suite, la fissuration par fatigue n'a pas lieu. De plus, des collecteurs ou distributeurs épais sont utilisés et assurent une distribution des contraintes dans une masse relativement large de la matière du distributeur et du collecteur et, de même, réduisent les contraintes à un point pour lequel la fissuration par fatigue ne peut pas être escomptée. Dans un échangeur de chaleur comportant un corps en matière perméable entourant substantiellement les tubes, un tube particulier n'est cependant pas libre pour le flambage, ce qui réduit les contraintes parce qu'il est retenu par la masse environnante de matière perméable. Par suite, la fissuration par fatigue a plus de chance de se produire en raison de ce mouvement restreint des tubes, contrairement au cas d'un échangeur de chaleur ne comportant pas ce corps perméable. En outre, dans un tel échangeur de chaleur, le corps perméable est lié métallurgiquement aux tubes par une opération de chauffage et, par suite, les tubes pratiquement recuits sont à 1 'e-tat doux. La limite élastique est, par suite, oonsidérablement inférieure à celle à l'état trempé ou écroui et les tubes sont bien plus aptes à la fissuration par fatigue pendant les cycles thermiques. De plus, oomme le groupe extérieur de tubes d'un échangeur de chaleur de oe type est relativement plus distant de la surface intérieure de 1 'enveloppe que dans le cas d'un échangeur classique n'ayant pas les caractéristiques de la présente invention, le moment des forces exeroées sur les tubes est supérieurs ce qui augmente le risque de rap- ture par fatigue. Ces ruptures par fatigue risquent davantage d'avoir lieu dans un échangeur comportant un corps en matière perméable,oc-e c'est le cas selon l'invention, que dans le cas d1un échangeur de chaleur d'un type 'classique, ne comportant pas de tête ou de collecteur flottant.Autrement dit, dans un tel échangeur de chaleur, la valeur des contraintes pour laquelle la fissuration par fatigue peut avoir lieu est inférieure à celle dans un échangeur classique du type à collecteur ou distributeur non flottant. La présente invention concerne, en particulier, un échangeur de chaleur ayant une matrice en métal fritté et dans lequel le coeur peut se dilater et se contracter librement en supprimant ainsi le risque de rupture par fatigue. Les figures 4 à 8 représentent des échangeurs de chaleur selon d'autres modes de mise en oeuvre de l'invention. La figure 4 représente un dispositif collecteur comportant deux éléments 30 et 32 en forme de godets emboîtés. La figure 5 représente un dispositif collecteur comportant un anneau 38 portant une bague torique 36 et entourant les tubes et brasé à la seconde chambre 28. Cette combinaison constitue un moyen pour supporter les éléments tubulaires dans l'anneau 38 qui peut se déplacer librement dans la direction de la dilatation ou de la contraction. Suivant ce mode de réalisation, l'anneau 38 comporte un passage faisant communiquer l'espace du c8té de ltenveloppe avec l'espace compris entre le dispositif collecteur 28 et ltestrémité de l'enveloppe.De ce fait, les pressions exercées sur ltélément en godet 32 se compensent sensiblement parce que la pression du fluide sous pression existe à la fois dans le dispositif collecteur et à l'extérieurdans l'espace considéré í-dessus. Cet espace sert, bien entendu, aussi comme zone pour la dilatation et la oontraction du coeur et du dispositif collecteur. Dien entendu, si cela est désiré, l'anneau 38 peut ne pas comporter le passage représenté. La figure 6 représente une partie d'un échangeur de chaleur - selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, l'anneau 38 portant la bague torique étant situé à c6té de la seconde chambre 28 dans l'espace compris entre cette chambre et 1 'extrémité de l'enveloppe. La figure 7 représente une paroi de fermeture épaisse 40 qui n'a pas besoin d'avoir une forme en godet et qui est brasée à ltélé- ment en godet 30. La figure 8 représente un élément unique 42 en forme de d8me remplaçant les deux éléments brasés et qui est brasé à une plaque à tube 44 pour former le collecteur. En considérant maintenant un procédé préféré pour la production d'un échangeur de chaleur selon l'invention, les tubes 26 peuvent titre placés dans des ouvertures de l'élément 30 formant la plaque à tube du collecteur et l'ensemble résultant peut être placé dans un moule approprié comportant, par exemple, une toile métallique ayant une forme cylindrique pour établir la forme du corps perméable. Les particules devant former le corps perméable peuvent ensuite entre coulées dans le moule et être frittées, les vides désirés étant maintenus entre les particules.L'ensemble peut ensuite être inspecté et les ouvertures de ltélément 30 traversées par les tubes peuvent être scellées de façon convenable si un scellement n'a pas été fait par le processus de jonotion préliminaire. Les éléments peuvent ensuite être fixés dans l'enveloppe 10: et être convenablement scellés. Des éléments auxiliaires peuvent être ajoutés à n'importe quelle étape de la fabriDation, selon les besoins. La présente invention concerne ainsi une matrice en métal fritte pour un échangeur de chaleur et, par suite, permet une vitesse élevée de transfert de ohaleur, le coeur pouvant se dilater et se contracter en fonotion des contraintes thermiques en supprimant la fissuration par fatigue. Bien que les différents modes des mises en oeuvre de l'invention décrits ci-dessus ooncernent une forme à deux passes pour la circulation du second milieu d'échange de chaleur, l'invention peut, bien entendu, être facilement adaptée pour des dispositions comportant des multiples de deux passes par exemple, pour un appareil à quatre passes. Dans oe dernier cas, la circulation de base du second milieu d'échange de chaleur est simplement doublée et ainsi de suite en ajou- tant les cloisons supplémentaires nécessairese Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. REVENDICATIONS 1 - échangeur de chaleur du type à enveloppe et à tubes, comportant un ensemble de tubes forme d'un certain nombre de tubes pour la ciroulation d'un premier fluide d1échange de ohaleur, ces tubes étant entourés par un corps perméable et l'enveloppe entourant oet ensemble de tibes pour la circulation d'un second fluide échange de chaleur, oarate risé par un dispositif pour le montage de l'ensemble à tubes à l'inte-rieur de l'enveloppe de façon que cet ensemble soit fix à l'enveloppe seulement en un point et puisse se dilater et se oontraoter librement longitudinalement du fait des variations des températures sans imposer de contraintes à ltenveloppe ni aux tubes. 2 - Changeur de chaleur selon la revendication 1,- caraotérisé en ce que le premier fluide d'échange de chaleur pénètre dans une partie des tubes à une première extrémité de l'ensemble à tubes, traverse les tubes vers la seconde extrémité de l'ensemble à tubes et vers un dispositif collecteur et ensuite passe en sens inverse à travers le reste des tubes vers la première extrémité de l'ensemble à tubes. 3 - Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en oe que le dispositif de montage comporte un premier élément fixé à une extrémité de l'ensemble à tubes et un dispositif coulissant à l'autre extrémité de l'ensemble à tubes0 4 - Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caraotérisé en ce que le dispositif de montage est situé à la première extrémité de l'ensemble à tubes. 5 - Changeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par au moins une oloison à l'intérieur de 1 l'en- veloppe pour diriger le courant de second fluide échangeur de chaleur. 6 échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que le dispositif collecteur comporte deux éléments en forme de godets 7 - Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendioatuons 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de montage coulissant comprend un élément en forme d'anneau situé entre une extrémité de l'ensemble à tubes et l'enveloppe. 8 - Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé par un dispositif pour égaler les pressions différentes apparaissant sur les côtés opposés de l'élément en forme d'anneau.