Brevet FR2304885A1 — publié le 19761015

La présente invention est relative à un procédé pour réunir les extrémités de tubes conducteurs de chaleur dans un échangeur thermique, sans utiliser de plaques d'extrémité. Dans la pratique classique, pour réunir les extrémités de tubes conducteurs de chaleur dans un échangeur thermique, de nombreux trous sont percés dans des plaques d'extrémité, les extrémités des tubes conducteurs de chaleur sont ajustées dans les trous, et les extrémités des tubes sont soudées sur les plaques d'extrémité. Lorsque l'on soude les extrémités des tubes sur ces plaques, la contrainte thermique due à la dilatation thermique dans le sens longitudinal des tubes ne peut cependant pas être absorbée, et dans le cas le plus défavorable les plaques d'extrémité se brisent en raison de la contrainte thermique dans les tubes. De plus, la réalisation des soudures rend impossible de rétrécir l'intervalle entre les trous adjacents prévus dans la plaque d'extrémité, et en conséquence l'échangeur thermique ne peut être réalisé sous une forme compacte. Lorsque le soudage est effectué avec un intervalle entre les trous adjacents trop faible, la contrainte thermique dans les tubes adjacents ne peut pas être absorbée, ce dont il résulte une défaillance des tubes ou une fissuration de la plaque d'extrémité. L'impossibilité de rétrécir l'intervalle entre les trous dans la plaque d'extrémité signifie l'impossibilité de rétrécir l'intervalle entre les tubes adjacents. De ce fait, l'écoulement du fluide traversant l'espace formé autour des tubes adjacents est retardé et il se produit par conséquent un écoulement laminaire autour des tubes, qui gêne le transfert de la chaleur entre le fluide se trouvant dans les tubes conducteurs de chaleur et le fluide traversant les intervalles entre les tubes adjacents, et il en résulte que le rendement de l'échange thermique tombe. L'invention, qui vise à éliminer les inconvénients ci-dessus, est caractérisée en ce que les extrémités des tubes sont aplaties afin de réaliser des faces de liaison et les tubes sont réunis avec ces extrémités aplaties soudées en contact côte à côte, l'intervalle entre les tubes conducteurs de chaleur étant de plus rétréci, accélérant ainsi l'écoulement du fluide traversant l'espace formé entre les tubes conducteurs de chaleur. L'un des buts de l'invention est de fournir un procédé pour réunir les extrémités des tubes conducteurs de chaleur dans un é- changeur thermique, et un appareil dans lequel les extrémités des tubes sont réunies dans un échangeur thermique, caractérisés en ce que les extrémités des tubes conducteurs de chaleur adjacents sont aplaties pour former les faces de liaison, et ces faces sont soudées côte à côte. Un autre but de l'invention est de réaliser un échangeur thermique et de fournir un procédé pour réunir les extrémités des tubes conducteurs de chaleur dans un échangeur thermique dans lequel l'in- tervalle entre les tubes est réalisé aussi étroit que possible et dans lequel l'écoulement du fluide traversant l'espace formé entre les tubes est rapide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en se référant aux dessins annexés donnés uniquement à titre. d'exemples et sur lesquels : - la Fig. 1 est une vue en perspective d'un tube conducteur de chaleur utilisé dans un mode de réalisation de l'invention, une partie intermédiaire étant arrachée et représentée schématiquement en coupe ; - la Fig. 2 est une vue latérale correspondante à celle de la Fig. 1 ; - la Fig. 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la Fig. 4 ; - la Fig. 4 est une vue en perspective montrant un mode de réalisation de l'invention ; - la Fig. 5 est une vue de face d'un tube conducteur de chaleur utilisé dans un second mode de réalisation de l'invention ; - la Fig. 6 est une vue latérale correspondant à celle de la Fig. 5 ; - la Fig. 7 est une vue en coupe suivant la ligne VII-VII de la Fig. 8 ; - la Fig. 8 est une vue en perspective montrant le second mode de réalisation de l'invention ; - la Fig. 9 est une vue de face d'un tube conducteur de chaleur utilisé dans un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la Fig. 10 est une vue latérale qui correspond à celle de la Fig. 9 ; - la Fig. 11 est une vue en coupe suivant la ligne XI-XI de la Fig. 12 ; - la Fig. 12 est une vue en perspective montrant le troisième mode de réalisation de l'invention ; - la Fig. 13 est une vue en plan d'un tube conducteur de chaleur utilisé dans un quatrième mode de réalisation de l'invention ; - la Fig. 14 est une vue de face correspondant à celle de la Fig. 13 ; - la Fig. 15 est une vue en coupe suivant la ligne XV-XV de la Fig. 17 ; - la Fig. 16 est une vue en plan qui correspond à celle de la Fig. 17 ; et - la Fig. 17 est une vue en perspective montrant le quatrième mode de réalisation de l'invention. En se référant au dessin et en particulier aux Fig. 1 et 2, les deux extrémités la et 12 du tube conducteur de chaleur 1, qui a une forme elliptique en coupe, sont aplaties en direction du petit axe de l'ellipse afin de former des faces 2 de jonction, qui ont en section une forme rectangulaire. Les faces latérales de liaison 2a, 2b font saillie également vers l'extérieur sur les deux côtés du tube 1, suivant le prolongement du petit axe de l'ellipse. Comme on le voit aux Fig. 3 et 4, un certain nombre des tubes 1 sont disposés parallèlement les uns par rapport aux autres suivant un agencement en grille. Les faces latérales 2a et 2b des tubes 1 qui sont adjacentes dans le sens latéral sont disposées en butée les unes contre les autres afin de réunir les extrémités la, lb des tubes 1, et ces faces 2 faces 2a, 2b sont soudées ensemble. Les extrémités opposées des tu- bes 1 sont soudées ensemble de la même façon. En modifiant l'étendue de la saillie des faces 2a et 2b à partir des deux côtés des tubes 1, on peut déterminer arbitrairement les intervalles S qui sont formés entre les tubes adjacents 1. Par conséquent, la vitesse de l'écoulement du fluide dans l'intervalle S peut être augmentée en modifiant la distance dont font saillies les faces 2a et 2b. - - Les faces de liaison 2 des tubes 1 qui sont groupées sont ajustées dans un cadre 3, et les tubes 1 sont positionnés à l'aide de ce cadre 3. Des éléments 4 et 5 déformables élastiquement, qui sont des éléments de compensation des contraintes thermiques, sont introduits dans les espaces formés entre les faces d'extrémité des ran- gées de tubes 1 situés dans le cadre 3. Les faces en contact des extrémités 2 du tube, les éléments 4 et 5 et le cadre 3 sont soudés en contact. La contrainte thermique sur les faces 2 dans le sens latéral, suivant les axes principaux des extrémités du tube (verticale- mentven considérant la Fig. 4), qui est provoquée par la dilatation thermique, est compensée par la déformation des éléments 4 et 5. La contrainte thermique dans le sens longitudinal des faces soudées 2 (horizontalement en considérant la Fig. 4) est compensée par la contrainte due à la dilatation thermique du cadre 3, qui est réalisé en la même matière que les tubes 1. La contrainte thermique dans le sens longitudinal des tubes 1 est compensée par une déformation ou une incurvation des tubes dans les intervalles entre les tubes adjacents 1. Un premier fluide destiné à être pré-chauffé s'écoule dans le tube 1, tandis qu'un second fluide destiné à pré-chauffer le premier s'écoule à travers les intervalles formés entre les tubes adjacents 1. On décrira maintenant un second mode de réalisation de l'invention. D'une façan différente de l'exemple précédent dans lequel les tubes conducteurs de la chaleur ont en section une forme ovale ; les tubes conducteurs de chaleur ont, dans cet exemple, en section une forme circulaire. En se référant aux Fig. 5 et 6, les deux extrémités la, lb du tube 1 de forme circulaire en section sont aplaties pour présenter une forme rectangulaire. Deux faces 2a et 2b qui font saillie de façon égale sur les deux côtés du tube 1 forment les petits côtés de ces extrémités rectangulaires. Ensuite, comme représenté aux Fig. 7 et 8, un grand nombre de tubes 1 sont disposés parallèlement les uns aux autres suivant un agencement en grille. Les faces 2a et 2b des tubes 1 adjacents sont disposées en butée les unes contre les autres et, avec les extrémités la et lb des tubes 1 groupées, ces faces sont soudées ensemble. La disposition en contact des faces 2 et 22 des tubes 1 délimite des intervalles S entre les tubes adjacents 1. A travers les intervalles S s'écoule un fluide qui pré-chauffe le fluide se trouvant dans les tubes 1. La dimension de l'intervalle S entre les tubes adjacents 1 peut être modifiée en faisant varier la distance dont les faces 2a et 2b font saillie à partir des deux côtés des tubes 1 ; en conséquence en rétrécissant l'intervalle S par le réglage de la saillie des faces 2aet 2 b, la vitesse de l'écoulement du fluide à travers les intervalles S peut être augmentée. Les extrémités la et lb des tu- bes 1 sont aplaties et ajustées dans le cadre 3, et on effectue le soudage des extrémités 2 des tubes 1 en utilisant ce cadre. Des éléments 4 et 5 déformables élastiquement sont alors introduits dans les espaces délimités entre les faces 2 des tubes 1 adjacents longitudinalement. Ainsi, la contrainte thermique due à la dilatation thermique (verticalement en considérant la Fig. 8) des faces soudées 2 dans le sens latéral est compensée par la déformation des éléments 4 et 5. La contrainte thermique, dans le sens longitudinal (horizontalement en considérant la Fig. 8), des faces soudées 2 est également compensée par une déformation des éléments 4 et 5. La contrainte thermique dans le sens longitudinal des faces soudées 2 (horizontalement en considérant la Fig. 8) est encore compensée par la contrainte qui est due à la dilatation thermique du cadre 3, qui est réalisé en la même matière que le tube 1. Enfin, la contrainte thermique dans le sens longitudinal des tubes 1 est compensée aux intervalles S entre les tubes adjacents 1. On décrira maintenant un troisième mode de réalisation de l'invention. Tandis que dans le second exemple les tubes 1 sont disposés suivant un agencement en grille ou nappes, dans cet exemple ils sont étagés. Comme on le voit aux Fig. 9 et 10, les deux extrémités la et lb des tubes 1 de section ovale sont agrandies pour former une extrémité rectangulaire 2. Sur les petits côtés de cette extrémité 2 sont formées les faces de jonction 2a et 2b. Un grand nombre de tubes 1 sont disposés de façon à être étagés, parallèlement les uns aux autres comme représenté à la Fig. 11. Les faces 2a et 2b des tubes adjacents longitudinaux 1 sont disposées en butée les unes contre les autres et, les extrémités la et lb des tubes 1 étant groupées, ces faces 2a, 2b sont soudées ensemble. Des entretoises 6 sont inserées entre les tubes adjacents 1 et sont soudées sur les grands côtés des extrémités 2, formant ainsi des intervalles S entre les tubes 1. Un fluide utilisé pour préchauffer le fluide se trouvant dans les tubes 1 traverse les intervalles S. Suivant le mode de réalisation représenté, les intervalles S sont définis par les entretoises 6. Les intervalles peuvent être formés en prolongeant les faces 2 en direction des tubes latéralement adjacents 1 et en soudant en contact les parties prolongées des faces 2. Les extrémités la et lb des tubes 1 sont ajustées dans un cadre 7 déformable élastiquement, qui maintient les positions des ex- trémités la, lb des tubes 1. Le cadre 7 porte une plaque 8 qui supporte les charges longitudinales et latérales. Ainsi, la contrainte thermique aux extrémités la et lb des tubes 1 est compensée par une déformation du cadre 7, tandis que la contrainte thermique dans le sens longitudinal des tubes 1 est compensée dans les intervalles S. On décrira maintenant un quatrième mode de réalisation de l'invention. Dans les exemples précédents, les tubes 1 ont en section une forme ovale ou circulaire, mais dans cet exemple les tubes 9 ont en section une forme rectangulaire. Comme on le voit aux Fig. 13 et 14, les deux extrémités 9a et 9b d'un tube 9 de section rectangulaire sont élargies à partir de la grande face 9'afin de former une extrémité rectangulaire 10 dont la longueur 10's'étend à partir des deux faces 9'du tube 9, et deux faces lOa, lOb sont formées dans le sens longitudinal de ladite extrémité 10. Comme représenté aux Fig. 15,16 et 17, un grand nombre de tubes 9 sont agencés suivant une disposition en grille parallèlement les uns aux autres. Les faces lOa, lOb des tubes longitudinaux adjacents 9 sont disposées en butée les unes contre les autres et, les extrémités 9a, 9b des tubes 9 étant groupées, les faces lOa, lOb sont soudées ensemble. Des intervalles S sont délimités entre les tubes adjacents 9 en soudant en contact ensemble les côtés 10'des tubes adjacents latéralement. Des intervalles en forme de losange, aux angles des extrémités des tubes, sont remplis par écoulement de soudure. Des saillies 11 s'étendent vers l'extérieur à partir des côtés du tube afin d'être en contact avec les tubes latéralement adjacents 9, renforçant ainsi chaque tube 9 et rétrécissant en même temps le trajet d'écoulement du fluide traversant les intervalles S, et agrandissant les surfaces conductrices de la chaleur. Les extrémités groupées 9a, 9b des tubes 9 sont ajustées dans un cadre 12 au moyen duquel est effectué le positionnement des extrémités 9, 9b des tubes 9. La contrainte thermique aux extrémités 9a, 9b d'un tube 9 est compensée par la contrainte due à la dilatation thermique du cadre 12, qui est réalisé en la même matière que le tube 9. La contrainte thermique dans le sens longitudinal d'un tube 9 est compensée par une incurvation longitudinale. Au lieu d'utiliser le cadre 12, on peut, comme indiqué en traits interrompus, utiliser une boite 12'pour positionner les extrémités 9a et 9b. Dans les exemples décrits, les extrémités des tubes sont aplaties afin de présenter des sections rectangulaires pour former des faces de liaison, mais ces extrémités peuvent présenter en section une forme polygonale, pourvu que des faces de liaison puissent être formées aux extrémités des tubes adjacents. Dans la plupart des exemples, on utilise un cadre mais on peut également utiliser une boite comme représenté dans le quatrième mo- de de réalisation de l'invention, pour positionner les extrémités 9, 9. Comme décrit plus haut, suivant l'invention, des faces de jonction ou de liaison sont réalisées aux extrémités des tubes conducteurs de chaleur et, par soudage en contact de ces faces des tubes disposées parallèlement, les unes aux autres, les extrémités des tubes sont réunies. Par suite, la plaque d'extrémité est rendue inutile, l'intervalle formé entre les tubes adjacents peut être modifié facilement en changeant simplement les dimensions des faces de liaison, et le corps de l'échangeur thermique peut ainsi être réalisé sous une forme compacte. La possibilité de rétrécir les intervalles entre les tubes implique la possibilité d'augmenter la vitesse d'écoulement du fluide à travers l'intervalle, ce qui empêche un, développement d'un écoulement laminaire autour des tubes et ce dont il résulte un rendement amélioré du transfert thermique entre le fluide se trouvant dans les tubes et le fluide se trouvant dans les intervalles entre les tubes. REVENDICATIONS 1-Procédé pour grouper et maintenir ensemble les extrémités de plusieurs tubes conducteurs de chaleur pour réaliser un échangeur thermique dans lequel un fluide à pré-chauffer est envoyé dans les tubes conducteurs de chaleur et un fluide chaud est envoyé à travers un intervalle formé entre ces tubes, provoquant ainsi un transfert thermique entre le fluide se trouvant dans les tubes et le fluide chaud se trouvant dans l'intervalle entre les tubes, caractérisé en ce que les extrémités des tubes adjacents sont aplaties pour former des faces de liaison, ces extrémités étant groupées de manière que les faces de liaison de chaque tube soient en contact et réunies avec les faces de liaison des autres tubes. 2-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les. tubes comportant des faces de liaison aux extrémités aplaties sont maintenus parallèles les uns aux autres et disposés suivant une configuration en grille, de façon étagée, ou autre. 3-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes ont en section une forme elliptique et en ce que les extrémités des tubes elliptiques sont aplaties dans le sens des petits axes des ellipses afin de former des faces en saillie s'étendant au-delà des petits axes des tubes, les extrémités du tube étant groupées et maintenues ensemble en amenant ces faces en butée et en les réunissant. 4-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes étant circulaires, leurs extrémités sont écrasées pour former des faces en saillie radialement, les extrémités des tubes étant groupées et maintenues ensemble en disposant ces faces en butée et en les réunissant. 5-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes étant ovales, leurs extrémités sont conformées de façon à réaliser des faces de liaison, les extrémités du tube étant groupées en disposant ces faces en contact et en les reliant ensemble. 6-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes étant de forme rectangulaire, leurs extrémités sont agrandies vers l'extérieur le long des grands côtés afin de former des faces en saillie et en ce que les extrémités des tubes sont assemblées en disposant en butée et reliant ensemble ces faces. 7-Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que des saillies sont prévues sur les parois des tubes adjacents, renforçant ainsi chaque tube et rétrécissant par la même les espaces délimités entre les tubes adjacents. 8-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un élément compensateur des contraintes thermiques est introduit entre les extrémités des tubes adjacents. 9-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités du tube sont assemblées après le positionnement des extrémités de plusieurs tubes au moyen d'un bâti ou d'une boite. 10-Echangeur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs tubes présentant des extrémités polygonales, des parties au moins des extrémités de ces tubes s'étendant latéralement au-delà de prolongements imaginaires des parois des tubes, les prolongements latéraux des extrémités des tubes formant des faces de liaison, les extrémités adjacentes des tubes étant reliées directement par leurs faces de liaison, définissant ainsi des intervalles entre les tubes, de sorte qu'un premier fluide peut s'écouler à travers les tubes et qu'un second fluide peut s'écouler à travers les intervalles entre les tubes. 11-Echangeur suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les faces des tubes qui ne sont pas reliées à des faces adjacentes de tubes adjacents sont reliées àun bâti qui s'étend autour des extrémités des tubes. 12-Echangeur suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le cadre est réalisé en la même matière que les tubes. 13-Echangeur suivant la revendication 12, caractérisé en ce que le cadre est réalisé au moyen de plusieurs éléments allongés reliés à leurs extrémités, les éléments allongés ayant une courbure qui est transversale à la direction longitudinale des éléments. 14-Echangeur suivant la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des éléments compensateurs de dilatation thermique qui sont disposés dans des courbes des éléments du cadre. 15-Echangeur suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les extrémités des tubes sont alignées en rangées, les faces de liaison adjacentes des extrémités des tubes étant réunies, formant ainsi des rangées d'extrémités reliées, et des éléments compensateurs de contrainte thermique étant fixés le long des faces d'extrémité des tubes. 16-Echangeur suivant la revendication 15, caractérisé en ce que les éléments compensateurs de contraintes thermiques sont allongés et incurvés transversalement et présentant des bords allongés réunis aux surfaces allongées desdites extrémités. 17-Echangeur suivant la revendication 15, caractérisé en ce que les tubes présentent une forme curviligne en section transversale, les extrémités des tubes étant de forme rectangulaire et présentant des côtés relativement longs réunis aux éléments de dilatation thermique et aux éléments du cadre, et des petits côtés réunis aux petits côtés des autres tubes ou des éléments du cadre.