Brevet FR2297395A1 — publié le 19760806

Il est courant de réaliser les échanges thermiques entre deux fluides gazeux ou liquides en les faisant circuler de part et d'autre des parois de tubes assemblés en faisceau, un fluide circulant à l'intérieur des tubes, l'autre à l'exterieur. A cet effet, les extrémités des tubes sont souvint serties dans des plaques de tête.Ce type d'échangeur a l'inconvénient d'avoir un encombrement important dans une section perpendiculaire à l'axe des tubes, donc de conduire à des différences de vitesse importantes pour le fluide parcourant les tubes entre la section amont ou aval et celle de l'in- térieur des tubes eux-emes : le fluide circulant à l'extérieur des tubes dispose de section en général trop grande pour que la vitesse soit assez importante pour conduire à un bon coefficient d'échange. La realisation des plaques de tête et de la fixation des extrémités des tubes sur celles-ci est coûteuse et pressente des risques de corrosion. Les dispositions adoptées dans la présente invention s';priitent ces inconvénients . Une caractéristique essentielle de l'invention est la forme adoptée pour les extrémités des tubes, telles que représentées sur la figure 1 qui est une coupe VW par l'axe du tube et les figures 2, 3 et 4 qui sont des coupes transversales à différentes niveaux. La figure 2 est la coupe au niveau AB dans la section circulaire cote 1 du tube, représenté sans ailettage longitudinal intérieur ou extérieur mais qui peut en comporter pour accroi- tre les surfaces d'échange. La figure 3 est la coupe au niveau EF, dans la zone aplatie 2 du tube, ou l'on a donné au tube une forme profilée, telle qu'une ellipse, sur une longueur h du tube, le périmètre de ce profil étant très voisin du périmètre de la section circulaire du tube. La figure 4 est une coupe au niveau EF, ou lton donne au tube la section du carré dans lequel est inscrite la section circulaire représentée sur la figure 2. Dans la zone de transition 4, la section évolue progressivement entre le cercle et l'ellipse, dans la zone de transition 5 la section évolue progressivement entre l'ellipse et le carré, le grand axe de l'ellipse venant se confondre avec la diagonale du carré. La section carrée se poursuit jusqu'à l'extrémité 6 du tube et est zîntenue sur une hauteur sensiblement égale au côté du carre. Les formes décrites précédemment peuvent être obtenues par emboutissage à chaud ou à froid, par matriçage ou tout autre procédé habituel de façonnage de tubes. Chaque extrémité de tube est traitée comme décrit précédem- ment. Ces dispositions permettent de réaliser par juxtaposition des tubes des faisceaux parallélépipédiques dont les plaques de tête sont constituées par l'assemblage directement entre elles des extrémités de section carrée, tout en laissant des espaces de hauteur h pour que le fluide circulant à ltextérieur des tubes puisse pénétrer au coeur du faisceau et s'écouler parallèlement à 1' axe des tubes, à ltextérieur de ceux-ci. La figure 5 est la vue extérieure d'un échangeur conforme à l'invention, la figure 6 une vue d'en haut et la figure 7 une coupe longitudinale suivant xy. Un échangeur conforme à l'invention comporte une enveloppe 7 parallélé pipédique, de section carrée, comportant deux brides d'extrémité 8 et 9 et éventuellement des renforts extérieurs 10, un ajutage d'entrée 11 pour le fluide extérieur aux tubes et un ajutage de sortie 12. Le faisceau constitue par la juxtaposition des tubes 12, est glissé dans cette enveloppe, les zones rétrécies des tubes étant disposées au droit des ajutages 11 et 12 qui aboutissent sur toute la longueur des côtés de l'enve- loppe, de manière à aliiinter la totalité des espaces entre tubes. La fixation des extrémités carrées des tubes entre elles et de celles des tubes ex térieurs avec l'enveloppe est assurée par l'un des procédés suivants employées seuls ou simultanément : 10 - Par soudure des tranches extérieures de ces extrémités entre elles et avec celle de l'enveloppe si celle-ci est de même nature. 20 - Par brasage 30 - Par collage 40 - Par coulée d'un alliage métallique à bas point de fusion ou d'un produit faisant prise tel qu'une résine époxy après que l'on ait disposé le faisceau verticalement sur une paroi plane faisant étanchéité provisoire le produit étant introduit par l'ajutage situé à la partie inférieure, de manière à ce que sa surface libre affleure à la base de la zone ré trécie des tubes. On peut lors du durcissement du produit mettre sous pression l'intérieur de l'enveloppe pour assurer un partait remplissage de tous les espaces entre tubes et entre tube et enveloppe pour que l'étanchéité soit parfaite L'invention prévoit que 1' enveloppe 7 puisse se dilater ou se rétrein- dre longitudinalement si les dilatations dues aux différences de température entre faisceau de tubes et l'enveloppe risquent d'entraîner des contraintes trop élevées dans les tubes ou dans les zones de liaison : à cet effet, l'enveloppe sera munie d'au moins un joint dilatable réalisé par exemple au troyen d'un soufflet combiné avec un des renforts 10. Les tubes et l'enveloppe pourront être réalisés avec l'un quelconque des matériaux utilisés dans l'industrie, métaux, verres, intiêres plastiques employées seules ou armées, la matière choisie pour les tubes pouvant être différente de celle choisie pour l'enveloppe si l'assemblage ne se fait pas par soudage et si des effets de corrosion électrolytique ne sont pas à crain- dre dans le cas de métaux. Les figures 8 à 12 sont des coupes transversales montrant clairement les différentes dispositions de tubes prévus pour l'invention. La figure 8 est une coupe dans la zone de rétrécissement profilé 2 montrant que l'ellipse s'inscrit dans la base carrée, ce qui laisse des espaces 14 pour l'aliiinta- tion des vides 15 entre tubes tels que représentés sur la figure 9, qui est une coupe dans la zone courante 1 où le tube est circulaire. L'invention prévoit que, tel que représenté sur la figure 10, des tiges 16 viennent éventuellement remplir les espaces 15 entre tubes sur toute la hauteur de la section courante circulaire 1, afin de diminuer la section de passage pour le fluide extérieur aux tubes et avoir une vitesse suffisante dans les cas où son débit est faible. L'invention prévoit que les tubes peuvent être munis sur la surface extérieure d'un ailettage longitudinal sur toute la hauteur de la section circulaire, ou réalisé sous forme d'ailettes venant de fabrication avec les tubes et se logeant dans les espaces 15, ou sous forme d'un réseau quadrillé 17 formé de feuilles métalliques orthogonales tel que représenté sur la figure 11, dans les mailles duquel les tubes sont glissés. L'invention prévoit également que les tubes peuvent être munis d'ailettage intérieur réalisé sous forme d'ailettes longitudinales, planes ou torsadées telles que représentées en 18 sur la figure 12. On comprend que grâce aux dispositions décrites précédemment, on a réalisé économiquement un échangeur compact, à faible perte de charge sur l'un et l'autre fluide, qui peuvent être liquides ou gazeux. REVENDICArION5. 1. Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire réalisé au moyen de tubes en nétal, en verre ou en matière plastique armée ou non, de section circu- laire jointifs dont les extrémités sont aplaties sur une certaine hauteur en ayant sensiblement la forme d'une ellipse dont le grand axe est supé rieur au diamètre du tube et terminé par une section carrée dont la diago, nale est très légèrement supérieure au grand axe précédent, les tubes étant assemblés de manière à former un faisceau parallélépipédique à base carrée, la zone où la section circulaire est conservée pouvant être punie d'un ailettage longitudinal intérieur ou extérieur. 2. Dispositif selon la revendication 1 où le faisceau est glissé dans une enveloppe parallélépipédique de longueur au soins égale à celle du fais ceau, éventuellement raidie extérieurement par des renforts et portant un ajutage d'entrée et un ajutage de sortie situés au droit des zones où les tubes sont aplatis, les axes des ajutages étant parallèles aux grands axes des aplatissements. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2 où les faces planes des entre mités carrées des tubes solrt assemblées entre elles et avec les extrémités de 1' enveloppe par soudure de leurs tranches. 4. Dispositif selon les revendications 1 et 2 où les faces planes des extra mités carrées des tubes sont assemblées entre elles et avec les extrémités de T enveloppe par brasure. 5. Dispositif selon les revendications 1 et 2 où les faces planes des extré mités carrées des tubes sont assemblées entre elles et avec les extrémités de l'enveloppe par collage. 6. Dispositif selon les revendications 1 et 2 où les faces planes des extré- mités carrées des tubes sont assemblées entre elles et avec les extrémités de l'enveloppe par coulée d'un S am iiaiiique à bas point de fusion, introduit à l'état liquide par l'ajutage situé à la partie basse de l'é- changeur disposé verticalement, de manière à ce que sa surfaoe libre af fleure la base de la zone où les tubes sont aplatis. 7. Dispositif selon les revendications 1 et 2 où les faces planes des extré mités carrées des tubes sont assemblées entre elles et avec les extrémités de l'enveloppe par coulée d'une résine introduite à l'état liquide par l'ajutage situé à la partie basse de ltéchangeur disposéverticalement, de manière à ce que sa surface libre affleure la base de la zone où les tubes sont aplatis.