Brevet FR2341095A1 — publié le 19770909

La présente invention concerne un dispositif pour fixer de fa çon étanche un tube dans un orifice d'une paroi d'une enceinte dans laquelle est admis un liquide sous pression et se rapporte également aux batteries de tubes d'échange thermique pour réfrigérants atmosphériques utilisant de tels dispositifs. Les réfrigérants atmosphériques sont des installations dans lesquelles un liquide, par exemple de liteau, est mis en contact, soit directement, soit indirectement, avec l'air atmosphérique en vue de son refroidissement. Dans les réfrigérants à mise en contact indirecte, dits également du type "sec", le corps d'échange thermique peut être constitué de batteries de tubes disposées à l'intérieur d'une chambre dans laquelle l'air atmosphérique admis par la base de la chambre est rejeté à la partie supérieure de celle-ci après avoir traversé les batteries de tubes dans lesquels circule le liquide à refrofdir. Ces tubes sont fixés de façon étanche à l'une de leurs extrémités dans une plaque d'une boîte de distribution de liquide et à leur autre extrémité dans une plaque d'une boite collectrice à partir de laquelle le liquide refroidi est évacué. Il est connu d'utiliser pour ces batteries des tubes métalliques à ailettes qui ont l'avantage d'assurer une grande surface de contact entre le liquide et l'air et qui présentent donc un bon rendement. Ces tubes sont généralement fixés à leurs extrémités aux plaques, qui sont métalliques, soit par un cordon de soudure, soit par un sertissage du tube sur la plaque Cependant, ce mode de fixation est très long et relativement délicat, et représente donc un coût élevé en main d'oeuvre lorsque l'installation comporte un grand nombre de tubes. Pour des raisons techniques (corrosion interne et externe, réduction de la puissance de pompage, etc...) et des raisons écononi qnes, on tend à substituer des tubes lisses en matières plastiques aux tubes à ailettes classiques. Naturellement, ces tubes lisses ont une surface d'échange bien inférieure à celle des tubes à ailettes et leur nombre doit etre multiplié par un facteur important, de l'ordre de vingt, pour obtenir une capacité d'échange thermique équivalente à celle de l'installation à tubes à ailettes. A l'heure actuelle, on essaye de tendre vers un prix de revient global qui, à même capacité, soit égal ou inférieur à celui des tubes métalliques à ailettes.Un élément essentiel du coût de revient des batte ries de tubes est alors lié au temps nécessaire pour la fixation des tubes dans les plaques des boîtes distributrices et collectrices, certaines installations pouvant compter jusqu'à cinq cent mille tubes, ce qui implique un million d'opérations de liaison. Suivant une technique de liaison connue, on utilise des plaques métalliques dont les orifices comportent un alésage et un contre-alésage de plus grand diamètre tandis que l'extrémité du tube lisse en matière plastique présente une extrémité expansée qui vient se loger dans#le#contre-alésage. Pour fixer le tube, une bague métallique est sertie à l'intérieur de la partie expansée du tube pour appuyer celle-ci de façon étanche contre le contre-alésage. Cependant, cette opération de sertissage est longue à réaliser et l'étanchéité obtenue n'est pas toujours totale alors que ce dernier point est essentiel au bon fonctionnement de l'installation. Suivant une autre technique connue, on utilise des plaques en matière plastique dont les orifices ont un bord évasé en forme de cône et des tubes lisses en matière plastique présentant des extrémités complémentaires également évasées en forme de cône. La fixation des tubes aux plaques est assurée par soudage, ce qui implique que ces éléments sont constitués d'une matière plastique de même nature et de même grade, c'est-à-dire présentant un indice de fluidité identique, faute de quoi il n'y aurait pas soudage. Or, le liquide qui arrive dans la botte de distribution peut être à une température et à une pression relativement élevées, par exemple 90~OC et 3 bars respectivement.Comme les matières plastiques utilisables sont déformables dans de telles conditions, on est amené pour éviter le cintrage des plaques, soit à augmenter leur épaisseur, soit, pour éviter cette augmentation d'épaisseur, à les réaliser en un sandwich composé, d'une part, d'une plaque en matière plastique d'épaisseur juste suffisante pour le soudage, et d'autre part, d'une plaque métallique donnant la résistance à la pression. Toutefois, dans les deux cas le prix des plaques porte-tubes est augmenté. D'une façon générale, toutes les techniques mentionnées cidessus, que ce soit avec les tubes a ailettes ou les tubes lisses, assurent une liaison rigide entre les tubes et les plaques. Par conséquent les tolérances sur la longueur des tubes doivent être élevées pour permettre leur raccordement étanche aux plaques. Par ailleurs, la complexité de ces techniques de liaison implique qutel- les soient menées à bien avec un outillage spécialisé et, de ce fait, en usine. Tout ceci présente des inconvénients dans le cas des tubes en matières plastiques. En effet, le grand nombre de tubes de ces batteries entraîne l'augmentation des dimensions des boîtes de distribution de fluide et des boîtes collectrices par rapport à celles des batteries de tubes à ailettes. De plus, on a intérêt à utiliser des tubes de grande longueur (vingt mètres minimum). Enfin, ces batteries doivent présenter une structure rigide avec, d'une part des longerons de grande largeur, et d'autre part, des entretoises de maintien des tubes, fixées à ces longerons et disposées à intervalles réguliers. Des problèmes de transport se posent alors car on est limité en dimensions par les gabarits routiers et ferroviaires. Le but de l'invention est de procurer un dispositif de fixation étanche qui soit peu coûteux, qui permette un montage rapide des tubes directement sur le chantier et non pas uniquement en usine et ceci manuellement ou avec un outillage très simple et qui permette éventuellement le démontage individuel des tubes. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de fixation étanche d'un tube dans un orifice d'une paroi d'une enceinte dans laquelle est admis un fluide sous pression, caractérisé en ce qu'il comprend un manchon en un matériau élastique disposé autour dudit tube et logé dans ledit orifice, la longueur du manchon étant supérieure à l'épaisseur de la paroi et ses dimensions transversales é- tant adaptées pour que le manchon s'applique de façon étanche contre le tube et l'orifice en ménageant à chacune de ses extrémités, de part et d'autre de la paroi, un bourrelet périphérique de retenue. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le tube, l'o- rifice e t la s u r f a c e e x t ê r i e u r e d u manchon ont une forme cylindrique. L'invention concerne également une batterie de tubes d'échange thermique pour réfrigérant atmosphérique, dans laquelle les tubes sont fixés à l'une de leurs extrémités dans une plaque d'une boîte de distribution de fluide dans laquelle est admis le fluide à refroidir et à leur autre extrémité dans une plaque d'une boîte collectrice â partir de laquelle le fluide refroidi est évacué, caractérisée en ce que les tubes sont fixés dans lesdites plaques au moyen du dispositif de fixation étanche défini ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en se référant au dessin annexé, sur lequel - la Fig.1 est une vue schématique en élévation d'une batterie de tubes d'échange thermique pour réfrigérant atmosphérique; - la Fig. 2 est une vue en coupe partielle à plus grande échelle du dispositif suivant l'invention de fixation étanche d'un tube de la Fig.1 dans une plaque porte-tubes; - la Fig. 3 est une vue analogue à celle de la Fig.2 montrant une variante de réalisation; - la Fig. 4 est une vue analogue à celle de la Fig.2 montrant une autre variante de réalisation du dispositif de l'invention, le tube n'étant pas encore fixé dans la plaque porte-tubes; et - la Fig. 5 est une vue correspondant à la Fig. 4 et montrant le tube fixé dans la plaque porte-tubes. En se reportant à la Fig. 1, on voit une batterie 1 d'échange thermique comprenant une série de tubes 2 fixés à leurs extrémités respectives dans des plaques 3 de boîtes ou chambres distributrice 4 et collectrice 5 de fluide respectivement. Les boites 4 et 5 sont reliées respectivement à une canalisation de distribution de fluide et à un collecteur (non représentés), et plusieurs batteries 1 sont disposées de façon connue en soi à l'intérieur d'une chambre d'un réfrigérant atmosphérique (non représenté). Les tubes 2 sont disposés en rangées parallèles ou décalées en quinconce avec un pas compatible avec l'encombrement de la batterie 1. Comme représenté à la Fig.2, chaque tube 2 est reçu à l'une de ses extrémités dans un orifice 6 d'une plaque 3 et est fixé de fa çon étanche dans cet orifice à l'aide d'un manchon 7 en élastomère. Dans l'exemple de réalisation représenté, le tube 2, l'orifice 6 et la surface extérieure du manchon 7 ont une forme cylindrique. Le manchon 7 présente un alésage intérieur cylindrique de diamètre égal ou, de préférence, très légèrement inférieur, par exemple de quelques dixièmes de millimètres, au diamètre extérieur du tube 2. De même, le diamètre de l'orifice 6 est égal ou, de préférence, un peu inférieur, également de quelques dixièmes de millimètres, au diamètre extérieur du manchon 7 Enfin, le manchon 7 présente une longueur supérieure à l'épaisseur de la plaque 3, de manière que lorsqu'il est serré entre l'orifice 6 et le tube 2 un bourrelet annulai re 8 de retenue soit formé à chacune de ses extrémités.A titre d'exemple, le tube 2 peut présenter un diamètre extérieur de l'ordre de 10 à 15 millimètres et le manchon 7 une épaisseur d'environ 2 à 5 millimètres. D'une manière générale, le serrage du manchon doit être suffisant pour assurer la fixation et l'étanchéité de l'ensem- ble sous les pressions de service exigées mais ne doit pas être trop élevé pour permettre 1 r introduction aisée du tube dans le manchon. Enfin, pour faciliter le montage, qui va être expliqué ci-après, les extrémités 9 des tubes 2 sont de préférence chanfreinées afin de ne pas blesser le manchon 7. Ce montage est effectué de la façon suivante : les plaques 3 ayant été percées en usine avec une tolérance et un état de surface suffisants, on monte, de préférence en usine, soit à la main, soit avec un dispositif approprié, les manchons 7 dans les orifices 6. Pour faciliter cette introduction, on peut utiliser de la vaseline, cette dernière diffusant dans I'élasto'mre, ou un lubrifiant volatil tel que de l'eau pure, de l'eau additionnée d'un agent mouillant ou un agent mouillant pur. Si on désire coller le manchon 7 dans l'ori- fice 6, on peut utiliser la colle comme lubrifiant. Les plaques 3 garnies des manchons 7 et les tubes 2 peuvent être transportés individuellement sur le chantier, ce qui permet d'éviter les problèmes de gabarit évoqués ci-dessus qui se posent lorsque la batterie est complètement assemblée en usine.Sur le chantier, les boîtes de disc tribution et les boites collectrices de fluide sont fixées sur leur structure, et on introduit les tubes 2 dans les manchons, à la main ou à l'aide d'un outillage approprié, en utilisant éventuellement un lubrifiant volatil ou diffusant du même type que celui ayant servi à la mise en place des manchons dans les orifices. La longueur des tubes est adaptée sans précision pour qu'ils fassent saillie au-delà des manchons 7 dans les boites 4 et 5 afin que, aux températures minimales où ils sont le plus contracté, les tubes 2 n'échappent pas à leur manchon ou joint 7. En fonctionnement, un fluide, par exemple de l'eau, est admis sous une certaine pression, par exemple de l'ordre de 3 bars, dans la boîte ou chambre de distribution 4, suivant la direction indiqué par la flèche E. Ce liquide, qui présente une température supérieure a' celle de l'air atmosphérique, est alors réparti dans les tubes 2 dans lesquels il s'écoule avant d'être recueilli dans la boite ou chambre collectrice 5, puis évacué suivant le sens indiqué par la flèche S. Au cours de son trajet le long des tubes 2, le liquide est refroidi par le courant d'air atmosphérique, symbolisé par la flèche A, qui circule autour des tubes 2. Dans les boites 4 et 5 règne donc une certaine pression qui s'exerce en partie sur les manchons 5.Si l'on suppose que la Fig.2 se rapporte à la boîte de distribution 4, la partie droite du manchon 7 est soumise à la pression hydrostatique du liquide, comme cela est symbolisé par les flèches P, tandis que la partie gauche est soumise à la pression atmosphérique. Cette pression hydrostatique s'applique à la fois sur le bout et sur la partie cylindrique extérieure du manchon 7, ce qui soumet l'élastomère à des efforts de compression qui sont en partie reportés dans la partie du manchon 7 comprise entre la plaque 3 et le tube 2, tel que cela a été symbolisé par les flèches R.La pression hydrostatique qui s'exerce axialement sur l'extrémité du manchon 7 a partiellement tendance à expulser le manchon, mais ce dernier est retenu, non seulement par le serrage radial dû aux efforts de compression R, mais également par le bourrelet 8 soumis à cette pression et qui vient buter contre l'arête de l'orifice 6. La pression hydrostatique exercée sur l'une des extrémités du joint 7 contribue donc à l'obtention d'un serrage et d'une étanchéité améliorés. D'autre part, du fait de la circulation du liquide dans le tube 2, la force qui tend à expulser ce tube 2 du manchon 7 est la résultante de la pression hydrostatique appliquée sur la surface qui est la différence entre les sections extérieure et intérieure du tube 2. Cette force est très largement inférieure à la force de frottement statique due à la compression R appliquée par le manchon 7 sur le tube 2, ce qui empêche l'expulsion de celui-ci. Un autre avantage de ce type de liaison provient d'une caractéristique des élastomères qui, le plus souvent, est un inconvénient: il s'agit de l'accommodement, phénomène de diffusion moléculaire qui tend à lier un élastomère au matériau contre lequel il est comprimé, si aucun mouvement relatif n'intervient pendant plusieurs semaines entre les deux parties en contact. Le dispositif de fixation étanche suivant l'invention présente encore de nombreux avantages. De par sa conception très simple, le manchon 7 est très peu coûteux à fabriquer et peut être mis très aisément et rapidement en place par un personnel non spécialisé. Ceci se traduit, pour les très grosses installations mentionnées précédemment, par un gain très appréciable sur le prix de revient des batteries. Par ailleurs, il permet l'assemblage final des tubes et des boîtes distributrices et collectrices sur le chantier, ce qui, dans de nombreux cas, simplifie les problèmes de transport. En outre, il permet le démontage individuel des tubes pour assurer des opérations de maintenance de l'installation. Il permet également la libre contraction des tubes à une température inférieure à la température de pose lors d'un arrêt possible des batteries pendant l'hiver.La conception même du dispositif selon l'invention autorise également de prévoir des tolérances très larges sur la longueur des tubes, celle-ci n'étant pas critique. Enfin, ce type de joint permet de monter indifféremment des tubes en métal, à ailettes ou non, en matière plastique ou autre dans des plaques qui peuvent également être réalisées en métal, en matière plastique ou autre matériau ap proprié. On se reportera maintenant à la Fig.3 qui représente une variante de réalisation du dispositif de la Fig.2 plus particulièrement destinée à être utilisée avec des tubes en matière plastique. Dans ce cas, en effet, quand la température du liquide est assez élevée, le tube peut fluer en se dilatant, ce qui entraîne une di minution du serrage. Pour éviter ce phénomène, on introduit dans le tube 2, au droit de l'orifice 6 et du manchon 7, un manchon métallique 10 de très fine épaisseur, par exemple de l'ordre de cinq di dixièmes de #lljm#tre. Ce manchons qui peut être par exemple en laiton ou en acier et monté en usine, s'oppose au fluage de la partie du tube 2 comprise entre le manchon 10 et le manchon 7 lors de la dilatation du tube. Pour le reste, les caractéristiques et avantages de cette variante sont les mêmes que ceux du mode de réalisation de la Fig.2. Une autre variante du dispositif de l'invention est représentée sur les Fig. 4 et 5 dans laquelle le manchon 7 est remplacé par un manchon 7' de forme plus élaborée. Ce manchon 7' comporte une collerette de retenue 11 de diamètre supérieur au diamètre extérieur du manchon 7' et un alésage interne 12 de forme cônique, avec un angle au sommet de 40 à 80 environ. Le diamètre d'entrée de l'alésage 12, du coté de la collerette 11, peut être légèrement supérieur au diamètre extérieur du tube, par exemple d'environ 0,5 à 1 millimètre. Par ailleurs, ce manchon 7' présente des caractéristiques analogues à celles du manchon 7 de la Fig.2. Le principe de la liaison mise en oeuvre dans cette variante est légèrement différent de celui du dispositif décrit plus haut, en ce sens que le serrage est progressif au lieu d'être constant sur toute la longueur du trou dans la paroi. C'est ainsi que le tube 2 est retenu dans le manchon 7' avec un faible jeu du côté de la collerette 11 et un serrage à l'extrémité opposée plus important que dans le cas du premier mode de réalisation. Le montage est identique et aussi aisé, grâce au lubrifiant vo volatil ou diffusant, et la liaison présente les mêmes caractéristiques. Dans cette variante, le fluage éventuel à chaud peut être évité, comme dans l'exemple de réalisation de la Fig.3, par l'introduction d'un manchon métallique de fine épaisseur dans le tube 2. Enfin, on pourrait également prévoir une collerette 11 dans le cas du manchon 7 à alésage cylindrique des Fig.2 et 3. REVENDICATIONS 1. Dispositif de fixation étanche d'un tube dans un orifice d'une paroi d'une enceinte dans laquelle est admis un fluide sous pression, caractérisé en ce qu'il comprend un manchon (7 ; 7') en un matériau élastique disposé autour dudit tube (2) et logé dans ledit orifice (6), la longueur du manchon (7;7') étant supérieure à ltépais- seur de la paroi (3) et ses dimensions transversales étant adaptées pour que le manchon(7;7') s'applique de façon étanche contre le tube (2) et l'orifice (6) en ménageant à chacune de ses extrémités, de part et d'autre de la paroi (3), un bourrelet périphérique de retenue (8). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (2), l'orifice (6) et la surface extérieure du manchon (7 ; 7') ont une forme cylindrique. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le diamètre extérieur du manchon (7;7') est au mO;n.s égal au diamètre de l'orifice (6) et, de préférence, supérieur de quelques dixièmes de millimètres à ce diamètre. 4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le manchon (7) a un alésage interne de forme cylindrique d'un diamètre au plus égal au diamètre extérieur du tube (2) et, de préférence, inférieur de quelques dixièmes de millimètres à ce diamètre. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le manchon (7') a un alésage intérieur (12) de forme cônique dont le diamètre est supérieur au diamètre du tube (2) à l'une de ses extrémités destinée à l'introduction du tube et dont le diamètre à l'autre extrémité est inférieur au diamètre du tube. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'un au moins des bourrelets (8) situé du côté du manchon (7') destiné à l'introduction du tube (2) est constitué par une collerette (11) de diamètre supérieur au diamètre extérieur du manchon (7'). 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit manchon (7; 7') est fixé par un adhésif ou une colle dans ledit orifice (6). 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est prévu un manchon métallique (10) de faible épaisseur à l'intérieur du tube (2), au droit dudit manchon (7; 7'). 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, en vue de l'introduction du tube (2) dans ledit manchon (7; 7'), l'extrémité correspondante (9) du tube (2) est chanfreinée. 10. Batterie de tubes d'échange thermique pour réfrigérant atmosphérique, dans laquelle les tubes sont fixés à l'une de leurs extrémités dans une plaque d'une boîte de distribution de liquide dans laquelle est admis le liquide à refroidir et à leur autre extrémité dans une plaque d'une boîte collectrice à partir de laquelle le liquide refroidi est évacué, caractérisé en ce que les tubes (2) sont fixés dans lesdites plaques (3) au moyen du dispositif de fixation étanche (7; 7'; 10) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9.