Brevet FR2356494A1 — publié le 19780127

La présente invention concerne un échageur de chaleur à faisceau tubulaire et un procédé de fabrication d'un tel echan- geur, ot les tubes du faisceau, montes entre deux plaques de base parallèles, débouchent sur les faces opposées de celles-ci qui délimitent avec une enveloppe externe des compartiments ou collecteurs séparés, réunis à des piquages d'entree et de sortie respectivement pour un fluide primaire caloporteur circulant å l'interieur ou à l'exterieur des tubes et pour un fluide secondaire échangeant des calories avec le fluide primaire et s'écoulant inversement a l'exterieur ou à l'interieur de ces mêmes tubes. On sait que la réalisation d'échangeurs à faisceau tubulaire de ce genre nécessite habituellement un usinage précis des deux plaques de base pour définir d'abord les axes du réseau selon lequel se repartissent les tubes du faisceau, les autres étapes de la fabrication consistant à percer ces plaques pour ménager dans celles- ci des alésages aptes à recevoir les extre- mites des tubes, puis a assembler les tubes et les plaques par dudgeonnage, suivi éventuellement d'un soudage.Ces opérations exigent pour conduire a une étanchéité et une tenue mécanique satisfaisante de l'echangeur, compte tenu des sollicitations auxquelles sont soumises les liaisons entre ces tubes et ces plaques au cours de l'utilisation de l'appareil, un état de surface des plaques et en particulier des alésages des trous recevant les tubes, particulièrement soigné. I1 en résulte que le prix de revient de ces échangeurs est tout spécialement grevé par ces opérations d'usinage qui présentent en outre d'autant plus de difficultés à être mises en oeuvre que les dimensions transversales des plaques et le nombre des tubes du faisceau deviennent plus importants.Enfin, la technique classique d'usinage des plaques conduit à une certaine limitation de la densité des tubes dans les faisceaux, l'operation de dudgeonnage d'un tube pouvant, dans le cas de faisceaux trop denses, produire des deformations sur les alésages prévus pour recevoir les tubes voisins, et, au total, limiter les performances de l'appareil réalisé. La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur a faisceau tubulaire du genre ci-dessus et également un procédé de fabrication d'un tel échangeur, qui permettent notamment de rdduire dans des proportions considérables le prix de revient de l'appareil, celui-ci présentant néanmoins les caractéristique de fonctionnement au moins équivalentes sinon même sensiblement ameliorees par rapport aux appareils classiques, notamment en ce qui concerne la résistance à la corrosion par les fluides traversant l'8changeur et la réduction de poids pour un même encombrement.L'invention vise également 3 réaliser un échangeur présentant une densité plus élevée des tubes dans le faisceau et à donner à ces tubes, en particulier leur section droite, un profil rigoureusement quelconque, augmentant notamment leur surface d'échange pour un même en combrementt ce qui est exclu avec le procédé d'usinage où la nature même de la méthode de liaison entre les plaques de base et les extrémités de ces tubes, ne permet d'envisager que la realisation d'alésages cylindriquesç A cet effet, le procedd considéré, pour la fabrication d'un échangeur comportant, monté à l'intérieur d'une enveloppe externe, un faisceau de tubes parallèles raccordés à leurs extrémités à deux plaques de base, se caractérise en ce qu'il consiste à disposer verticalement les tubes du fais- ceau dans un support amovible maintenant ces tubes selon un réseau déterminé, à faire reposer les extrémités inferieures de ces tubes sur le fond horizontal d'un moule, à couler dans ce moule une résine polymérisable apte à remplir les espaces laissés libres entre les tubes, la quantité de résine coulée dans le moule determinant l'Epaisseur d'une des plaques de base de l'echangeur, à retirer le moule apres polymérisation de la résine, à retourner le faisceau des tubes bout sur bout pour appliquer sur le fond du moule l'extrémité opposee de ces tubes, à renouveler l'operation de coulee de résine pour constituer la deuxième plaque de base, puis à monter sur les deux plaques, après retrait du support amovible, l'enveloppe externe de ltechangeure Selon une caractéristique particulière du procédé, on dispose sur chaque extrémité des tubes du faisceau, prea- lablement a la coulée de la résine dans le moule, un joint torique, à noyer dans la plaque de base correspondante pour compléter l'étanchéité à la liaison entre tubes et plaques. Dans un mode de mise en oeuvre particulier du pro cede considéré, on ménage sur le fond du moule des logements, aptes a recevoir les extrémités des tubes du faisceau pour fixer exactement avec le support amovible l'ecartement des axes des tubes dans le réseau. Selon une autre caractéristique également, on constitue le moule de coulée de la résine au moyen dtune plaque de fond reposant sur une table d'appui plane et d'une cerce latérale, bordant la périphérie de la plaque de fond et dépassant celle-ci a l'oppose de la table d'appui pour former le côté du moule, cette cerce étant revêtue dans sa surface interne, en regard du faisceau des tubes, par un dépôt d'un matériau de démoulage, facilitant la séparation de la cerce et de la plaque de base en résine polymérisée. De préférence, la résine coulée dans le moule est une résine epoxy, éventuellement armez par inclusion de charges améliorant la rigidité, l'inerite et la résistance mécanique des plaques de base. Selon diverses variantes de mise en oeuvre, les charges incluses dans la résine sont constituées par de l'alun, de l'alumine, des fluorures, de l'ardoise, de l'argile expansée, des carbonates, des silicates, des produits verriers (films, particules ou billes de verre), ou toute autre substance adaptée aux conditions de fonctionnement envisagées, L'invention concerne par ailleurs un échangeur de chaleur, réalisé par le procédé ci-dessus ou par tout autre procédé échangeur comprenant à l'intérieur d'une enveloppe externe munie de piquages d'entre et de sortie de deux fluides échangeant des calories, un faisceau de tubes monte entre deux plaques de base parallèles, étant caractérisé en ce que les plaques de base sont realisees en une résine polymérisée. De préférence, les tubes du faisceau comportent a chacune de leurs extrémités un joint torique en matériau élastique, monte force sur les tubes et noye dans l'epais- seur des plaques de base correspondantes. Selon une autre caracteristique avantageuse de l'echangeur, les tubes du faisceau présentent une section quelconque circulaire, polygonale ou autres En variante, les tubes du faisceau peuvent être des tubes a ailettes, dont celles qui sont prévues aux extrémités des tubes sont noyées dans la plaque de base en résine correspondante. Dlautres caractéristiques d'un echangeur de chaleur selon l'invention et d'un procédé particulier de fabrication de cet échangeur, apparattront encore à travers la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre, donne à titre indicatif et non limitatif, en réference aux dessins annexes sur lesquels :: ; la Fig. 1 est une vue schEmatique, en élevation, d'un échangeur, réalise conformement a llinvention, - la Fig, 2 est une vue de détail à plus grande échelle, illustrant une étape essentielle de mise en oeuvre du procédé de fabrication consideréO On précisera tout d'abord qugil existe dans la technique des échangeurs de chaleur réalisés entièrement en un matériau plastique, notamment en polytétraflouroéthylène. Toutefois, ces appareils sont dsun usage relativement limité et notamment ne permettent pas des utilisations industrielles courantes du fait de leur résistance mécanique généralement insuffisanteo De même, il est déjà connu de constituer des échangeurs a plaques métalliques, od les tubes du faisceau également metalliques s'engagent dans des aléasages de ces plaques presentant des cotes diamétrales en excès, le jeu laisse libre au montage entre les tubes et la paroi de ces alésages étant ensuite comblé par une résine de liaison, du genre araldite ou autre. La présente invention concerne tout autre genre de réalisation dans lequel les plaque de base de l'Echangeur sont entièrement realisees en un materiau plastique, notamment en une résine epoxy ou analogue, les tubes du faisceau metalliques ou non, étant rendus solidaires de ces plaques lors de l'opération de fabrication de ces dernières ellesmêmes, ce qui evite tout usinage préalable ou ultérieur de ces plaques, Sur la Fig, 1! on a ainsi représenté un échangeur de chaleur selon l'inventionç Cet échangeur, désigné dans son ensemble sous la référence 1, comporte de manière classique, un faisceau de tubes parallèles 2, notamment en un matériau metal- lique, mais quif le cas échéant, pourraient être de nature dif férente, Ces tubes 2 sont montes entre deux plaques de base parallèles, respectivement 3 et 4, dont la nature et le mode de fabrication selon l'invention seront exposes ci-aprèsç Le fais- ceau des tubes 2 avec ses plaques de base 3 et 4y est monte l 'intérieur d'une enveloppe externe, constituée d'une virole latérale 5 sur laquelle sont raccordes des fonds hémisphériques, respectivement 6 et 7! la virole et les fonds étant assembles au moyen de brides par l'intermédiaire d d écrous de blocage 8. La virole 5 comporte deux piquages, permettant le raccordement de l'Echangeur avec des tuyauteries d'amenée et de sortie, respectivement 9 et 10, dsun premier fluide circulant entre les tubes 2, à l!exterieur de ces derniers, Ce premier fluide échange des calories à travers la parol des tubes avec un second fluide, amené puis recueilli dans deux collecteurs d'extrEmite, délimités entre les plaques de base 3 et 4 et les fonds 6 et i de l'enveloppe externe, ces collecteurs étant raccordés par des piquages à des conduits respectivement 11 et 12 d'amenée et de sortie de ce second fluide.De façon connue, lYechangeur peut également comporter, entre le faisceau des tubes 2 et les plaques 3 et 4, des chicanes 12, imposant au premier fluide circulant à l'exterieur des tubes un trajet approprié. En outre, des moyens de raidissement additionnels du genre de tirants 13 r peuvent être montes entre les plaques 3 et 4 avec immobilisation par des moyens d'ancrage 13a dans lwépaisseur de ces plaques, Conformément à l'invention, les plaques de base 3 et 4 å travers lesquelles débouchent les extrémités des tubes 2 du faisceau, sont realisees en une résine syntheti- que, polymérisable, assurant une liaison appropriée entre les tubes et les plaques sans avoir a procéder à aucun usinage de celles-cio A cet effet et selon un procédé de réalisation particulier, le faisceau des tubes 2 est monte verticalement sur une structure de support amovible 15 (Fig. 2), dont le détail importe peu à la présente invention, cette structure ayant seulement pour but de positionner les tubes 2 selon la géométrie du réseau désiré et à-permettre liapplication de l9extrémité inférieu- re Sa de ces tubes dans des logements de réception 16, prévus dans le fond 17 d'un moule.Ce fond 17 repose sur une table d'appui horizontale 18, sur laquelle est fixée une cerce latérale l9, délimitant le cbte du moule entourant la partie inférieure des tubes, -La surface interne de la cerce 19 et éventuellement le fond 17 du moule étant revêtus d e un dépôt convenable 20 d'un matériau de démoulage approprie, on procède à la coulée dans ce moule d'une quantité convenable de résine 21 qui, sous forme suffisamment liquide, vient remplir les espaces entre les tubes 2, en assurant au fur et à mesure de son durcissement par polymérisation a l'air une liaison étroite entre ceux cia De préference, et préalablement a la couche de résine, les extrdmitXs des tubes 2 sont munies, à une distance convenable de leur--extrémité 2a pénétrant dans les logements 16 de la plaque de fond 17 de joints toriques d'étanchFité 22 en un matériau élastique! ces joints montés à force sur les tubes étant ensuite noyes dans la résine 21 lors de la coulée de cette dernìbreO Les joints 22 peuvent avoir une section circulaire ou meme rectangulairet en étant réalises à l'emporte pièce dans une rondelle prise dans une plaquez Cette seconde solution présente llavantage d'un contact plus important du joint avec la surface du tube correspondant, empêchant notamment la résine de se glisser entre le tube et le joint, ce qui permet de mieux conserver audit joint ses propriétés élastiques après polymérisation de cette résine. La quantité de résine déposée dans le fond du moule est dEter- minée selon liépaisseur préalablement calculée de la plaque de base en fonction des sollicitations mécaniques a prévoir ulte- rieurement. A noter, comme on le voit sur la Fig, 2, que du fait de la viscosité de la résine, cette dernière se répartit dans le fond du moule en formant un menisque concave dont 19épais- seur dans sa partie centrale est plus faible que dans ses bords latéraux, cette disposition étant d9aiLleurs favorable à la tenue mécanique de la plaque de base, La résine utilisée pour la coulée des plaques de base de léchangeur est de préférence une résine époxy, qui Peut être armée ou chargée à l'aide d'inclusions de toute nature, notamment à base d'alun, d'alumine, de fluorure, d'ardoise ou d'argile expansée ou de carbonates, ces inclusions n'étant pas limitatives. En variante également, la résine utilisée peut être une résine polyester. La présence de joints d'etancheite montes autour des extrémités des tubes du faisceau et noyés dans les plaques de base, procure un avantage en cas d'un effort particulier sur l'un des tubes du faisceau produisant une désolidarisation partielle du tube par rapport à la plaque, le joint correspondant permettant dans cette éventualité, de maintenir ltétancheite nécessaire entre les collecteurs des fluides de part et d'autre de la plaque, D'une façon générale, il va de soi que la réali- #cation d'un échangeur à l'aide du procédé ci-dessus de tout autre procédé équivalent (par exemple du genre à moule perdu pour des plaques de faible epaisseur) e ne préjuge pas de ses applications ou de ses utilisations, A noter toutefois, que grâce à un choix convenable des matériaux constituant les tubes du faisceau, les plaques de base et leenveloppe externe, il est possible d'adapter aisément l'échangeur considère à des solutions mettant en Jeu des fluides corrosifs, et en particulier dans le cas où l'un de ces fluides est constitue par de l'eau de mer, l'echangeur pouvant être aussi bien un simple appareil d'échange thermique, qulun bouilleur, un surchauffeur, un gene- rateur de vapeur, etcr Les tubes du faisceau peuvent par ailleurs présenter n'importe quelle forme appropriée, et en particulier n'importe quelle section, la méthode de fabrication des plaques de base s'accommodant de tout profil. En particulier, au lieu d'utiliser des tubes circulaires comme dans les solutions classiques, il devient possible dYavoir recours à des tubes de section polygonalet notamment rectangulaire ou autres, présentant pour un mame encombrement, une surface d'echange plus importante, Le cas échéant, on peut envisager de mettre en oeuvre des tubes à ailettes sans avoir à rectifier cellesci aux extrémités des tubes, le procede en noyant les bouts de tubes dans la résine de la plaque n'exigeant aucune pre- paration spéciale prealablee Enfinr il résulte de ce qui précède que les dispositions de l'invention permettent d'améliorer sensiblement la densité des tubes dans le fais- ceau par rapport aux solutions classiques avec usinage des Plaques, la seule limite étant de maintenir entre les extré mités des tubes dans les plaques de base, une séparation suffisante pour ne pas nuire d la résistance mécanique de cette plaque. L'échangeur de chaleur envisagé conduit enfin dans toutes ses solutions de réalisation à une limitation consi dérable du prix de revient, avec en outre, une réduction de poids sensible vis-à-vis des appareils a plaques metalliques usinées, le rapport du métal à la résine étant en général voisin de 1 a 4. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur comportant, monte à l'interieur d'une enveloppe externe un faisceau de tubes parallèles, raccordes a leurs extrémités à deux plaques de base, caractérisé en ce qu'il consiste à dis poser verticalement les tubes du faisceau dans un support amovible maintenant ces tubes selon un reseau détermine, faire reposer les extrémités inférieures de ces tubes sur le fond horizontal d'un moule, couler dans ce moule une résine polymérisable apte à remplir les espaces laissés libres entre les tubes, la quantité de résine coulée dans le moule determi- nant l'épaisseur d'une des plaques de base de L'échangeur, à retirer le moule après polymérisation de la résine, à retourner le faisceau des tubes bout sur bout pour appliquer sur le fond du moule l'extremité opposée de ces tubes, à renou veller l'operation de coulée de résine pour constituer la deuxième plaque de base, puis a monter sur les deux plaques, après retrait du support amovible, l'enveloppe externe de l'echangeur. 2. Procède selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dispose sur chaque extrémité des tubes du fais ceau, préalablement å la coulez de la résine dans le moule, un joint torique, à noyer dans la plaque de base correspon dante pour compléter l'etancheite à la liaison entre tubes et plaques. 3. Procédé selon la revendication 1, caracterisé en ce qu'on ménage sur le fond du moule des logements, aptes à recevoir les extremites des tubes du faisceau pour fixer exactement avec le support amovible l'ecartement des axes des tubes dans le réseau. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on constitue le moule de coulée de la résine au moyen d'une plaque de fond reposant sur une table d'appui plane et d'une cerce latérale, bordant la périphérie de la plaque de fond et dépassant celle-ci à l'opposé de la table d'appui pour former le côté du moule, cette cerce étant reve- tue dans sa surface interner en regard du faisceau des tubes, par un dépôt d'un matériau de démoulage, facilitant la sepa- ration de la cerce et de la plaque de base en résine polyme- #rissée. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il utilise pour constituer les plaques de base, une résine epoxy, éventuellement armée par inclusion de charges. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérise en ce que les charges incluses dans la résine sont choisies parmi l'alun, l'alumine, les fluorures, l'ardoise, l'argile expansée, les carbonates, les silicates ou les produits verriers. 7. Echangeur de chaleur faisceau tubulaire, comprenant a l'interieur d'une enveloppe externe munie de piquages d'entrée et-de sortie de deux fluides échangeant des calories, un faisceau de tubes monté entre deux plaques de base parallèles, caractérise en ce que les plaques de base sont réalisées en une résine polymérisée. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7 caractÉrisé en ce que les tubes du faisceau comportent à chacune de leurs extremitEs Un joint torique en matériau élastique, monté à force sur les tubes et noyé dans ltepais- seur des plaques de base correspondantes, 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les tubes du faisceau présentent une section quelconque, circulaire, polygonale ou autre. 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les tubes du faisceau sont des tubes a ailettes.