Brevet FR2361621A1 — publié le 19780310

La présente invention se rapporte à un serpentin d'échangeur thermique comportant au moins un serpentin creux spiralé autour d'un noyau et formant un canal d'écoulement continu. De tels serpentins d'échangeurs thermiques sont particulièrement employés dans l'industrie chimique pour la mise en oeuvre des réactions les plus différentes pour lesquelles on doit apporter ou évacuer de la chaleur. D'après les brevets suisses 461.962 et 484.366 on connaît un serpentin d'échangeur thermique dans lequel une barre profilée ouverte vers l'intérieur est enroulée en spirale autour d'un noyau cylindrique et est soudée à ce noyau. La barre profilée forme, conjointement avec le noyau, le serpentin creux. Ce mode de réalisation présente des inconvéninents considérables.Dans de telles constructions soudées, il apparait, malgré toutes les mesures que l'on prend habituellement, des tensions provoquant une usure permanente du matériau dans la zone des cordons de soudure, et ceci d'autant plus qutil s'agit, pour des échangeurs thermiques à serpentins, de machines qui sont soumises de toute façon à des tensions dues à des variations de température, et que ces dispositifs présentent une forme défavorable pour les tensions ou contraintes en construction soudée, et qu'en outre, dans de nombreux cas, ils sont généralement soumis à l'action de forces considérables. En particulier, on ne peut toujours assurer avec ces serpentins connus la parfaite étanchéité des liaisons, entre la barre profilée et le noyau,-nécessaire dans de nombreuses applications. D'après le modèle d'futilité allemand 1.968.660 et la demande de brevet allemand 1.551.554, on connait un serpentin d'échangeur thermique dans lequel les trajets creux de serpentins sont coulés en une seule pièce. De tels serpentins évitent en effet les inconvénients précités, mais sont très coflteux à réaliser. On connait d'après la demande de brevet allemand 1.751.961 un serpentin d'échangeur thermique dans lequel le serpentin est formé par un profil creux sans jointure, qui est enroulé en spirale autour d'un noyau et est soudé à ce dernier. Le profil creux ou tube peut présenter une section circulaire, rectangulaire ou trapézoidale. Ce serpentin connu peut etre fabriqué relativement facilement et à un prix relativement bas et est également suffisamment étanche et stable. Un inconvénient important de cette construction réside dans sa précision relativement faible en soi, précision décroissant rapidement lorsque le rapport de la hauteur ou de la profondeur du serpentin au diamètre du noyau augmente.Dans beaucoup de cas, en particulier dans des échangeurs thermiques à serpentins avec deux serpentins entrelacés, on exige des tolérances très serrées pour la précision et le dimensionnement de la pente des flancs et du pas du serpentin, tolérances que l'on ne peut maintenir que très difficilement, dans le cas de ces serpentins, par un relativement comateux usinage ultérieur par enlèvement de matière (par tournage). I1 s'est avéré en pratique que cet usinage ultérieur entrasse des variations considérables de l'épaisseur de paroi des serpentins, ce qui entraine un transfert thermique non homogène. La présente invention a pour objet un serpentin d'échangeur thermique de haute précision, absolument étanche et relativement facile à réaliser. Le serpentin- d'échangeur thermique conforme à la présente invention est caractérisé par le fait que le trajet de serpentin ou serpentin proprement dit est formé par deux éléments de paroi formant une seule pièce avec le noyau et reliés entre eux le long de leur bords sans discontinuité de matière, de préférence par soudage ou brasage. Le serpentin conforme à la présente invention nécessite en effet un soudage, mais, à la différence des serpentins connus, il ne comporte qu'un seul sordon de soudure qui, en outre, se trouve dans une zone moins critique du trajet de serpentin et est également plus facilement accessible, ce qui fait qu'il peut être fabriqué relativement facilement avec une précision suffisante. La présente invention se rapporte également à un procédé de fabrication du serpentin échangeur thermique. Le procédé conforme à la présente invention est caractérisé par le fait que l'on fabrique à partir d'une pièce brute un noyau comportant, par trajet de serpentin, deux éléments de paroi saillant radialement, mutuellement décalés axialement, et s'étendant en spirale autour du noyau, et par le fait que l'on relie entre eux, sans discontinuité de matière, les deux éléments de paroi en réunissant leurs bords libres et en établissant une liaison sans discontinuité de matière le long desdits bords. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé dont les figures 1 à 4 montrent quatre étapes de fabrication du serpentin conforme à la présente invention. Pour fabriquer le serpentin conforme à la présente invention, on fabrique tout d'abord à partir d'une pièce brute cylindrique, par un usinage par enlèvement de matières connu en soi (fraisage, perçage, tournage), le dispositif dont la forme est représentée sur la figure 1. Ce dispositif comporte un noyau cylindrique creux 1 et deux éléments de paroi 2a et 2b qui font saillie radialement. Les deux éléments de paroi se présentent sous forme de surfaces hélicoîdales enroulées autour du noyau et axialement décalées entre el-les. A l'étape d'usinage suivante, on rabat ou incline les éléments de paroi 2a et 2b saillant radialement l'un vers l'autre selon une direction axiale et on les réunit de telle façon qu ils se touchent le long de leurs bords 2c ou 2d (voir figure 2). Ensuite, on soude les deux éléments de paroi 2a et 2b le long de leurs bords libres se touchant et ils forment alors avec le noyau 1 un trajet de serpentin 2 continu (voir figure 3). Enfin, on dispose aux extrémités du noyau 1 des axes 3 et 4 pour supporter le serpentin et pour amener et évacuer le milieu échangeur thermique (voir figure 4). L'axe 3 comporte un perçage 3a qui est aligné avec une ouverture 5a pratiquée dans la paroi du noyau et relie ainsi l'espace intérieur la du noyau 1 avec l'une des extrémités du trajet de serpentin 2. L'axe 4 est creux et comporte une conduite coaxiale 4a qui débouche dans l'espace intérieur la du noyau 1. L'espace creux 4b de l'axe 4 est relié par I'intermdiaire d'un perçage 4c et d'une ouverture correspondante 5b pratiquée dans la paroi du noyau à l'autre extrémité du trajet de serpentin 2. Le serpentin d'échangeur thermique ainsi fabriqué est particulièrement précis en ce qui concerne la pente de ses flancs et son pas ou trajet et ne nécessite, le cas échéant qu'un post-usinage minimal qui n'influence pratiquement pas l'épaisseur de paroi du trajet de serpentin. En outre, le trajet de serpentin est absolument étanche pour une liaison irréprochable des deux éléments de paroi. REVEN MCATIONS 1. Serpentin dQéchangeur thermique comportant au moins un trajet de serpentin creux s'étendant en spirale autour d'un noyau et formant un canal d'écoulement continu, caractérisé par le fait que le trajet de serpentin proprement dit est réalisé par deux éléments de paroi formés en une seule pièce avec le noyau et reliés entre eux sans discontinuité de matière le long de leurs bords libres, de préférence par soudage ou brasage. 2. Procédé de fabrication d'un serpentin selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on fabrique à partir d'une pièce brute un noyau avec deux éléments de paroi par trajet de serpentin, éléments de paroi saillant radialement et mutuellement décalés dans le sens axial en s'étendant em spirale autour du noyau, et que l'on réunit les deux éléments de paroi par leurs bords libres et qu'on les relie sans discontinuité de matière le long de ces bords. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lgon réalise le noyau avec les éléments de paroi à partir de la pièce brute par fraisage et tournage.