Brevet FR2470353A1 — publié le 19810529

24703S. L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur du type général comprenant un ou plusieurs faisceaux de tubes dans lesquels circule de la vapeur d'eau ou une autre vapeur et qui sont disposés de manière que l'air en balaie les rangées successives. L'invention se rapporte plus particulièrement à des échangeurs de chaleur perfectionnés de ce type dans lesquels chaque rangée de tubes de chaque fais- ceau est raccordée à une sortie séparée ou à un collecteur de condensat et ces différents collecteurs sont raccordés de leur côté à une cuve de purge du condensat au moyen de colonnes descendantes individuelles étanches à l'eau qui isolent les pressions régnant dans les collecteurs de sortie les unes des autres. Les échangeurs de chaleur de ce type sont généra- lement utilisés pour condenser la vapeur d'eau à l'échap- pement de la turbine d'une centrale de production d'énergie, bien qu'ils puissent être utilisés pour condenser d'autres vapeurs et, dans ce cas, ils peuvent être utilisés pour chauffer l'air qui est amené à balayer les tubes. Dans ce dernier cas, l'échangeur de chaleur n'est pas utilisé en dissipateur de chaleur dans l'atmosphère, mais en réchauffeur de grands volumes d'air ou de gaz à l'aide de vapeur d'eau utile. L'échangeur de chaleur de l'invention a pour particularité essentielle que le collecteur de sortie raccordé aux tubes de chaque rangée successive de tubes hori- zontaux est monté de manière que son extrémité inférieure se trouve audessous de l'extrémité supérieure du collecteur de sortie raccordé aux tubes de la rangée précédente. Donc, la pression de la colonne d'eau de chaque collecteur de sortie n'est pas limitée par la distance séparant verticalement les tubes des rangées successives et, si nécessaire, le collec- teur peut se prolonger verticalement sur une distance deux fois plus grande ou davantage que celle de cet espacement. Les collecteurs de sortie ont de préférence une section transversale sensiblement rectangulaire, leur cloison laté- rale étant orientée sensiblement dans la direction de la circulation de l'air et les tubes de chaque rangée successive balayés par l'air sont plus longs que ceux de la rangée précédente ainsi balayés par cet air. L'invention va être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limi- tatif et sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale d'un échangeur de chaleur selon l'invention; la figure 2 est une coupe selon la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une coupe transversale selon la ligne 3-3 de la figure 1; la figure 4 est une coupe longitudinale partielle à échelle agrandie et représente le raccord de la sortie de l'un des collecteurs à une colonne descendante d'étanchéité à l'intérieur de la cuve de purge de l'échangeur; la figure 5 est une coupe longitudinale partielle selon la ligne 5-5 de la figure 6; et la figure 6 est une coupe transversale de la cuve de purge selon la ligne 6-6 de la figure 5. L'échangeur de chaleur représenté sur les dessins et portant la référence générale 20 comprend un faisceau de tubes 21 formé de quatre rangées sensiblement horizontales, placées à faible distance les unes des autres, 21A, 21B, 21C et 21D de tubes à ailettes. L'extrémité droite des rangées de tubes, dans la représentation de la figure 1, est raccordée à un collecteur d'entrée 22 et l'extrémité gauche de ces tubes de chaque rangée 21A-21D, dans la repré- sentation de la figure 1, est raccordée à un collecteur individuel de sortie 23A, 23B, 23C et 23D. Comme l'indique la flèche A de la figure 1, l'air monte en balayant les faisceaux de tubes et donc successivement les rangées 21A à 21D de ces tubes de ce mode de réalisation représenté. La vapeur d'eau ou une autre vapeur condensable est introduite dans le collecteur d'entrée 22 de manière qu'elle passe dans les tubes du faisceau pour parvenir dans les collecteurs de sortie 23A à 23D. Lorsque cet échangeur de chaleur est utilisé en condenseur de vapeur d'eau, comme celui du mode de réalisation représenté, la totalité de la 24703f vapeur d'eau passant dans le faisceau de tubes est condensée par la circulation de l'air de refroidissement qui balaie ce faisceau, à l'exception -d'une petite quantité qui est soutirée avec les vapeurs non condensables. Le condensat ainsi qu'une petite quantité de vapeurs non condensées demeurent dans les collecteurs de sortie 23A-23D. Comme le montrent les figures 1 et 2, l'échangeur de chaleur 20 est semblable à celui que décrit le brevet des Etats-Unis d'Amérique NI 4 129 180 et comprend une section principale dans laquelle la vapeur d'eau est condensée ainsi qu'une section d'évacuation de gaz par laquelle une petite quantité de vapeur d'eau non condensée et les vapeurs non condensables se trouvant dans chacun des collecteurs de sortie 23A à 23D sont dirigées pour être refroidies davantage encore à l'air. A cette fin et comme décrit plus en détail dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique cité ci-dessus, un ou plusieurs tubes d'évacuation de gaz sont raccordés à la partie supérieure de chaque collecteur de sortie, chacun de ces tubes étant disposé à peu près horizontalement à l'inté- rieur du faisceau 21, dans l'une ou plusieurs des rangées 21A à 21D. Ainsi, comme le montre la figure 1, un tube 24A d'évacuation de gaz est raccordé à l'extrémité supérieure du collecteur de sortie 23A, un tube d'évacuation de gaz 24B est raccordé à l'extrémité supérieure du collecteur de sortie 23B, un tube d'évacuation de gaz 24C est raccordé à la partie supérieure du collecteur de sortie 23C et un tube d'évacua- tion de gaz 24D est raccordé à la partie supérieure du collecteur de sortie 23D. Comme le montrent par ailleurs les figures 1 et 2 et comme décrit en regard des différents modes de réalisation de l'échangeur de chaleur du brevet des Etats-Unis d'Amérique cité ci-dessus, les tubes d'évacuation de gaz qui sont raccordés à la première et à la seconde rangée de tubes 21A et 21B balayés par la circulation de l'air sont disposés de préférence à l'intérieur de la troisième rangée de tubes 21C également balayés à l'air. Ainsi, comme le montrent les figures 1 et 2, chacun des tubes d'évacuation de gaz 24A et 24B comprend une extrémité d'entrée orientée vers le bas et se prolongeant à travers l'extrémité supérieure du collecteur de sortie auquel il est raccordé. L'extrémité extérieure des tubes d'évacuation de gaz qui est située à proximité du collecteur d'entrée 22 est recourbée vers le haut et raccordée à un circuit d'évacuation d'air (non représenté) du type représenté et décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NI 4 129 180 cité ci-dessus. L'échangeur de chaleur 20 comprend aussi une cuve de purge 25 disposée verticalement et suspendue de toute manière convenable au-dessous des collecteurs de sortie 23A à 23D en un emplacement lui permettant de recevoir le condensat déversé par ces derniers. Des colonnes descendantes étan- ches à l'eau 26A à 26D sont disposées verticalement à l'intérieur de la cuve de purge dans laquelle elles sont fixées avec un espacement prédéterminé au moyen d'une plaque 27. L'extrémité supérieure des colonnes descendantes 26A à 26D étanches à l'eau est raccordée à un trou d'une plaque d'obturation 28 qui ferme l'extrémité supérieure de la cuve de purge, chacune de ces colonnes étant ainsi raccordée au collecteur individuel de sortie correspondant du faisceau par un autre tube 29A à 29D, ces tubes étant raccordés à l'extrémité inférieure au trou correspondant de la plaque d'obturation 28, tandis que leur extrémité supérieure est raccordée à l'extrémité inférieure des différents collec- teurs de sortie 23A à 23D. Ainsi, le condensat se trouvant à l'intérieur du collecteur de sortie 23A descend dans la cuve de purge par les tubes 29A et 26A et le condensat se trouvant dans les collecteurs de sortie 23B, 23C et 23D descend dans cette cuve par les tubes 29B et 26B, 29C et 26C ainsi que 29D et 26D. L'extrémité inférieure des tubes 29A à 29D et l'extrémité supérieure des colonnes descendantes étan- ches 26A à 26D sont raccordées aux trous de la plaque d'obturation 28 par des soudures convenables telles que représentées sur la figure 4. L'extrémité inférieure des colonnes descendantes étanches 26A à 26D se trouve au-dessous du niveau de liquide L qui est maintenu à l'intérieur de la cuve de purge à une hauteur déterminée par l'extrémité supérieure d'un tuyau de sortie 30 qui traverse l'extrémité inférieure de cette cuve. Dans le mode de réalisation représenté de l'invention, les vapeurs provenant de l'intérieur du collec- teur de sortie 23D qui est raccordé à la rangée 21D de tubes qui est la dernière à être balayée par l'air sont admises dans la cuve de purge audessus du niveau du liquide. Cette pression de vapeur est bien entendu supérieure à celle qui règne dans les autres collecteurs de sortie, car la chute de pression a été moins forte dans les tubes de la dernière rangée à être balayée par l'air que dans les tubes des autres rangées. Bien que le niveau du condensat à l'intérieur des colonnes descendantes étanches à l'eau ne soit pas repré- senté sur le dessin, on comprend d'après la description qui précède qu'il est sensiblement le même que le niveau L de condensat se trouvant à l'intérieur de la cuve de purge 25 dans la colonne descendante étanche à l'eau 26D, ces niveaux étant progressivement plus élevés à l'intérieur des colonnes descendantes 26C, 26B et 26A, respectivement. Comme le montre la figure 5, la vapeur se trouvant à l'intérieur du collecteur de sortie 23D est admise dans la cuve de purge au-dessus du niveau de liquide L par un tube 31 dont l'extrémité supérieure est raccordée à un autre trou de la plaque d'obturation 28 et dont l'extrémité infé- rieure se trouve au-dessus du niveau du liquide, comme le montre cette figure. Le tube 31 est fixé à la bonne position comme les colonnes descendantes étanches par la plaque d'alignement 27 par laquelle il passe. Le tube 31 est raccordé au collecteur de sortie 23D au-dessus du niveau du liquide se trouvant dans ce dernier au moyen d'un tube 32 dont l'extrémité inférieure est raccordée au trou mentionné de la plaque d'obturation 28 et l'extrémité supérieure traverse l'extrémité inférieure du collecteur de sortie 23D pour atteindre le niveau représenté sur la figure 5. Il doit être bien entendu, toutefois, que, si cette disposition est souhaitable, la pression de vapeur régnant à l'intérieur de l'un des autres collecteurs de sortie peut en variante être transmise à la cuve de purge au-dessus du niveau du liquide se trouvant dans cette dernière. Cette disposition modi- 2470353.. fierait bien entendu les hauteurs relatives des quatre colonnes étanches à l'eau et elle pourrait exiger quelques modifications mineures de la longueur des tuyaux et du niveau L à l'intérieur de la cuve de purge. Les vapeurs non condensables se trouvant à l'intérieur de la cuve de purge sont dirigées sur le circuit mentionné d'évacuation d'air au moyen d'un tube 33 (voir figure 1) dont l'extrémité inférieure est raccordée à un autre trou encore de la plaque d'obturation 28 et dont l'extrémité supérieure pénètre en montant dans le collecteur de sortie 23D et au moyen d'un conduit plus petit 34 dont l'extrémité inférieure est montée hermétiquement à l'inté- rieur de l'extrémité supérieure du tube 33 et dont l'extré- mité supérieure recourbée latéralement est introduite dans l'extrémité d'entrée du tube 24D d'évacuation de gaz. Comme le montre plus particulièrement la figure 2, le diamètre relativement petit du tube 34 ménage l'espace entre lui-même et le diamètre intérieur du tube 24D d'évacuation de gaz et la circulation des vapeurs non condensables et des vapeurs non condensées provenant du collecteur de sortie 23D est enfermée dans cet espace et contribue à aspirer les vapeurs non condensables vers le haut de la cuve de purge dans le tube 24D d'évacuation de gaz. L'air qui balaie le faisceau de tubes étant à la température la plus basse lorsqu'il passe sur la rangée infé- rieure 21A de tubes et donc la quantité de vapeur qui est condensée dans la rangée inférieure étant plus grande que celle qui l'est dans les rangées de tubes qui sont balayées par la suite par l'air, le collecteur 23A qui est à la sortie du faisceau est plus grand que les collecteurs de sortie 23B à 23D. De même, la colonne descendante étanche à l'eau 26A et le tube de raccord 29A sont plus grands que les colonnes descendantes étanches 26B à 26D et que les tubes de raccord 29B à 29D. La quantité totale de vapeur d'eau condensée dans chacune des rangées 21B à 21D étant davantage semblable, les collecteurs de sortie 23B à 23D et les tubes auxquels ils sont raccordés peuvent avoir sensiblement les mêmes dimensions pour des raisons commerciales. 247035: Les tubes de raccord 29A à 29D sont entourés par un écran métallique de calorifugeage 35 qui est monté sur la plaque d'obturation 28 et qui monte jusqu'à l'extrémité infé- rieure des collecteurs de sortie. Dans les environnements froids, une isolation thermique est introduite dans les trous de l'écran de manière qu'elle entoure les tubes de raccord et empêche que le condensat se trouvant dans ces derniers gèle lorsqu'il coule des collecteurs de sortie dans la cuve de purge. A cet égard et comme expliqué dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NI 3 968 836, la tuyauterie des vapeurs condensables chaudes provenant de l'intérieur du collecteur de sortie 23D ou d'un autre collecteur de sortie -et qui pénètre dans la cuve de purge 25 dans laquelle elle est formée des tubes 31 et 32 est aussi destinée à chauffer les colonnes descendantes étanches à l'eau qui se trouvent dans cette cuve et donc elle contribue à les empêcher de geler à l'intérieur de la cuve de purge dans les environnements semblables. Comme expliqué aussi dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique cité ci-dessus, un petit trou de purge 36 réalisé dans le tuyau de purge 30 permet au condensat d'être évacué automatiquement de la cuve lorsque le système de condensation de la vapeur d'eau est mis hors service. Comme décrit précédemment, chacun des collec- teurs 23B à 23D est allongé verticalement de manière que son extrémité inférieure se trouve au-dessous de l'extrémité supérieure du collecteur de sortie raccordé aux tubes de la rangée précédente afin d'obtenir une pression suffisante dans les colonnes de condensat pour en garantir l'écoulement convenable de leur sortie dans la cuve de purge. En d'autres termes, l'extrémité inférieure du collecteur de sortie 23B est située audessous de l'extrémité supérieure du collecteur de sortie 23A, l'extrémité inférieure du collec- teur de sortie 23C est située au-dessous de l'extrémité supérieure du collecteur 23B et l'extrémité inférieure du collecteur 23D est située au-dessous de l'extrémité supé- rieure du collecteur 23C. Dans le mode de réalisation parti- culier de l'invention qui est représenté, l'extrémité inférieure du collecteur de sortie 23B atteint sensiblement le même niveau que l'extrémité inférieure du collecteur de sortie 23A. On observe également que l'extrémité inférieure des collecteurs de sortie 23C et 23D peut se trouver à un niveau inférieur à celui qui est représenté et, en réalité, elle peut atteindre un niveau aussi bas que l'extrémité inférieure du collecteur de sortie précédent 23B sans accroître la cote en hauteur de la section de l'ensemble de l'échangeur de chaleur qui est occupée par les collecteurs de sortie. Il doit être aussi bien compris d'après la description qui précède que cet échelonnement horizontal de l'extrémité inférieure des collecteurs de sortie simplifie leur raccord à l'extrémité supérieure des colonnes descen- dantes étanches à l'intérieur de la cuve de purge, car il suffit que chaque tube de raccord 29A à 29D consiste en un tronçon rectiligne de tuyau tel que représenté. De même et comme mentionné précédemment, chacun des collecteurs de sortie de chaque faisceau a une section transversale rectangulaire et sa cloison latérale verticale intérieure à laquelle les tubes d'une rangée du faisceau sont raccordés est disposée à proximité de la cloison latérale verticale extérieure du collecteur de sortie précédent. Comme décrit précédemment, cette disposition permet à chacun des collecteurs 23B à 23D, ainsi qu'au collecteur 23A, d'être fabriqués de manière simple et bon marché, par exemple par roulage et soudage de feuilles planes de métal. Ce mode de réalisation avantageux des collecteurs de sortie est tel que les tubes des rangées ont des longueurs différentes, l'extré- mité gauche des tubes de chaque rangée, dans la représen- tation de la figure 1, étant placée au-dessus de l'extrémité supérieure du collecteur de sortie précédent à leur raccord au collecteur de sortie suivant. En d'autres termes, les tubes de la rangée 21B sont situés audessus de l'extrémité supérieure du collecteur de sortie 23A à leur raccord à la partie supérieure du collecteur de sortie 23B, les tubes de la rangée 21C sont situés au-dessus de l'extrémité supérieure du collecteur de sortie 23B à leur lieu de raccord à la partie supérieure du collecteur de sortie 23C et les tubes de la rangée 21D sont situés audessus de l'extrémité supérieure du collecteur de sortie 23C à leur emplacement de raccord à la partie supérieure du collecteur de sortie 23D. 1 0 REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur comprenant un faisceau (21) de tubes disposés en plusieurs rangées parallèles (21A- 21D) et orientés à peu près horizontalement, ces rangées de tubes se succédant dans le sens de la circulation de l'air (A) qui les balaie, un collecteur d'entrée (22) étant destiné à introduire de la vapeur à une extrémité des tubes des rangées et chacun de plusieurs collecteurs de sortie (23A- 23D) étant raccordé à l'extrémité opposée des tubes de ces rangées (21A21D) afin d'en recevoir le condensat et les vapeurs non condensées, échangeur caractérisé en ce que l'extrémité inférieure d'un collecteur de sortie (23A-23D) raccordé aux tubes de chacune des rangées successives (21A- 21D) est située au-dessous de l'extrémité supérieure du collecteur de sortie raccordé aux tubes de la rangée précé- dente, chacun de ces collecteurs de sortie comportant une sortie à l'extrémité inférieure, une cuve (25) de purge du condensat étant placée à peu près verticalement au-dessous des collecteurs de sortie et renfermant plusieurs colonnes descendantes étanches à l'eau (26A-26D), des raccords (29A-29D) reliant la sortie des collecteurs de sortie à l'une des colonnes descendantes étanches à l'eau (26A-26D), un élément (30) placé à l'intérieur de la cuve de purge (25) étant destiné à maintenir dans cette dernière le niveau du condensat (L) au-dessus de l'extrémité inférieure desdites colonnes descendantes étanches (26A-26D) afin d'isoler les pressions régnant dans lesdits collecteurs de sortie (23A-23D) les unes des autres, un élément de raccord (31, 32), dont une extrémité se trouve au-dessus de l'extrémité inférieure de l'un des collecteurs de sortie (23D), reliant ce dernier à un emplacement de la cuve de purge (25) qui est situé au-dessus dudit niveau du condensat (L) afin d'intro- duire la vapeur non condensée de ce collecteur de sortie (23D) dans cette cuve et un élément de purge automatique (36) étant destiné à évacuer le condensat de la cuve (25) lorsque le circuit de condensation de vapeur est mis hors service. 2. Echangeur de chaleur comprenant un faisceau (21) formé de plusieurs rangées parallèles de tubes (21A-21D) qui sont disposés à peu près horizontalement et se succèdent dans le sens de la circulation de l'air (A) qui les balaie, un collecteur d'entrée (22) étant destiné à introduire de la vapeur à une extrémité des tubes de ces rangées (21A-21D) et chacun de plusieurs collecteurs de sortie (23A-23D) étant raccordé à l'extrémité opposée des tubes de l'une de ces rangées (21A-21D) afin d'en recevoir le condensat et les vapeurs non condensées, échangeur caractérisé en ce que chacun desdits collecteurs de sortie (23A-23D) a une section transversale sensiblement rectangulaire formée de cloisons latérales verticales et son extrémité inférieure est située au-dessous de l'extrémité supérieure du collecteur de sortie raccordé aux tubes de la rangée précédente, les tubes de chaque rangée successive étant plus longs que ceux de la rangée précédente et passant au-dessus de l'extrémité supérieure du collecteur de sortie raccordé aux tubes de la rangée précédente, chacun de ces collecteurs comportant une sortie à l'extrémité inférieure, une cuve de purge sensi- blement verticale (25) étant placée sous les collecteurs de sortie (23A23D) et logeant plusieurs colonnes descendantes étanches (26A-26D), des raccords (29A-29D) reliant la sortie de chacun desdits collecteurs de sortie (23A-23D) à l'une desdites colonnes descendantes étanches, un élément (30) de maintien du niveau du condensat (L) qui se trouve à l'intérieur de la cuve de purge (25), au-dessus de l'extrémité inférieure desdites colonnes descendantes étanches (26A-26D), assurant l'isolation des pressions régnant dans chacun desdits collecteurs de sortie (23A-23D) les unes des autres et un élément de raccord (31-32) reliant un emplacement du volume interne de l'un des collecteurs de sortie (23D) qui est situé au-dessus de son extrémité infé- rieure à un emplacement du volume interne de la cuve de purge (25) qui est situé au-dessus du niveau du condensat (L) se trouvant dans cette dernière de manière à introduire les vapeurs non condensées de ce collecteur de sortie dans cette cuve de purge.