Brevet FR2478292A1 — publié le 19810918

L'invention concerne la conception et la construction d'éehangeurs de chaleur tubulaires. Les matériels construits selon l'Invention sont utilisable dans les industries chimiques, pétrochi.miques, parachimiques, de raffinage pétrolier et de production d'énergie. Les appareils selon l'invention sont plus spécialement conçus pour réaliser un échange de chaleur entre un fluide devenant progressivement corrosif circulant à l'intérieur des tubes et un fluide (corrosif ou non) à l'éxtérieur des tubes. Fluide proeressivement corrosif : définition Les conditions de pression et de température à ltentrée de l'appareil sont telles que les constituants du fluide ne sont pas corrosif - ou très peu -. La progression du fluide de l'entrée à la sortie de l'échangeur s'accompagne d'une série de réacti.ons chimiques dont les produits sont corrosifs. Si au contraire le fluide entrant dans les tubes est plus corrosif que le fluide sortant, l'appareil suivant l'invention pourra être parcouru dans l'autre sens. Les fumées de fours sont l'exemple le plus important de fluide devenant progressivement corrosif. Dans cet exemple l'invention peut être utilisée dans l'installation d'in- cinérateurs, fours ou chaudières industrielles des industries precedemment mentionnées. Fumées de fours La combustion de charbon, fuels lourds, gaz de toutes origines s'accompagne entre autres de la production de - dioxyde et trioxyde de soufre - composés métalliques des métaux traces tels que le Vanadium, chrome, molybdène. Avec la vapeur d'eau il y a d'une part formation d'acide sulfurique dès que la température descend en dessous de 1300C environ (suivant les pressions partielles des autres produits de combustion). D'autre part les composés métalliques forment des eutectiques à bas point de fusion avec les métaux qui sont généralement utilises au contact des fumées (aciers inoxydables au chrome - molybdène par exemple). L'attaque sulfurique des tubes d'une convection ou d'un économiseur est donc facilitée par la création d'une surface comportant de nombreux cratères résultant de l'évaporation des eutectiques. Pour ces raisons on cherche rarement à refroidir les fumées de four en dessous de 200 - 2500C. L'inventi.on permet de refroidir les fumées au dessous de 200 - 2500C et jusqu'à une valeur économiquement rentable de la température de la fumée qui pourra s'établir en dessous de 1000C si nécessaire. APPareils actuels qui permettraient d'obtenir théoriquement un résultat équivalent Appareils à tubes d'acier Nous avons évoqué au paragraphe précedent les raisons pour lesquelles ces appareils auront une dure de vie réduite. Appajeils à tube de verre ou de ce'ramue Ces appareils sensibles aux vibrations et aux chocs thermiques sont d'une exploitation coûteuse voire impossible dès que l'on envisage des bancs de plusieurs centaines de tubés. Appareils tournants Outre le fait que les éléments destinés à stocker la chaleur du courant chaud pour la transporter dans le courant froid sont souvent en céramique et donc sensibles aux chocs, on trouve les difficultes propres aux machines tournantes : frais d'exploitation et d'entretien élevées. Appareils à tube de graphite artificiel imprégné L'appareil selon l'invention diffère des échangeurs tubulaires classi.ques en graphites imprégnés en ce que les matériaux autre que les tubes sont adaptés au degré de corrosivité du fluide. En particulier - La plaque tubulaire d'entrée (fluide peu corrosif) sera en métal, généralement de l'acier. - La plaque tubulaire de sortie pourra être en graphi.te imprégne, en PVDF ou en tout autre matériau résistant à la corrosif. il s'ensuit que la liaison entre les tubes et les plaques tubulaires sera du type mécanique. Nous allons maintenant donner des descriptions de l'invention et des exemples de réalisations conformes à l'invention. Ces exemples ne sont pas limitatifs. Condenseur refroidisseur de fumées - réchauffage d'eau La FIGURE 1 répresénte un coupe schématique d'un échangeur de ce type. La plaque tubulaire d'entrée 1 et le conduit avant 2 sont dans la même nuance d'acier que celle prévue pour les conduits de fumées 3. La plaque tubulaire de sortie 4 est soit en graphite imprégné soit dans une matie plastique ayant une tenue mécanique suffisante à la pression et à la température envisagée. Il faut aussi une bonne usinabilité pour réaliser le logement de la liaison mécanique des tubes 5 à la plaque 4. Le PVDF pourrait convenir. Le conduit arrière 6 pourra être en aci.er doublé PVDF et suivant la taille de l';.nstallation il y aura lieu de prévoir des purges ou des évacuations permanentes des condensats sulfuriques qui pourront ensuite être concentrés ou neutralisés. Les tubes 5 sont en graphite artificiel imprégné. On pourra utiliser toutes les qualités et dimensions de tubes du commerce: - les tubes lisses à imprégnation phénolique (sociétés, CARBONE- LORRAINE, SIGRI-HOECHST, UNION CARBIDE ....) - les tubes à ailettes longitudinales (analogues au type R032 de la société SIGRI) Les figures de la PLANCHE 2 illustrent la fixation des tubes dans les plaques tVbulaires. Le tube 5 est réusiné exterieurement à ses deux extrémités suivant un cylindre afin d'améliorer la précision du diamètre un des facteur d'une bonne étanchéité. La longueur de l'usinage dépend de l'épaisseur de la plaque 1 ou 4 laquelle dépend du matériau et de la pression d'utilisation à l'extérieur des tubes. L'usinage a une longueur légèrement supérieure à l'épaisseur des plaques 1 ou 4. En effet selon l'invention l'extrémité du tube affleure ou dépasse légèrement la face externe de la plaque tubulaire. Suivant la FIGURE 2 réalisée en coupe, les plaques tubulaires 1 ou 4 sont percées de trous destinés à réaliser la fixation des tubes 5. Un premier per çage est à un diamètre légèrement supérieur au diamètre de l'extrémité usinée d'un tube. Un deuxième perçage coaxial est réalisé à un diamètre supérieur au précédent, à partir de la face externe des plaques. Le diamètre et la profon- deur du deuxième perçage sont tels qu'il constitue le logement de la pièce 7, de la rondelle 11 et de la bague filetée 10. La pièce 7 fait office de presse étoupe pour le joint 8. Selon l'invention elle peut être soit en acier ou autre métal pour l'entrée de l'échangeur supposée recevoir la fumée peu corrosive à haute température, soit en métal, acier inoxydable plastique ou graphite imprégné pour la partie froide supposée recevoir des condensats corrosifs. L'invention n'exclut pas de réaliser le presse étoupe 7 en Graphite artificiel imprégné de PTFE aussi bien du côté de la plaque 1 que de la plaque 4. Dans tous les cas ou le presse étoupe 7 et la bague de serrage 10 ne sont pas tous les deux en métal et ne sont donc pas susceptibles de grippage, la rondelle 11 en PTFE cuit n'est pas nécessaire. Suivant le joint 8 utilisé, ou aura principalement deux types d'usinage de la face interne (en contact avec le joint) du presse étoupe 7. Dans le cas d'un joint torique qui en fonction de la température sera soit en caoutchouc, soit en amiante chargée de PTFE (Société BELDAM-LATTY), l.'usinage sera un cane tel que cX = 100 environ. Dans le cas d'un joint fibreux en PTFE cru d'utilisation et d'entretien plus facile (joint PTFE GORE-TEX) recommandé selon l'invention, l'usinage sera un logement dont le volume sera calculé en fonction du joint. Exempt d'arrêtes vives, afin d'éviter le cisaillement du joint 8, sa forme sera telle qu'il loge le joint en le repoussant vers le tube 5. La FIGURE 3 donne un exemple de réalisation selon l'invention d'un tel logement. L'angle o( sera réduit à 50 environ, le logement proche du tube sera cylindrique, le raccordement entre le cône d'angle de base o( et le cylindre sera un arrondi de rayon t à déterminer par essais pratiques d'étanchéité aux différentes pressions envisagées. La bague 10 est filetée sur sa partie cylindrique et l'usinage de la plaque tubulaire est lui aussi fileté à un filetage correspondant à eelui de la bague et sur une profondeur compatible avec un bon serrage du fouloir 7. Selon le développement de l'invent;on on devra rechercher à utiliser aux deux extrémités les mêmes matériaux et les mêmes dimensions pour la réalisation des pièces 7, 8, 10 et éventuellement 11. En particulier la réalisation de la bague de serrage 10 en acier inoxydable permet outre une bonne usinabilité et la diminution de la fragilité de cette pièce de réaliser une paroi mince et par conséquent d'augmenter la compacité 2 de l'échangeur (nombre de tubes implantés / m2 de plaque d'extrémité). Le chicanage de l'échangeur est un chicanage classique tels que ceux utilisés par les différents fabricants d'échangeurs à faisceaux d'acier ou de graphite. La série d'échangeurs ainsi décrits est à plaques fixes, la dilatation différentielle est compensée par le déplacement des tubes, les joints8 associés à chaque tube faisant office de joints coulissants. De tels appareils sont conçus selon l'invention pour recevoir à l'extérieur des tubes (côté calandre) de l'eau à une pression maximale de 12 bars. Dans l'application principale des échangeurs selon l'invention le fluide coté tube étant chaudJsupérieur à 2500set peu corrosif la plaque tubulaire 1 est nécessairement métallique. Son épaisseur beaucoup plus faible que celle de la plaque 4 permet en fonctionnement normal son bon refroidissement par l'eau circulant côté calandre. Condenseur refroidisseur de fumées. re'chauffae d'air Les principes énoncés précedemment selon l'invention s'appliquent avec les modifications suivantes. Les coefficients de film côté calandre sont beau coup plus faibles puisqu'il s'agit d'air au lieu d'eau. Les températures à l'intérieur des matériaux principalement de la plaque d'entrée 1 et des tubes 5 s accroit fortement. Il est donc prévu dans ce cas d'utiliser tout au partie des solutions suivantes: - tubes à imprégnation de PTFE permettant d'atteindre 2300C au coeur de la paroi des tubes. - tubes à ailettes externes déjà mentionnés permettant d'augmenter la surface de transfert pour pallier la baisse du coefficient de film. - construction en caisson permettant d'associer plusieurs milliers de tubes refroidis extérieurement par l'air vehiculé par des ventilateurs ou des soufflantes. Cet air pourra servir de comburant au four ou à la chaudière améliorant ainsi le bilan thermique. L'azur peut aussi être utilisé pour chauffer des batiments industriels. Cette dernière solution nécessite des dispositifs de sécurité en cas de rupture de tube afin d'éviter l'asphyxie par les fumées. La FIGURE 4 illustre selon l'invention la modification à apporter à l'usinage d'une des plaques tubulaires i ou 4 afin d'utiliser des tubes à ailettes. Cette modification s'applique à une seule plaque et de préférence à la plaque en métal qui possède les meilleures propriétés d'usinage et de résistance mécanique. La pièce 9 est une bague à collerette. Le diamètre extérieur de la bague est légèrement supérieur au diamètre hors tout du tube à ailette. Le diamètre intérieur de la bague est légèrement supérieur au diamètre du tube 14 mesuré à la base des ailettes. L'extrémlté du tube 14 est usinée à ce diamètre de base des ailettes et se présente comme un tube lisse sur la profondeur de pénétration dans la plaque tubulaire. La collerette est usinée dans la masse de la pièce 9 et sa largeur est calculée pour exercer une pression convenable sur le joint 13. Selon l'inren- tion il est recommandé que le joint 13 soit en PTFE fibreux (GORE-TEX) afin d'obtenir une étanchéité convenable malgré la transmission imparfaite de la pression du presse étoupe 7 par l'intermédiaire du joint partiellement compressible 8. La FIGURE 6 illustre le principe d'une réalisation possible d'un caisson 15 permettant d'utiliser l'invention au préchauffage de l'air d'une grosse chaudière. Les plaques tubulaires 4 représentées sont les plaques épaisses en matériau non métallique de l'extrémité froide et résistante à la corrosion. Elles sont boulonnées directement sur les poutrelles 16 de la construction en tôle acier. On peut de cette façon - utiliser un collecteur commun 17 en acier doublé par exemple de PVDF. - intercaler une manchette (non représentée) entre le collecteur 17 et le caisson 15 afin de réaliser un point bas pour l'évacuation des condensats. L'utilisation de faisceaux selon l'invention dans une construction en caisson permet un compartimentage et par conséquent l'extraction pour entretien d'un ou plusieurs faisceaux sans mise hors service prolongée du réchauffeur. Le faisceaux manquants sont remplacés par des plaques d'obturation. Entretien montage et démontage des échangeurs selon l'invention La fixation des tubes selon l'invention permet de remplacer les tubes défaillants tube par tube qu'il s'agisse de tubes lisses ou de tubes à ailettes. La FIGURE 5 montre une vue de la face externe de la bague 10 qui est munie d'une rainure diamètrale. Dans cette rainure on insère un tournevis de forme adaptée dont l'extrémité 12 est représentée. En démontant complètement la jonction tube plaque à une extermité seulement, on peut procéder à l'extraction complète du faisceau pour un nettoyage à l'extérieur des tubes. REVENDICATIONS 1. Echangeurs de chaleur à faisceau et calandre destinés à véhiculer un fluide devenant progressivement corrosif lorsque sa température varie, caractérisés par le fait que l'entrée et la sortie des échangeurs sont réalisées, côté faisceau, dans des matériaux différents, adaptés au pouvoir corrosif du fluide dans ses conditions physico-chimiques d'entrée et de sortie respectivement. 2. Echangeurs suivant la revendication 1 caracterisés en ce que la plaque tubulaire d'une extrémité du faisceau est en métal tandis que la plaque tubulaire de l'autre extrémité est en matériau non-métallique. 3. Echangeurs suivant les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que la face interne des tubes du faisceau est en graphite artificiel imprégné. 4. Echangeurs suivant les revendications 1, 2 et 3 caracterisés en ce que le système de fixation des tubes aux plaques tubulaires comprend pour chaque tube un joint fouloir 8, un fouloir 7 et une bague filetée presse fouloir 10 l'ensemble permettant dune part le démontage tube par tube et d'autre part la compensation des dilatations différentielles. 5. Système de fixation suivant la revendication 4 caracterisé en ce qu'une collerette 9 et un joint 13 le modifient afin de maintenir la possibilité d'un démontage tube par tube dans le cas des tubes à ailettes.