Brevet FR2523285A1 — publié le 19830916

La présente invention concerne des échangeurs de chaleur du type o une pluralité de tubes à extrémités ouvertes sont disposés entre des plaques de fixation mon- tées dans une coquille tubulaire externe dont les extrémi- tés sont fermées au moyen de couvercles en coquille Dans les appareils de ce type, un fluide connu sous le nom de "fluide côté tubes" circule dans les tubes, alors qu'un second fluide connu sous le nom de "fluida côté coquille" circule sur le côté externe des tubes, un échange de cha- leur se déroulant entre les deux fluides au travers des parois des tubes L'espace défini dans les couvercles do la coquille est occupé par le fluide c 8 té tubes. La conception des échangeurs de chaleur relève d'une technique imprécise; de nombreuses suppositions doivent être faites en ce qui concerne leurs conditions de fonc- tionnement, les effets de l'encrassement et de la corro- sion pour avoir une idée sur leur fonctionnement à l'état neuf, en conditions normales et en conditions extr mes. M me quand on dispose de données valables, la pré- cision d'ensemble des dimensions des échangeurs ne dépas- se pas le plus souvent 50 % Il en résulte que la concep- tion des échangeurs a tendance à être très traditionnelle et que les frais d'investissement et de fonctionnement sont plus élevés qu'il serait souhaitable. De façon idéale, il devrait être possible de déter- miner la configuration de l'échangeur de manière à opti- maliser les effets du transfert de chaleur, de l'encrasse- ment et de la consommation de puissance en vue d'obtenir le meilieur rendement pour des conditions de fonctionne- ment effectives; ceci est virtuellement impossible avec un échangeur de chaleur classique à coquille et à tubes dont les passes du fluide sont fixes. Pour obtenir un transfert de chaleur optimal entre le fluide côté coquille et le fluide c 8 té tubes en tenant compte des conditions régnant sur le c 8 té tubes, il faut que la vitesse du courant passant par les tubes soit op- timale pour déterminer un bon transfert de chaleur entre le c 8 té interne et le côté externe des tubes, et ceci de façon économique et avec le minimum d'encrassement. Pour obtenir des variations de vitesse du courant dans les tubes, le fluide est dirigé dans le faisceau de tubes un certain nombre de fois en divisant le nombre to- tal de tubes retenus par les plaques de fixation en grou- pes appropriés pour obtenir l'aire en coupe nécessaire au courant de chaque passe et permettre au fluide de pas- ser tour à tour par ces sections de groupes de tubes en vue d'obtenir le nombre de courants désirés du fluide pas- sant par le faisceau de tubes. On obtient un rendement du transfert de chaleur plus élevé en créant une prédominance de contre-courants entre le courant c 8 té coquille et le courant c 8 té tubes, par rapport à un courant parallèle. Pour réduire les contraintes produites thermique- ment entre la coquille et les tubes, on peut disposer des soufflets de dilatation entre la coquille et la plaque de fixation des tubes. Il est avantageux, du point de vue d'une production en grande série mais répondant à des besoins divers, de concevoir une plaque de fixation standard correspondant à chaque dimension fabriquée, permettant un nombre varia- ble de passes du fluide c 8 té tubes et susceptible d'8 tre facilement échangée par une autre. Dans les appareils existants, la division en grou- pes de tubes permettant d'obtenir le nombre de courants recherché s'obtient au moyen de cloisons qui divisent la plaque de fixation en sections permettant d'obtenir le nombre désiré de passes du fluide côté tubes La position des buses d'entrée et de sortie sur le couvercle de la coquille dépend du motif formé par les cloisons délimi- tant les passes sur la plaque de fixation pour obtenir la division des zones de passage du courant et obtenir le nombre désiré de passes du courant du fluide c 8 té tubes} cette dépendance de la position des buses par rapport à la position des cloisons de séparation réduisant les possibilités de monter les tubes selon des dispositions diverses par rapport à la liaison avec les buses. Un autre inconvénient des appareils existants est qu'il n'est pas facile de modifier en fonction des besoins le nombre de passes du fluide c 8 té tubes. Un but de la présente invention est de surmonter dans une grande mesure les inconvénients des appareils classiques mentionnés ci-dessus en proposant un appareil susceptible d'organiser une multiplicité de passes du fluide côté tubes et permettant d'obtenir une prédominan- ce de contre-courants et d'apporter de la souplesse pour modifier facilement le nombre de passes du fluide côté tubes en vue de mieux s'adapter aux besoins et de pouvoir disposer les buses dans les meilleures positions sur les couvercles de la coquille sans avoir à tenir compte du nombre de passes du fluide côté tubes et de la position des cloisons de séparation des passes. Un autre but de l'invention est de réduire les forces axiales s'exerçant entre les tubes et leurs pla- ques de fixation dans l'appareil en utilisant des souf- flets de dilatation entre la coquille et les plaques de fixation des tubes pour éliminer les forces axiales résultant de la dilatation thermique différentielle entre la coquille et les tubes au moyen de soufflets de dila- tation disposés dans une position plus appropriée que dans le cas des appareils classiques. Dans ses grandes lignes, l'invention propose un échangeur de chaleur à coquilles et à tubes comprenant -une paire de chapeaux terminaux montés à l'intérieur de l'espace défini par les couvercles terminaux et aptes à former une chambre à courant entre les extrémités ouver- tes de certainsdes tubes contenus dans l'échangeur de chaleur, de manière que le fluide quittant l'extrémité de l'un quelconque de ces tubes soit re-dirigé dans d'autres, les chapeaux terminaux étant reliés de façon sensiblement étanche à chacune des plaques de fixation terminales de l'échangeur indépendamment de l'entrée ou de la sortie dudit fluide côté tubes, ce fluide s'écou- lant depuis l'espace défini dans le couvercle d'entrée, passant dans les tubes et les chambres à courant etpwve- nant dans l'espace défini dans le couvercle de sortie. Les chapeaux terminaux sont disposés de manière à amener le fluide côté tubes à s'écouler alternativement d'une extrémité à l'autre dans le faisceau de tubes en partant de l'espace défini dans le couvercle d'entrée de la coquille vers l'espace défini dans le couvercle de sortie de ladi-te coquille, indépendamment du nombre de passes et de cloisons de séparation des passes. On peut réaliser la fermeture étanche entre le fa- ce externe de la plaque de fixation des tubes et la face 4 tobturation des chapeaux terminaux au moyen d'une bande d'obturation conformée selon la position des extrémités des tubes en saillie sur la face externe de la plaque de fixation des tubes, le contoub de la bande d'obturation étant déterminé par le parcours choisi emprunté par la bande pour obtenir l'aire de passage du fluide c 8 té tubes dans la plaque de fixation des tubes La bande d'obtura- tion a des dimensions lui permettant de se disposer entre les extrémités des tubes et de faire saillie au-delà de ceux-ci pour déterminer une fermeture étanche entre le rebord de fermeture du chapeau terminal qui est espacé des extrémités des tubes et le rebord opposé de la bande d'obturation disposée sur la plaque de fixation des tubes qui lui fait face. La forme préférée qui est donnée aux bandes d'ob- turation sur la face externe de la plaque de fixation des tubes en vue d'obtenir la zone de passage souhaitée pour le fluide c 8 té tubes est celle d'anneaux hexagonaux curvilignes. L'invention permet donc d'obtenir les avantages suivants: L'étanchéité est supérieure Les garnitures résis- tant à toutes les pressions peuvent être du type à anneau: il est inutile d'utiliser des garnitures en for- me de barres. L'entretien est simplifié par la standardisation. Les livraisons sont plus rapides du fait de la conception qui est approuvée à l'avance et de l'utilisa- tion de composants standards. Les coûts sont plus faibles du fait de la concep- tion simplifiée et de la standardisation. Les appareils à nombre impair de passes ont un rendement plus élevé pour une gamme de conditions plus étendue que ceux ayant un nombre pair de passes. La souplesse de la modification du nombre de pas- ses du fluide c 8 té tubes est telle que l'on peut réaliser des échangeurs de chaleur à courants annulaires standards dont le nombre de passes peut atteindre facilement 7. Des chapeaux terminaux du type à bandes permettent de mon- ter Jusqu'à 17 passes Les chicanes peuvent être hori- zontales ou verticales Il est facile de respecter les prescriptions réglementaires sur la position des tubes d'entrée et de sortie. Les tuyaux peuvent être reliés à leurs extrémités d'entrée et de sortie en toute position quelconque autour de la circonférence des canalisations terminales, t Jdé- pendamment du nombre de passes du fluide c 8 té tubes. L'installation est simple Les échangeurs peuvent être installés directement sur une surface plate sans avoir besoin d'utiliser des socles. Les soufflets internes n'entraînent pas la formation d'une quantité résiduelle du fluide de la coquille, comme le font les soufflets externes. Les plaques de fixation fixes des tubes sont soudées à la coquille et à la canalisation Ceci évite des problèmes de joints, et en particulier ceux qui sont provoqués par les cycles alternatifs de chaud et de froid. Tous les échangeurs comprennent un nombre impair de passes, des plaques de fixation et des chicanes de tubes montées de façon standard. La charge appliquée aux joints entre tubes et pla- ques de fixation est faible du fait de la faible dif- férence de température entre les différentes passes dans les tubes La forme suivie par le courant n'entraîne qu'une seule chute de température à chaque passe Par contraste, le type classique à passes multiples de nombre pair et à barres provoque 4 chutes de température par passe pour des appareils conçus pour 4 passes et plus. Le remplacement des soufflets est simplifié par le position des soufflets internes. Le garnissage est simplifié Il n'y a pas de connexions par brides entre les plaques de fixation fixes des tubes et les canalisations terminales. Les soufflets qui sont installés à l'intérieur sont protégés pendant le transport, l'érection et contre l'usure générale pendant le fonctionnement. Les soufflets internes procurent un équilibre hydrau- lique partiel entre la coquille et le côté tubes de la plaque de fixation des tubes. Il n'existe pas de canalisations pour un courant de dérivation du fait de la configuration de la disposi- tion des tubes, par différence avec les dispositions des tubes à passes multiples de nombre pair et du type à bar- res o il faut insérer des tubes aveugles pour éviter des courants de dérivation Les bandes marginales longitudi- nales standards entre le faisceau de tubes et la coquille réduisant les courants de dérivation. Du fait que le courant côté tubes est dirigé par une série de plaques de séparation annulaires, la dilatation thermique du faisceau de tubes est axiale, ce qui permet une bonne étanchéité au moyen des presse-étoupes Dans le cas o on prévoit une plaque de séparation pour les passes du courant de fluide du type à barre, la dilatation thermique tend à faire ployer la plaque de fixation des tubes selon un certain angle par rapport à l'axe. Les échangeurs de type classique o les tubes sont rassemblés en anneaux en forme de lanternes ne sont dis- ponibles que pour une ou deux passes Avec les échangeurs de chaleur de la présente invention, on peut avoir des dispositifs à 1, 3, 5 ou 7 passes. La défaillance des soudures entre les plaques de séparation et la coquille terminale constituant la canalisation ne peut exister avec les échangeurs de cha- leur selon la présente invention Une défaillance de la soudure entre les plaques de séparation et la coquille à canalisation terminale est fréquente dans les appareils classiques du fait des fortes contraintes thermiques. Une dérivation totale du fluide côté tubes n'est pas possible avec des échangeurs de chaleur à nombre de passes impair; les échangeurs de chaleur à nombre de passes pair permettent une dérivation totale du fais- ceau de tubes par le fluide c 8 té tubes si les plaques de séparation sont dégradées par la corrosion. Aucune contrainte de flexion des brides n'est trans- mise à la plaque de fixation des tubes Du fait que les soufflets sont montés à l'intérieur, l'épaisseur de la plaque de fixation est maintenue à un minimum. Les échangeurs à soufflets internes ne subissent pas de forces de cisaillement dans les soufflets Les soufflets classiques à coquille fendue sont sujets à des charges de cisaillement, dont la valeur dépend de la position relative des supports. Le démontage d'un faisceau de tubes à soufflets interne permet de tester facilement les fuites et le ser- rage des garnitures en retirant les couvercles et les cha- peaux d'extrémité, et en appliquant de la pression sur le côté coquille Avec les appareils du type à faisceau de tubes à têtes flottantes, il n'est pas facile de détec- ter et de réparer les fuites. Un bon contrôle sur la vitesse du fluide côté tubes permet de réduire l'encrassement au minimum. On peut simplifier le système complexe de l'eau de refroidissement pour obtenir un meilleur rendement de cette eau de refroidissement et consommer moins d'énergie. En outre, la possibilité de modifier facilement le nombre de passes permet de choisir un échangeur proposant une combinaison optimale de débits du fluide c 8 té coquille et côté tubes et de chutes de pression De façon générale, on peut réaliser des économies importantes d'investisse- ment et de frais de fonctionnement par comparaison avec des échangeurs classiques On peut choisir les longueurs des tubes pour un nombre donné de passes, avec pour résul- tat un rapport virtuellement constant entre la perte de chaleur et la vitesse On peut alors modifier les condi- tions du courant selon les besoins pour s'adapter à des exigences particulières de la température d'arrivée de l'eau de refroidissemntet de la pression, et à des char- ges thermiques variables. L'invention selon des modes de réalisation préférés. sera maintenant décrite avec référence aux dessins ci- annexés dans lesquels: Fig 1 est une vue en geur de chaleur comprenant vention; Fig 2 est une vue en de la fig 1; Fig 3 est une vue en Fig 4 est de la fig 1; Fig 5 est coupe longitudinale d'un échan- un chapeau terminal selon l'in- élévation selon la ligne 2-2 coupe selon la ligne 3-3 de la une vue en élévation selon la ligne 4-4 une vue en coupe selon la ligne 5-5 de la Fig 6 est une vue en lisation de l'invention; Fig 7 est une vue en coupe d'une autre forme de réa- coupe représentant une autre forme de réalisation de l'invention; Fig 8 représente une autre forme encore de l'inven- tion; Fig 9 à 13 représentent un autre mode de réalisation de l'invention; et Fig 14 à 17 représentent encore un autre mode de réalisation de l'invention. La fig 1 est une vue en coupe longitudinale d'un é- changeur de chaleur 100 du type dans lequel deux plaques de fixation 31, 32 des tubes sont fixées à la coquille tu- bulaire 9, et les couvercles 13 et 19 de la coquille sont fixés aux plaques de fixation et prévus pour un nombre im- pair de passes du fluide c 8 té tubes en utilisant une forme d'un chapeau terminal. Le fluide pénètre dans l'échangeur 100 par une buse d'entrée 23, puis dans l'espace d'entrée 22 défini dais le couvercle de la coquille, pour passer ensuite dans les tubes 24 ' d'un faisceau de tubes 24 et parvenir dans la chambre 27 ' du chapeau terminal 27 Le fluide sort alors de la chambre 27 ' en s'écoulant dans les tubes 24 " dans le sens opposé au sens du courant du fluide dans les tu- bes 24 ' Le fluide qui sort des tubes 24 N est reçu dans la chambre 28 ' du chapeau 28, d'o il passe ensuite dans les tubes centraux 24 "' pour revenir le long de la longueur de l'échangeur et sortir à l'avant dans l'espace terminal avant d'être éliminé de l'échangeur de chaleur par la buse de sortie 21. Le fluide qui doit être utilisé sur le c 8 té coquille de l'échangeur pénètre dans la coquille 9 par la buse d'en- trée 25 et suit un parcours tortueux en direction trans- versale et longitudinale des tubes en passant autour des chicanes 50 avant de quitter la coquille par le buse 26. Les chapeaux terminaux 27 et 28 tels qu'ils sont représen- tés aux fig 2, 3, 4 et 5 sont constitués simplement par des chapeaux métalliques fixés aux plaques de fixation 31 ou 32 des tubes par des moyens appropriés tels que des boulons 51 Les chapeaux 27 et 28 peuvent comporter des parois curvilignes de forme appropriée recouvertes par une plaque plate amovible, constituant ainsi les chambres à courant 27/et 28 Les chapeaux 27 et 28 peuvent être réalisés en tout matériau approprié en dehors d'un métal, tel qu'une matière plastique. La fig 6 représente un échangeur de chaleur compor- tant une coquille tubulaire externe 9, une première pla- que 10 de fixation des tubes, solidaire du couvercle 13 qui estde son c 8 té,serré sur la bride ou collerette 1 l de la coquille 9 Une seconde plaque 14 de fixation des tubes est montée mobile dans la coquille 9, à son autre extrémité L'étanchéité entre la seconde plaque de ixa- tion des tubes et la coquille est assurée par un anneau d'étanchéité à serrage 15 et un anneau à lanterne 16 d'une façon classique entre les deux brides 17 et 18 La bride 17 est fixée au couvercle 19 de la coquille et la bride 18 est fixée à la coquille 9. Le premier couvercle 13 de la coquille et la pla- que de fixation 10 des tubes définissent un espace de sortie 20 contenant le fluide ctté tubes, s'échappant par la buse de sortie 25 qui est fixée audit couvercle de coquille 13 & Le second couvercle de coquille 19 et la plaque de fixation 14 des tubes définissent un espace d'entrée 22 contenant le fluide côté tubes qui est envoyé par la buse d'entrée 21 fixée au second couvercle de coquille 19. Une pluralité de tubes 24 à extrémités ouvertes 8 'é- tendant entre les plaques de fixation 10 et 14 et fixés à celles-ci communiquent avec les espaces définis à l'inté- rieur des couvercles de coquille 13 et 19 de l'échangeur de chaleur Le courent de fluide côté coquille s'effectue sur le côté externe des tubes 24, à l'intérieur de la co- quille 9 Le fluide côté coquille est envoyé dans la co- quille 9 par la buse d'entrée 25 et il sort par la buse de sortie 26, après un parcours transversal et axial si- nueux autour des tubes 24, de la manière désirée, grâce aux chicanes 50 Le courant à passes multiples du fluide côté tubes s'obtient en fixant les chapeaux terminaux 27 et 28, selon une forme de l'invention, respectivement sur les plaques de fixation 10 et 14. La fig ? représente une variante de la disposition représentée à la fig 1, o les soufflets 53 sont situés entre une plaque de fixation flottante 54 et la coquille 9 Ceci autorise une dilatation longitudinale des tubes 24 qui est totalement indépendante de la dilatation de la coquille 9. De manière similaire et comme représenté à la fig 8, les soufflets 40 s'étendent entre une plaque de fixation flottante 54 et l'anneau terminal 44 qui est fixé de fa- çon étanche en 41 à une collerette en saillie interne 43 prévue sur le côté interne de la coquille 9 Une simple série de boulons 42 constitue les moyens de fixation. Les fig 9 à 13 représentent un autre mode de réali- sation semblable à celui représenté aux fig 1 à 5 Cepen- dant, les chapeaux terminaux 27 et 28 ont une forme dif- férente dans ces deux modes de réalisation On peut voir également que ces deux modes de réalisation, en utilisant des chapeaux terminaux de formes différentes, permettent d'obtenir une répartition différente du nombre des tubes utilisés pour les courants du fluide côté tubes dans les diverses passes' Naturellement on peut utiliser des cha- peaux terminaux se présentant sous de nombreuses formes. différentes, ce qui permet d'obtenir de nombreux types de répartition des tubes utilisés pour des passes variées du courant côté tubes. Les fig 14 à 17 représentent un mode de réalisation de la présente invention utilisant des tubes en n U" et de ce fait, dans l'ensemble, un nombre pair de passes du cou- rant côté tubes Les espaces de sortie 20 et d'entrée 22 sont situés côte à côte à une extrémité commune de la co- quille 9 Ces espaces sont séparés par une cloison clas- sique 80 Les chapeaux terminaux 27 et 28 qui sont repré- sentés clairement sur les fig 14 à 17 peuvent naturelle- ment se présenter selon des formes variées et comprendre un nombre de cloisons variable. Les chapeaux terminaux 27 et 28 peuvent être fixés de façon amovible aux plaques de fixation Les chapeaux terminaux 27 et 28 peuvent comprendre un couvercle termi- nal fixé à une section de la paroi et adaptés pour s'éten- dre entre la plaque de fixation des tubes et le couvercle terminal. Quand on utilise ce procédé consistant à prévoir des séparations pour les passes, les buses situées sur le côté entrée et sortie des tubes sont indépendantes du nombre de passes dans les tubes et des cloisons de sépa- ration des passes dans les chapeaux terminaux. REI Nv DICATIONS * 1. Echangeur de chaleur à coquille et à tubes, com- prenant une coquille externe ( 9), et une série de tubes ( 24) échangeurs de chaleur, à l'intérieur, ces tubes étant fixés à leurs extrémités ouvertes par l'intermédiaire d'au moins une plaque de fixation ( 31, 32; 10, 14; 54) et une paire de chapeaux ( 27, 28) terminaux disposés à l'intérieur de l'espace ( 20, 22) défini par au moins un couvercle ter- minal et la coquille ( 9), ces chapeaux formant, avec ladite plaque, une chambre à courant ( 27 ', 28 ') entre les extré- mités ouvertes de certains des tubes ( 24 ', 24 ", 24 n"') contenus dans l'échangeur de chaleur, de manière que le fluide quittant l'extrémité de l'un quelconque de ces tu- bes soit re-dirigé dans d'autres do ces tubes, chacun des- dits chapeaux terminaux étant relié de façon étanche à une plaque de fixation des tubes de l'échangeur de chaleur indépendamment de l'entrée ou de la sortie dudit fluide c 8 té tubes, ledit fluide s'écoulant de l'espace ( 22) con- tenu dans le couvercle d'entrée et passant par lesdits tubes ( 24) et lesdites chambres ( 27 ', 28 ') à courant pour parvenir dans l'espace ( 20) situé dans le couvercle de sortie. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes sont droits et en ce qu'au moins un chapeau terminal est disposé dans l'espace ( 20, 22) défini dans le couvercle terminal situé à chaque ex- trémité des tubes. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes sont des tubes en w UR et en ce qu'il n'y a qu'un seul couvercle terminal à l'inté- rieur duquel les deux chapeaux terminaux ( 27, 28) sont situés.