Brevet FR2519751A1 — publié le 19830718

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur pour deux fluides dont l'un peut être corrosif, ces échangeurs de chaleur comportant au moins un faisceau en matière céramique. Il a été constaté que les céramiques qui peuvent être utilisées pour fabriquer des appareils d'échange de chaleur subissent au cours du temps une fissuration inter- ne qui réduit leur durée de vie, en particulier lorsque ces céramiques sont soumises à des tensions qui provoquent le développement de défauts initiaux. Des échangeurs en matière céramique sont, par ail- leurs, très utiles lorsque l'un des fluides est corrosif et aussi lorsqu'il existe un gradient de températures élevé entre deux fluides Ces deux circonstances se rencontrent l 5 par exemple lorsqu'il y a lieu de refroidir les gaz d'é- chappement d'un moteur thermique par de l'eau ou un fluide frigorigène permettant de récupérer une partie au moins des calories normalement perdues dans les gaz d'échappement. L'invention est partie de la constatation qui a été faite que les matières céramiques utilisées dans les échan- geurs ne devaient en aucun cas être soumises à des contrain- tes de traction ou de flexion. Conformément à l'invention, l'échangeur de chaleur pour deux fluides dont l'un peut être corrosif, ledit échan- geur comportant un faisceau fabriqué en matière céramique, est caractérisé en ce que ledit faisceau est soumis à une contrainte de compression. Suivant une autre caractéristique importante de l'in- vention, la contrainte de compression est appliquée pour celui des deux fluides qui se trouve à la pression la plus élevée. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, au dessin annexé. La fig 1 est une perspective schématique d'un faisceau échangeur de chaleur en matière céramique faisant application de l'invention. La fig 2 est une perspective en partie arrachée d'un échangeur réalisé à partir du faisceau de la fig 1. La fig 3 est une coupe partielle en partie schéma- tique illustrant un détail de réalisation. La fig 4 est une coupe schématique d'une variante. La fig 5 est un schéma en élévation d'un dévelop- pement de l'invention. La fig 6 est une coupe schématique illustrant une variante de réalisation de l'invention. La fig 7 est une demi-coupe analogue à la fig 6 illustrant une autre caractéristique. La fig 8 est une perspective d'un faisceau en ma- tièlre céramique également réalisé suivant l'invention. La fig 9 est une coupe d'un échangeur de chaleur réalisé à partir du faisceau échangeur de la fig 8. La fig 10 est une coupe vue suivant la ligne X-X de la fig 9. La fig 11 est une coupe analogue à la fig 10 d'une variante. La fig 12 est une coupe-élévation analogue à la fig 9 d'un autre mode de réalisation de l'invention. L'échangeur représenté au dessin comporte un fais- ceau 1 fabriqué en céramique, notamment par filage, pour délimiter des conduits de circulation 2 s'étendant longi- tudinalement et débouchant aux deux extrémités du faisceau. Un conduit sur deux est ensuite fermé aux deux extrémités et des ouvertures 3 sont taillées, par exemple par frai- sage ou meulage, dans ceux des conduits dont les extrémi- tés sont fermées Il est ainsi possible de réaliser dans ceux des conduits qui sont fermés aux extrémités une cir- culation suivant les flèches f 1 et dans ceux des conduits qui ne sont pas fermés une circulation suivant les flè- ches '2 -2 Le faisceau changeur est muni, se extrmits, Le faisceau échangeur 1 est muni, à ses extrémités, ou en tout cas le plus près possible de ses extrémités, de flasques 4, 4 a de section circulaire ou elliptique Le faisceau comporte également des nervures latérales 5. Les nervures latérales 5 peuvent 8 tre formées de préférence lors du filage du faisceau, c'est-à-dire lors de la fabrication de celui-ci Au contraire, les flasques 4 sont rapportés par exemple en même temps qu'un des con- duits sur deux est fermé aux extrémités du faisceau La formation des flasques 4 et les bouchons de fermeture des conduits peuvent être réalisés par frittage ou par apport d'un béton céramique ou autre béton réfractaire cuit sur le faisceau. La fig 2 illustre que le faisceau réalisé comme décrit ci-dessus en référence à la fig 1 est mis en place dans une enveloppe 6 réalisée par exemple par deux demi- coquilles 7, 8 L'enveloppe est conformée pour 8 tre appli- quée sur les flasques 4, 4 a avec interposition d'un joint 9 Le Joint 9 peut être un joint métallique ou métallo- plastique ou un joint en élastomère ou en d'autres matiè- res selon les températures de travail. Lorsque l'échangeur est destiné à refroidir des gaz chaude par exemple des gaz d'échappement se déplaçant sui- vant les flèches 2, le refroidissement étant assuré par de l'eau circulant suivant les flèches f, il est possible que le joint 9 sur le côté d'entrée soit un joint métalli- que tandis que le Joint sur le c 8 té sortie soit un Joint en élastomère. Les demi-coquilles 7, 8 se terminent sur leurs côt 6 s latéraux par des réglettes 7 a, 8 a qui sont serrées sur les nervures 5 formées par l'échangeur. A leur extrémité, les demi-coquilles 7, 8 forment des demi-brides 71, 81 pour le raccordement de l'échangeur à des tubulures d'amenée et de sortie. Les demi-coquilles constituant l'enveloppe délimi- tent avec l'échangeur et les nervures des compartiments 10, 11 qui sont séparés par les nervures 5 qui forment des cloisons obligeant le fluide circulant suivant les flèches 251975 t à passer par les conduits du faisceau échangeur En prévoyant que le fluide circulant suivant la flèche L se trouve-toujours à une pression supérieure au fluide circulant suivant les flèches f 2, on est assuré que le faisceau échangeur est toujours maintenu sous pression. Lorsque le faisceau est de section carrée ou sensi- blement carrée, il est avantageux que les flasques 4, 4 a soient de section circulaire et fassent saillie par rap- port aux nervures 5 ce qu'illustre la fig 3 Dans ce cas, les demicoquilles 7, 8 forment des brides complètes et des collerettes 12 qui sont enfilées sur les brides 4 Une tubulure 13 formant une bride 14 peut ainsi être appliquée sur la face externe des flasques 4 avec interposition éventuelle d'un joint 15. Un dispositif à collier de serrage 16 est alors avantageusement prévu pour serrer chaque flasque 4, 4 a entre respectivement les brides 71 et les brides 14 Lors- que les flasques 4, ka sont cylindriques, il est possible de constituer l'enveloppe 6 a en une seule pièce# le fais- ceau 1 étant enfilé dans cette enveloppe cylindrique comme l'illustre la fig 4 Dans cette réalisation, les nervures sont supprimées mais il est prévu un flasque médian 17 qui assure la séparation entre l'entrée et la sortie du fluide circulant suivant les flèches fi, c'est-à-dire le fluide sous haute pression. La fig 5 montre schématiquement que cette disposi- tion peut être développée en permettant de concevoir des circulations plus complexes pour le fluide circulant sui- vant les flèches f si les conditions de l'échange thermi- que et les pertes de charge l'exigent. Lorsque la pression du fluide sous la plus haute pression est à un niveau tel que la poussée sur les extré- mités des conduits de circulation fermées engendre des contraintes qui seraient préjudiciables à la longévité du faisceau 1, il est possible de maintenir celui-ci sous une pression mécanique. La fig 6 illustre des tirants 18 pour exercer une 19751 contrainte de compression sur les flasques d'extrémité 4 a par l'intermédiaire des brides 14, une garniture élastique 19 étant dans ce cas interposée entre les brides 4, 4 a et les brides 14 pour compenser les dilatations différentiel- les entre le faisceau 1 et les tirants 18. La fig 7 illustre un développement suivant lequel les tirants 18 sont munis d'éléments de poussée élastique qui exercent une précontrainte longitudinale permanente sur le faisceau 1. Les fig 8 à 10 illustrent une variante de réalisa- tion suivant laquelle le faisceau 1 est toujours fabriqué à partir d'uns structure filée dont par exemple un conduit de circulation sur deux est ensuite fermé à ses extrémités, ces conduits étant mis en communication par fraisage, meulage ou autre opération de taille avec les ouvertures 3 par lesquelles le fluide circule suivant les flèches fi. Cependant, le faisceau ne comporte pas les flasques 4, 4 a ni les nervures 5, ce qui facilite grandement sa fabri- cation par filage ou autre procédé analogue. Dans cette réalisation, un joint moulé 21 est dispo- sé autour du faisceau, ce joint délimitant deux ceintures 21 a, 21 b reliées par deux barrettes latérales 211, 212. La ceinture 21 a est la ceinture amont si l'on considère le sens de circulation du fluide, notamment des gaz à refroi- dir, et elle est placée en retrait par rapport à la face d'entrée desdits gaz à refroidir Ainsi, les gaz sont pré. refroidis et le faisceau ou corps de l'échangeur se trouve déjà à une température relativement basse au niveau de la ceinture 21 a, ce qui permet de réaliser le joint 21 de façon bon marché en élastomère. Une tresse en fibres réfractaires 22 est interposée au niveau de la face d'entrée entre le corps 1 et l'enve- loppe 6 pour emp Scher les gaz chauds de lécher la ceinture 21 a formant joint et également pour empêcher l'accumulation des condensats dans la zone amont, c'est-à-dire le compar- timent 23. L'enveloppe 6 est, par exemple, là aussi, constituée par deux demicoquilles 6 a, 6 b présentant des bords 6 prenant appui sur les barrettes 211 Les demi-coquilles 6 a, 6 b sont serrées par des frettes quelconques, par exem- ple des profilés en U 24 disposés à l'aplomb des ceintures 21 a, 21 b. La fig 9 illustre que les ouvertures 3 peuvent être réalisées de manière que le circuit du fluide de refroi- dissement s'établisse suivant une boucle 25 Ce fluide qui circule @ une pression plus élevée que le fluide traver- sant le faisceau suivant les flèches f 2 maintient, par conséquent, celui-ci toujours sous pression puisqu'il s'ap- plique sur la paroi externe en même temps que dans les conduits de circulation qui lui sont propres. La fig Il illustre une variante suivant laquelle l'enveloppe comporte un bottier 6 ' de préférence en forme de trapèze, ce bottier délimitant des pattes ou rebords 6 t 1 pour le serrage de parties saillantes 26 des ceintu- res 21 a, 21 b au moyen d'un couvercle 27. La fig 12 illustre une autre variante selon laquelle l'enveloppe 6 est tubulaire et est munie de brides conti- nues 7 a à ses extrémités Dans ce cas, les ceintures 21 a, 21 b délimitent au moins une lèvre déformable 28 qui est dirigée vers le compartiment 29 dans lequel circule le second fluide refroidisseur La pression de ce fluide main- tient ainsi appliquées les lèvres 28 contre la paroi in- terne de l'enveloppe 6 Pour améliorer encore l'étanchéité, il est possible que les lèvres 28 soient appliquées contre des saillies tubulaires 30 formées par l'enveloppe. Pour assurer l'étanchéité entre les barrettes 21 et l'intérieur de l'enveloppe, celles-ci peuvent aussi être munies de lèvres déformables pouvant rejoindre les lèvres 28 ou encore il est possible, comme illustré, de prévoir une ou plusieurs rainures 31 pour former un joint laby- rinthe Certaines des rainures 31 peuvent être totalement ou partiellement occupées par une ou des nervures longitu- dinale formées à l'intérieur de l'enveloppe 6. 7- L'invention ntest pas limitée aux exemples de réalisation représentés et décrits en détail, car diver- ses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Echangeur de chaleur pour deux fluides dont l'un peut être corrosif, ledit échangeur comportant un faisceau fabriqué en matière céramique, caractérisé en ce que ledit faisceau 1 est soumis à une contrainte de compression. 2 Echangeur suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que la précontrainte est exercée par celui des deux fluides qui se trouve à la pression la plus élevée. 3 Echangeur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le faisceau est disposé dans une enveloppe, le fluide à la pression la plus élevée occupant au moins partiellement l'espace compris entre le faisceau et l'enveloppe. 4 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'espace compris entre le fais- ceau et l'enveloppe est divisé en deux parties, l'une reliée à l'entrée du fluide à la pression la plus élevée, l'autre à la sortie de ce fluide. 5 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le faisceau est fabriqué par fi- lage pour délimiter des conduits longitudinaux dont cer- tains sont fermés à leurs extrémités, des ouvertures étant taillées dans la paroi latérale du faisceau pour le pas- sage du fluide à pression élevée. 6 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que le faisceau est muni latéralement de nervures ( 5) ou baguettes ( 211). 7 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le faisceau est muni latéralement de nervures ( 5) et, à ses extrémités, de flasques circu- laires ou elliptiques ( 4, 4 a) fabriqués en matière cérami- que ou béton réfractaire pouvant être céramique. 8 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'enveloppe comporte deux demi- coquilles ( 7, 8) épousant les flasques ( 4, 4 a) et les ner- vures ( 5). 9 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par des joints d'étanchéité interposés entre les flasques et les brides et nervures, lesdits joints étant métalliques ou plastiques ou composites mé- talliques plastiques. Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les flasques sont maintenus dans une collerette formée à partir des brides de l'enveloppe, une bride des conduits d'amenée respectivement de départ étant également appliquée contre chaque flasque et main- tenue par un dispositif à collier de serrage. 11 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que le faisceau comporte au moins un flasque entre les flasques d'extrémité. 12 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'enveloppe est en une seule pièce de forme tubulaire. 13 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le faisceau est supplémentairement soumis à l'action d'une force de compression mécanique exercée dans le sens de sa longueur. 14 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la force de compression est as- surée par des tirants reliant des brides prenant appui sur la face externe des flasques du faisceau. Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que des garnitures élastiques sont interposées entre les brides et les flasques. 16 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 15, caractgri é en ce que les tirants sont munis d'éléments élastiques exerçant une précontrainte. 17 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le faisceau, lorsqu'il n'est pas muni de flasques et nervures, est entouré par un joint moulé délimitant deux barrettes ( 211) et deux ceintures ( 21 a, 21 b) pour assurer l'étanchéité avec l'enveloppe. 18 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que la ceinture ( 21 a) disposée sur la partie la plus chaude du faisceau est placée à distance de l'extrémité la plus chaude dudit faisceau, ladite ex- trémité étant entourée par une tresse réfractaire interpo- sée entre le faisceau et l'enveloppe. 19 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que les barrettes ( 211) font saillie par rapport aux ceintures ( 21 a, 21 b) et sont serrées entre des rebords formés par deux demi-coquilles constituant l'enveloppe. Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que l'enveloppe est constituée par un bottier ( 6 ') et un couvercle ( 27) serrant respective- ment les ceintures ( 21 a, 21 b) et des pattes saillantes ( 26) formées à partir desdites ceintures. 21 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que le bottier ( 6 ') est de section légèrement trapézoïdale. 22 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 21, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 1) est tubulaire et munie de brides continues ( 7 a) à ses extrémités, les ceintures ( 21 a, 21 b) délimitant au moins une lèvre défor- mable ( 28) qui est dirigée vers le compartiment dans lequel circule le fluide à la plus haute pression. 23 Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 22, caractérisé en ce que les barrettes reliant les cein- tures délimitent aussi au moins une lèvre déformable. 24 Echangeur suivant tl'une des revendications 1 à 23, caractérisé en ce que les barrettes ( 24) délimitent au moins une rainure ( 31) d'un joint labyrinthe. Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 24, caractérisé en ce que l'enveloppe délimite des saillies coopérant avec les lèvres déformables des ceintures et/ou barrettes.