Brevet FR2524134A1 — publié le 19830930

Plaque de support de tubes d'échangeurs de chaleur. La présente invention se rapporte d'une manière générale aux échangeurs de chaleur et elle concerne plus particulièrement les plaques de support de tubes qui fournissent un support latéral aux tubes d'échan- geurs de chaleur. Dans les échangeurs de chaleur qui utilisent un grand nombre de tubes, un fluide réchauffé passe à l'intérieur des tubes et est refroidi par la transmission de chaleur qui s'effectue à travers les parois des tu- bes vers un autre fluide qui circule autour de la partie extérieure des tubes Les échangeurs de chaleur de ce type fonctionnent avec un circuit primaire de fluide réchauffé et un circuit secondaire de fluide séparé et distinct qui est réchauffé par la transmission de chaleur mentionnée ci- dessus Les fluides des circuits primaire et secondaire n'entrent pas en contact l'un avec l'autre mais communiquent thermiquement l'un avec l'au- tre par l'intermédiaire des parois des nombreux tubes mentionnés cidessus. Lorsque des échangeurs de chaleur de ce type utilisent des tubes de lon- gueur significative, on doit prévoir un support latéral pour empêcher une flexion ou un flambage des tubes sous l'effet des contraintes thermiques. Ce support latéral est fourni généralement par plusieurs plaques de support de tubes, séparées les unes des autres par des intervalles pré- sélectionnés et placées à l'intérieur de l'échangeur de chaleur le long des tubes Ces systèmes de support de tubes se composent généralement d'une ou plusieurs plaques habituellement planes et disposées dans un plan qui est perpendiculaire aux tubes Chaque plaque est percée de trous de forme pré- vue pour recevoir les tubes par glissement Ces plaques de support ont pour fonction d'empêcher un déplacement latéral des tubes tout en permettant à ces derniers de se dilater et de se contracter linéairement lorsque leur température varie Il faut donc que ces plaques de support de tubes soient conçues de manière à permettre un glissement axial des tubes dans les trous, tout en empêchant un déplacement latéral des tubes dans un sens perpendicu- laire à leur axe et parallèle au plan des plaques de support. Dans les échangeurs de chaleur qui utilisent des plaques de sup- port de tubes, les tubes peuvent être endommagés lorsque se produit un mou- vement relatif entre les tubes et leurs plaques de support ou lorsque la corrosion provoque une pénétration des parois des tubes De même, si les tubes se bloquent à l'intérieur de la plaque de support, ils peuvent subir des contraintes de flambage provoquées par la dilatation et la contraction thermiques, du fait de la diminution de leur liberté de déplacement linéai- re Afin d'éviter ces inconvénients lorsqu'on utilise des tubes en acier, on recommande de fabriquer en alliage à base de nickel, tel que l'alliage Inconel 718, la partie de la plaque de support de tubes avec laquelle les tubes d'acier sont en contact Cette combinaison de matériaux donne une résistance à l'usure qui est nécessaire lorsque les charges latérales appliquées aux tubes sont excessives Pour empêcher ensuite une écorchure des tubes à l'intérieur de la plaque de support, on peut aussi aluminer l'alliage à base de nickel. Dans les échangeurs de chaleur o les plaques de support de tubes ont des dimensions significatives, les coûts d'utilisation d'un alliage à base de nickel pour la fabrication des plaques peuvent être prohibitifs. L'objet principal de la présente invention est donc de fournir un système de support de tubes qui soit utilisable dans les échangeurs de cha- leur et qui évite aux tubes d'être endommagés tout en réduisant au minimum le coût de sa fabrication. Afin de réaliser cet objet, la présente invention consiste en un échangeur de chaleur qui comprend un grand nombre de tubes supportés par au moins une plaque 10 de support de tubes percée de plusieurs trous qui la traversent, chacun de ces trous recevant un tube présélectionné parmi ces nombreux tubes 20 Cet échangeur de chaleur se caractérise par la pré- sence de plusieurs manchons tubulaires 12, dont chacun est disposé dans un trou présélectionné et est en liaison rigide avec la plaque 10 de support de tubes, la forme de chacun de ces manchons étant telle qu'on peut y em- mancher par glissement l'un des tubes 20 Ces manchons tubulaires ont cha- cun une longueur telle qu'ils traversent toute l'épaisseur de la plaque de support de tubes et peuvent se prolonger au-delà des faces de cette plaque de support Ces manchons tubulaires sont constitués d'un matériau tel qu'un alliage à base de nickel, qui présente les caractéristiques d'usure décri- tes ci-dessus. Afin de fournir une liaison rigide entre chacun des manchons tubu- laires et la plaque de support de tubes, les manchons sont soudés à la pla- que par diffusion Après que les manchons tubulaires ont été placés dans les trous de la plaque de support de tubes, on porte l'assemblage complet à une température supérieure à 760 'C pendant une période de temps présé- lectionnée pour produire un soudage par diffusion On a observé que l'opé- ration de soudage par diffusion était facilitée par un emmanchement serré des manchons tubulaires dans les trous correspondants de la plaque de sup- port de tubes En augmentant les pressions entre ces éléments, on réduit la température et le temps nécessaires pour réaliser le soudage On peut obtenir cet emmanchement serré en contractant thermiquement chacun des manchons tubulaires pour l'introduire dans son trou correspondant de la plaque de support de tubes La forme de chacun des manchons tubulaires dé- crits ci-dessus est telle qu'on peut y emmancher par glissement l'un des tubes de l'échangeur de chaleur. Les diamètres relatifs des manchons tubulaires et des tubes d'échangeur de chaleur qui leur sont associés, sont choisis pour fournir un support latéral approprié, empêchant tout déplacement des tubes dans le plan de la plaque de support de tubes mais permettant également un glisse- ment linéaire qui autorise la dilatation et la contraction axiales des tu- bes et empêche donc le flambage de ceux-ci lorsqu'ils sont soumis à des contraintes thermiques. On doit bien voir que la présente inventioncemprend un système de support de tubes pour échangeurs de chaleur, ce système assurant à la fois un support latéral et une liberté axiale de déplacement des tubes tout en réduisant au minimum le coût de sa fabrication On doit bien voir également que le système de support de tubes suivant la présente invention réduit au minimum l'écorchure et l'usure des tubes dans les plaques de support de tu- bes, en fournissant une surface de contact d'un alliage à base de nickel, sans qu'il soit nécessaire de fabriquer l'ensemble de la plaque de support dé tubes avec ce matériau très coûteux. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la des- cription suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans les- quels: la figure 1 illustre une vue en coupe caractéristique d'un trou percé dans la plaque de support de tubes suivant la présente invention, un manchon tubulaire étant disposé dans ce trou; et la figure 2 représente un système de support de tubes constitué suivant la présente invention, plusieurs tubes d'échangeur de chaleur étant disposés dans ce système de support. La présente invention se rapporte d'une manière générale aux échan- geurs de chaleur qui utilisent un grand nombre de tubes, et elle concerne plus particulièrement un système de support de tubes qui fournit un support latéral aux tubes tout en leur permettant de glisser longitudinalement dans le système de support de tubes. Comme le représentent les figures l A et 1 B, la plaque 10 de sup- port de tubes suivant la présente invention comporte des manchons tubulai- res 12 disposés dans des trous percés à travers la plaque 10 La surface cylindrique intérieure 14 du trou et la surface cylindrique extérieure 16 du manchon tubulaire 12 sont soudées ensemble par diffusion Après avoir monté les manchons tubulaires 12 dans la plaque 10 de support de tubes, on peut effectuer l'opération de soudage par diffusion en portant la tempéra- ture du montage au-dessus de 760 O C Avant l'opération de soudage par dif- fusion, on peut monter chaque manchon tubulaire 12 dans la plaque 10 en effectuant un emmanchement serré entre la surface intérieure 14 du trou et la surface extérieure 16 du manchon tubulaire 12 Cet emmanchement serré assure un contact sûr entre ces éléments associés Ce contact sûr facilite l'opération de soudage par diffusion et maintient la position du manchon tubulaire 12 dans la plaque 10 de support de tubes avant et pendant l'opé- ration de soudage par diffusion On doit bien noter que la pression entre ces éléments est inversement liée à la température requise de soudage Une pression plus élevée provoquée par un emmanchement serré significatif di- minuera donc la température requise de soudage et le temps pendant lequel cette température devra être maintenue La forme de la surface cylindrique 18 du manchon tubulaire 12 est telle qu'elle permet de recevoir par glisse- ment un tube de l'échangeur de vapeur. Le manchon tubulaire 12 représenté à la figure l A se prolonge au- delà d'une face plane de la plaque 10 de support de tubes, tandis qu'à la figure 1 B les extrémités axiales du manchon tubulaire 12 se trouvent au ras des deux faces planes de la plaque 10 de support de tubes On doit bien no- ter que ces deux variantes, ainsi que celle qui consisterait à prolonger les manchons tubulaires 12 au-delà des deux faces planes de la plaque 10 de support de tubes, sont du domaine de la présente invention Ces modifica- tions de l'exemple préféré de réalisation de la présente invention ne repré- sentent que des variantes de conception qui peuvent être choisies pour ré- pondre à des considérations de performance ou de fabrication. La figure 2 représente une vue plus détaillée de la plaque 10 de support de tubes suivant la présente invention, plusieurs manchons tubulai- res 12 étant disposés dans des trous percés à travers la plaque 10 Comme le représente également la figure 2, on a prévu plusieurs trous 13 d'écoule- ment dans lesquels peut passer un fluide Le nombre, le diamètre et l'em- placement de ces trous 13 d'écoulement peuvent varier en fonction de con- sidérations particulières de conception de l'échangeur de chaleur dont l'objet de la présente invention est un élément On doit bien noter que ces trous 13 d'écoulement permettent à un fluide de traverser la plaque 10 de support de tubes et d'atteindre les diverses régions de l'échangeur de chaleur qui sont séparées par les plaques 10 de support de tubes suivant la présente invention Comme le représente la figure 2, un tube 20 échangeur de chaleur traverse concentriquement et coaxialement chacun des manchons tubulaires 12 La surface cylindrique intérieure de chaque manchon tubu- laire 12 a une forme telle qu'elle peut recevoir par glissement l'un des tubes 20 Chaque emmanchement d'un tube 20 dans un manchon tubulaire 12 est prévu avec un jeu 22 qui permet aux tubes 20 de glisser dans les man- chons tubulaires 12 dans le sens longitudinal indiqué par la flèche A Ce- pendant, on doit bien voir que le jeu maximal 22 doit être limité de ma- nière à empêcher tout déplacement latéral significatif dans le sens indi- qué par la flèche L. Chaque manchon tubulaire 12 est constitué d'un matériau qui ré- duira au minimum l'écorchure et l'usure du tube 20 qui lui est associé. Lorsque les tubes 20 sont en acier au chrome-molybdène, un manchon tubu- laire 12 en alliage à base de nickel, tel que l'alliage Inconel 718, satis- fait à ce critère Du fait que les tubes 20 n'entrent pas en contact direct avec la plaque 10 de support de tubes, cette dernière peut être constituée d'un matériau beaucoup moins coûteux tel qu'un acier au chrome-molybdène. Pour souder par diffusion chaque manchon tubulaire 12 à la plaque de support de tubes, on porte ces éléments à une température supérieure à 760 'C On facilite le soudage par diffusion en donnant à la surface cy- lindrique extérieure 16 du manchon tubulaire 12 et à la surface cylindrique intérieure 14 du trou,des formes qui permettent de les associer par un em- manchement serré Ce dernier assure entre ces deux éléments un contact étroit qui non seulement facilite l'opération de soudage par diffusion mais également maintient le manchon tubulaire 12 dans le trou auquel il est associé, avant et pendant l'opération de soudage par diffusion On peut, dans ce cas, effectuer le montage du manchon tubulaire 12 dans le trou au- quel il est associé soit en élevant la température de la plaque 10 ou en abaissant la température du manchon tubulaire 12 Cet écart provisoire de température éliminera l'obstacle des diamètres pendant le montage jusqu'à ce que les températures du manchon tubulaire 12 et de la plaque 10 s'équi- librent. On doit bien voir que la présente invention fournit un système de support de tubes qui est utilisable dans les échangeurs de chaleur et qui supporte les tubes latéralement tout en permettant leur déplacement longi- tudinal dans le système On doit bien voir également que la présente in- vention permet d'utiliser des matériaux relativement économiques pour construire la plaque de support de tubes, tout en ayant recours à des ma- tériaux offrant une meilleure résistance à l'usure pour les surfaces de contact entre le système de support des tubes et les tubes d'échangeur de chaleur. On doit bien noter que la description détaillée qui vient d'être faite, ne doit pas être considérée comme une limite à la présente inven- tion En particulier, les choix des matériaux mentionnés ci-dessus sont fonction de l'application spéciale du système de support de tubes et du matériau qui constitue les tubes de l'échangeur de chaleur Dans d'autres applications, dans lesquelles les tubes de l'échangeur de chaleur sont constitués d'un autre matériau, le système de support des tubes suivant la présente invention peut également être construit avec d'autres maté- riaux Bien que, dans la description ci-dessus, la présente invention uti- lise un acier au chrome-molybdène pour la plaque de support et un alliage à base de nickel pour les manchons tubulaires, d'autres choix de matériaux appropriés doivent être considérés comme faisant partie du domaine de la présente invention. Le Gouvernement des Etats-Unis possède des droits sur la présente invention en vertu du contrat N O DE-AC-02-77-ET-37201 adjugé par le Minis- tère de l'Energie. R E V E N D I C A T I O N S 1 Echangeur de chaleur comprenant un grand nombre de tubes sup- portés par au moins une plaque ( 10) de support de tubes percée de plusieurs trous qui la traversent et qui reçoivent chacun un tube présélectionné ( 20), caractérisé en ce que plusieurs manchons tubulaires ( 12) sont disposés cha- cun dans un trou présélectionné et sont en liaison rigide chacun avec la plaque ( 10) de support de tubes, la forme de chacun de ces manchons tubu- laires ( 12) étant telle qu'elle permet d'y emmancher par glissement l'un des tubes ( 20). 2 Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des manchons tubulaires ( 12) est métallurgiquement fixé à la plaque ( 10) de support de tubes par soudage par diffusion. 3 Echangeur de chaleur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que, pour exécuter ce soudage par diffusion, on chauffe la plaque de support des tubes et les nombreux tubes à une température supérieure à 760 OC. 4 Echangeur de chaleur suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la plaque ( 10) de support des tubes est en acier et les manchons tubulaires ( 12) en alliage au nickel. 5 Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que cha- cun des tubes ( 20) est emmanché par contraction dans un des nombreux trous présélectionnés. 6 Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les manchons ( 12) sont dilatés contre la surface intérieure des trous.