Brevet FR2530797A1 — publié le 19840127

L'invention concerne un échangeur de chaleur comportant un tube central disposé verticalement, des plaques porteuses s'étendant depuis le tube central dans la direction radiale et axiale jusqu'à un tube enveloppe en- tourant coaxialement le tube central et au moins un faisceau, porté par des plaques porteuses, de tubes d'échangeur de chaleur enroulés en hélice autour du tube central, ainsi que des orifices de liaison dans la zone de l'extrémité supérieure et inférieure du tube enveloppe depuis les chambres se trouvant entre le tube central et le tube enveloppe jusqu'à des canaux d'arrivée et de sortie destinés à un premier milieu participant à la trans- mission de chaleur et se répandant autour des tubes d'échangeur de chaleur, lesdits tubes d'échangeur de chaleur étant alors conduits dans les zones se trouvant au-dessus et au-dessous des plaques porteuses, en s'écartant d'un parcours en hélice, vers des moyens collecteurs ou répar- titeurs Si un tel échangeur de chaleur est alimenté à partir du bas par un milieu chaud pendant une période assez longue, il en résulte des conditions instables lors de l'arrêt soudain du courant du milieu se répandant autour des tubes d'échangeur de chaleur à cause de la stratification de température dans l'espace annulaire se trouvant entre le tube central et le tube enveloppe, car dès qu'il y a une légère perturbation, des secteurs in- dividuels formés par les plaques porteuses peuvent devenir des zones montantes et d'autres,des zones descendantes. Etant donné la circulation qui a lieu alorsdes conditions de température non symétriques sont produites; elles peuvent provoquer des tensions thermiques trèsélevées en particulier dans le-tube central et dans le tube enveloppe. Le problème qui est à la base de la présente invention est d'empocher une répartition dangereuse des températures provoquée par une telle instabilité Ce problème est résolu en ce que dans l'alignement des plaques porteuses, des plaqués séparatrices s'y raccordant sont disposées pour subdiviser l'espace annulaire s'étendant autour du tube central au-dessus et/ou au- dessous des plaques porteuses A cause des plaques séparatrices,des résistances sont néanmoins introduites même lorsque les espaces formés par-les plaques porteuses ne sont pas entièrement fermes de façon étanche les uns par rapport aux autres, et celles-ci s'opposent à l'insta- bilité et freinent une circulation au moins assez fortement pour que les risques qu'elles impliquent soient négligeables. Les plaques séparatrices sont spécialement efficaces lorsqu'elles s'étendent à travers les orifices de liaison ou bien dans les canaux d'arrivée ( 36) et/ou de sor- tie ( 34), en se raccordant à des traverses se trouvant entre les orifices de liaison. Selon une forme de réalisation de la présente invention, les plaques porteuses sont disposées sur la périphérie du tube central en nombre impair; ceci s'oppose additionnellement à l'instabilité. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre d'une forme de réalisation de la présente inven- tion donnée à titre d'exemple en référence à la figure unique du dessin qui représente une coupe verticale de l'échangeur de chaleur destiné à des gaz selon la présente invention. L'échangeur de chaleur comprend un tube central vertical 1 qui repose par une bride supérieure 2 sur un épaulement 4 d'un orifice cylindrique 6 d'une structure en béton 7 Sur le tube central 1 sont fixées dans cinq plans radiaux respectivement huit plaques porteuses 10 dont seulement quatre peuvent être vues sur le dessin. Les plaques porteuses individuelles comportent une plu- ralité de trous 12 disposés en cinq séries verticales respectives Par les trous 12 s'étendent sur cinq faces cylindriques 14 dans lesquelles les séries mentionnées forment des génératrices, plusieurs tubes d'échangeur de chaleur 16 enroulés en hélice autour du tube central 1. Les tubes d'échangeur de chaleur 16 sont reliés de façon étanche avec l'extrémité inférieure du tube central l par l'intermédiaire de sections de tubes 18 inférieures courbées s'écartant des lignes hélicoïdales En outre, le tube central 1 est fermé en bas. En haut, les tubes d'échangeur de chaleur 16 sont également reliés à une chambre de répartition annii- laire 22 par l'intermédiaire de sections de tubes 9 courbées s'écartant des lignes hélicoïdales, la chambre 22 étant limitée en bas par la bride 2 et par ailleurs par un anneau 23 d'une section transversale à peu près en forme d'oméga La chambre de répartition 22 comporte quatre raccords d'arrivée de gaz 24 en répartition sur sa périphérie. Le tube central 1 est entouré, avec le faisceau de tubes d'échangeur de chaleur 16 porté par les plaques porteuses 10, par un tube enveloppe 30 qui est suspendu par un lanterneau 32 comportant des orifices 34 à la bride 2 Dans la zone de l'extrémité inférieure du tube central 1, le tube enveloppe 30 est rétréci en cône et est raccordé à un raccord d'arrivée de gaz 36. L'orifice 6 est revêtu d'une garniture 40, un isolant 42 étant prévu entre-la garniture 40 et l'ori- fice 6 La garniture 40 est rétrécie vers le bas et soudée à un raccord de sortie de gaz 44. -Le tube central 1 porte un isolant interne 50 et le tube enveloppe 30 est muni d'un isolant externe 52. Huit plaques porteuses 10 sont chaque fois disposées de niveau dans un plan vertical, cinq de tels plans s'étendant alors radialement à partir de l'axe du tube central 1 Par les plaques porteuses, l'espace annulaire se trouvant entre le tube central 1 et le tube enveloppe 30 est ainsi subdivisé en cinq espaces en forme de secteurs annulaires Ces espaces débouchent au-dessus des cinq plaques porteuses 10 les plus hautes comme au- dessous des cinq plaques porteuses 10 les plus basses dans un espace annulaire 54 ou 56 Selon la présente in- vention, on prévoit cinq plaques séparatrices 60 qui s'étendent en prolongement des cinq plaques porteuses supé- rieures 10 entre leur bord supérieur, le tube central 1, la bride 2 et le lanterneau 32 A l'extérieur, les plaques séparatrices 60 se heurtent respectivement à une entretoise se trouvant entre deux orifices 34 du lanterneau 32 Elles sont prolongées par des tôles en ailette 62 qui s'étendent vers le bas, en se raccordant extérieure- ment aux entretoises mentionnées, dans l'espace se trou- vant entre l'isolant 52 du tube enveloppe 30 et la garni- ture 40 dans les plans verticaux des plaques porteuses 10. L'extrémité inférieure 64 des tôles en ailette 62 se trouve dans la zone supérieure de la plaque porteuse infé- rieure 10. L'échangeur de chaleur fonctionne comme suit: En fonctionnement,de l'hélium à 950 C -entre par le raccord d'arrivée de gaz 36 en se répandant autour- d'un capuchon de couverture 66, dans l'espace annulaire inférieur 56 entre le tube central 1 et le tube enveloppa Les tubes d'échangeur de chaleur 16 étant baignés transversalement par l'hélium, celui-ci monte en fournis- sant de la chaleur contre la bride 2 et sort à cet endroit en étant refroidi à 350 'C par les orifices 34, et s'écou- le vers le bas par l'espace annulaire se trouvant entre l'isolant 52 du tube enveloppe 30 et la garniture 40. L'hélium s'écoule alors par l'intermédiaire du canal annu- laire entre le raccord d'arrivée de gaz 36 et le raccord de sortie de gaz 44. Le gaz du procédé entre à une température de 300 'C dans les tubes d'échangeur de chaleur 16 par l'inter- médiaire des-raccords d'arrivée de gaz 24 et de la chambre de répartition 22 Chauffé à 900 'C, le gaz du procédé à l'extrémité inférieure du tube central 1 entre dans celui-ci et s'y écoule-vers le haut - Lorsque le fonctionnement a été interrompu de façon soudaine, la stratification de température dans l'espace annulaire entier entre le tube central 1 et le tube enveloppe 30 serait instable sans les plaques de séparation 60 Le gaz du bas spécifiquement plus léger est refoulé vers le haut et le gaz du haut spécifiquement plus lourd a tendance à descendre On peut ainsi produire des courants de circulation par lesquels des regroupages et finalement un certain équilibre de tempé- rature ont lieu Cependant, jusqu'à la survenance d'un tel équilibre de température, des répartitions différentes de température peuvent avoir lieu; elles mèneraient à des tensions thermiques, en particulier-dans le tube - central 1 et le tube enveloppe 30 De telles perturbations pèsent d'un grand poids lorsque dans un secteur limité par deux plans voisins de plaques de séparation, le gaz s'écoule vers le haut et qu'il s'écoule vers le bas dans un secteur voisin, car les plaques porteuses empêchent tout mélange latéral et donc un équilibre de température entre le courant gazeux ascendant plus chaud et le courant gazeux descendant plus froid Par la disposition selon la présente invention des plaques séparatrices 60, on produit dans l'espace annulaire 54 une résistance contre un tel écoulement circulatoire d'une valeur suffisante pour qu'en général il ne puisse démarrer Lorsque ces plaques séparatrices sont prolongées, comme le montre le dessin, même dans l'espace annulaire se trouvant entre le tube enveloppe 30 et la garniture 40 jusqu'à l'extrémité infé- rieure désignée par 64, la production d'un tel écoulement circulatoire est contrariée additionnellement, car les secteurs se trouvant dans l'espace annulaire entre l'iso- lant 52 du tube enveloppe 30 et la garniture 40 fonction- nent à la façon de siphons. En disposant un nombre impair, c'est-à-dire dans l'exemple décrit, de cinq plans de plaques porteuses, bn obtiènt que la configuration d'espaces ascendants et d'espaces descendants consécutifs de la périphérie de l'échangeur de chaleur ne peut se défaire On a ainsi un amortissement supplémentaire de l'instabilité de l'écoulement. En fonction des conditions de raccordement à l'espace annulaire inférieur 56, il peut être approprié de disposer également à cet endroit des plaques sépara- trices Dans les conditions de raccordement montrées, la disposition de plaques séparatrices dans l'espace annulaire 56 impliquerait cependant l'inconvénient d'augmenter la hauteur des colonnes de gaz participant à la circulation. On peut voir dans l'exemple des tôles en ailette 62 qu'il est possible de créer des conditions particulière- ment favorables lorsque la liaison transversale entre des secteurs voisins formée par l'espace annulaire 56 se trouve à peu près à la même hauteur que la liaison transversale qui est formée par l'espace annulaire en dessous de l'arête 64 des tôles en ailette 62. Contrairement à l'exemple décrit, la disposition selon la présente invention des plaques séparatrices peut être utilisée également avec des échangeurs de chaleur hauts dans lesquels les tubes ne sont pas enroulés en hélice mais, par exemple, s'étendent verticalement. REVENDICATIONS 1 Echangeur de chaleur comportant un tube central ( 1) disposé verticalement, des plaques porteuses ( 10) s'étendant depuis le tube central ( 1) dans la direction radiale et axiale jusqu'à un tube enveloppe entourant coaxialement le tube central ( 1) et au moins un faisceau, porté par les plaques porteuses ( 10), de tubes ( 16) d'échangeur de chaleur enroulés en hélice autour du tube central ( 1), ainsi que des orifices de liaison dans la zone de l'extrémité supérieure et infé- rieure du tube enveloppe ( 30) depuis les chambres se trouvant entre le tube central ( 1) et le tube enveloppe ( 30) jusqu'à des canaux d'arrivée et de sortie ( 34, 36) destinés à un premier milieu participant à la transmission de chaleur et se répandant autour des tubes ( 16) d'échan- geur de chaleur, lesdits tubes d'échangeur de chaleur ( 16) étant alors conduits dans les zones se trouvant au-dessus et au-dessous des plaques porteuses ( 10), en s'écartant d'un parcours en hélice, vers des moyens collecteurs ou répartiteurs, caractérisé en ce que dans l'alignement des plaques porteuses ( 10), des plaques séparatrices ( 60) s'y raccordant sont disposées pour subdiviser l'espace annulaire s'étendant autour du tube central ( 1) au-dessus et/ou au-dessous des plaques porteuses ( 10). 2 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques séparatrices ( 60) s'étendent à travers les orifices de liaison ou bien dans les canaux d'arrivée ( 36) et/ou de sortie ( 34), en se raccordant à des traverses se trouvant entre les ori- fices de liaison. 3 Echangeur de chaleur selon l'ue des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que les plaques porteuses ( 10) sont disposées sur la périphérie du tube central ( 1) en nombre impair.