Brevet FR2553316A1 — publié le 19850419

La présente invention concerne un dispositif pour la fixation de plaques (lames) d'échangeur de chaleur sur des tubes porteurs. Il est connu que, dans l'industrie, dans l'agriculture, dans les services, etc., on utilise en grand nombre des échangeurs de chaleur formés de plaques principalement dans des buts de refroidissement. Les échangeurs de chaleur se composent essentiellement de tubes pour le transport du fluide porteur de chaleur et de plaques d'échange de chaleur engagées sur ceux-ci. Pour qu'elle puisse remplir leur fonction de façon permanente, on doit établir une liaison solide entre le tube porteur et les plaques d'échange de chaleur. Lors de l'utilisation de tubes en acier et de plaques d'échange de chaleur en acier, ces impératifs sont satisfaits par immersion par exemple dans un bain d'étain ou de zinc. L'étain assure la protection des éléments de construction contre la corrosion et il assure également simultanément la fixation des plaques. Dans le cas de tubes à paroi mince, la liaison entre la partie d'assise des plaques d'échange de chaleur sur le tube et le tube proprement dit est réalisée par expansion mécanique, par exemple au moyen de billes. En relation avec la production d'échangeurs de chaleur, on s'est intéressé de plus en plus a l'aluminium. Du fait de sa facilité de mise en oeuvre, de sa bonne conductibilité thermique et de sa grande résistance à la corrosion, l'aluminium peut être considéré comme un matériau idéal pour la fabrication de plaques d'échangeurs de chaleur. Malgré ces propriétés intéressantes, l'utilisation de l'aluminium n'a pas pu être élargie à cause des problèmes concernant la liaison. Il est notamment connu que la couche d'oxyde recouvrant la surface d'aluminium entrave l'établissement d'une liaison métallique avec d'autres matériaux. L'élimination de cette couche d'oxyde et la préparation de cette surface en vue de l'établissement d'une liaison métallique correcte sont des opérations très compliquées et par cpnséquent très coûteuses. Pour cette raison, l'utilisation de l'aluminium ne s'est pas étendue. Les autres solutions connues établissent une liaison entre le tube porteur et la plaque d'échange de chaleur en aluminium par voie mécanique. Dans le cas de tubes de faible résistance et à paroi mince, on a pensé a utiliser le procédé d'expansion de tube déjà cité. Ce procédé a une possibilité d'application limitée car il ne peut etre utilisé que dans des cas ou aucun impératif de sollicitation dépassant le poids des plaques est imposé aux tubes. Lors de l'utilisation d'un tube à paroi épaisse ou de grande résistance une des solutions connues assure la fixation des plaques d'échange de chaleur par des bagues d'espacement. Dans cette solution, les bagues d'espacement entourent les plaques d'échange de chaleur sur les deux côtés. Elles garantissent, d'une part, une position stationnaire des plaques mais, d'autre part, elles déterminent l'espacement entre les plaques. Conformément à une autre solution, les parties d'assise sur le tube sont agencées de façon appropriée pour le maintien d'espacement ou pour satisfaire aux problèmes de fixation. Cette double fonction est remplie en agençant la partie d'assise sur tube avec un profil conique. Ainsi, notamment, les parties d'assise des plaques d'échange de chaleur sur le tube porteur peuvent être reliées entre elles à un degré établi en correspondance au profil conique. On peut résumer comme suit les défauts des solutions précitées: - pour la production, le travail manuel est élevé et le processus de production peut être difficilement automa tisé; - aussi bien les bagues d'espacement que les parties d' assise sur tube de profils spéciaux empêchent l'établissement de conditions optimales de transmis sion de chaleur; - dans le cas d'un refroidissement poussé, il se forme de la glace sur les zones de jonction des bagues d'espacement, ainsi que sur les parties d'assise sur tube et il en résulte des tensions perturbatrices et le raccourcissement de la durée de service de l'echan- geur de chaleur; - la possibilité de déformation à froid de l'alumin um limite l'agencement spécial des parties d'assise sur tube. Par suite des défauts précités, en particulier en considération de l'extension rapide d'utilisation des échangeurs de chaleur, il est apparu nécessaire de mettre au point des modes de liaison qui satisfassent aussi bien a l'impératif technique de transmission de chaleur q'à l'impératif déterminant pour la durée de service ou la productivité. La présente invention a pour but d'atteindre ces trois objectifs. L'invention est basée sur la connaissance qu'il est possible d'établir une liaison d'une qualité semblable a celle précitée par la pression mécanique exercée sur les parties d'assise sur tube, dans le cas d'un choix dose des paramètres, au moyen d'une brasure. La condition fondamentale d'établissement de cette liaison consiste en ce que les propriétés de résistance du tube dépassent considérablement les pro piétés de résistance de la plaque d'échange de chaleur. Les paramètres de ces éléments doivent être choisis en pratique de telle sorte que le tube reste, pour la valeur de pression où le matériau de la partie d'assise sur tube prend déjà une déformation permanente, c 'est-a- dire flue, à l'intérieur des limites de la déformation élastique. Si on fait en outre en sorte que l'application de la pression mécanique exercée sur la partie d'assise sur tube soit effectuée dans un processus automatisé de production de l'échangeur de chaleur, les trois objectifs sont remplis.Une difficulté particulière se posant lors de la résolution pratique du problème est produite par le fait que la pression mécanique doit être exercée sur une partie d'assise sur tubede forme annulaire, l'échangeur de chaleur à réaliser comportant simultanément 4, 8, 16, etc., éléments Les tubes sont disposés de façon très rapprochée l'un de l'autre dans plusieurs rangées. Le problème posé est résolu, conformément à l'invention, de la manière décrite dans la suite. La partie d'assise sur tube de la plaque d'échange de chaleur est entourée par un fourreau fendu à cône extérieur. Si on exerce une pression axiale par l'intermédiaire d'un fourreau à cône intérieur sur le fourreau à cône extérieur, et si on empêche simul tanément son mouvement axial, les segments produits par la fente se déplacent par translation radiale et exercent une force sur la partie d'assise sur tube. Par un dimensionnement adapté du manchon et du fourreau, et également de la force de poussée, on peut obtenir que la partie d'assise sur tube flue sous l'effet des forces exercées sur celle-ci et établisse avec le tube porteur une liaison mécanique solide. Si on relie l'installation à une machine automatique de production d'échangeurs de chaleur, et si on introduit les mouvements nécessaires pour la sollicitation des segments du fourreau divisé à cône extérieur dans le programme de la machine automatique, il est possible d'automatiser complètement la production. Un mode de réalisation possible de l'invention est représenté sur la figure 1. En vue de faciliter la clarté de compréhension, les éléments les plus importants de l'invention ont été représentés à échelle agrandie sur la figure 2. Le dispositif est relié, dans le cas considéré à titre d'exemple, à la tête de mise en place de la machine automatique, décrite dans le brevet HU-158 058 pour la fabrication de blocs frigorifiques, par une broche 8 avec filetage. Le dispositif fonctionne de la façon suivante: La plaque d'échange de chaleur 2 est mise en place de la manière classique sur le tube porteur Avant que la plaque atteigne la zone de fixation, le cylindre hydraulique 14 est mis en mouvement et sa tige de piston fait avancer le plateau presseur 9. Le cylindre hydraulique 14 est fixé par rapport à la broche 8 à l'aide de la plaque porteuse 16. L'alimentation en huile du cylindre hydraulique est assurée par le tuyau 15. Sous l'action du plateau presseur, la force de poussée est transmise aux fourreaux 4à cône intérieur, guidés par le manchon 6 et dont le nombre correspond au nombre des tubes porteurs. Le fourreau fendu 4 à cône intérieur pousse de manière à les rapprocher radialement les segments du fourreau 3 à cône extérieur qui est fendu et fixé par des boulons de fixation 5 sur la tête de mise en place 7. Les segments qui sont rapprochés par compression sollicitent la partie cylindrique d'assise sur tube de la plaque d'échange de chaleur 2 de façon à 1 tappliquer contre la périphérie extérieure du tube. La sollicitation peut être effectuée aussi bien dans la condition mobile que dans la condition immobile de la tête de mise en place. Lors du mouvement de retour de la tige de piston dans la position initiale, le plateau presseur 9 entraîne le fourreau 4 à cône intérieur par l'écrou axial 12 tandis que le fourreau fendu 3 à cône extérieur n'est plus sollicité par une pression et reprend sa forme initiale. Lorsque la tête de mise en place commence à revenir encore une fois dans la position initiale en vue de l'exécution d'un processus de mise en place, elle entraîne également avec elle le dispositif de fixation de plaques. Dans le cas d'un échangeur de chaleur se composant de plusieurs ou de nombreux tubes porteurs, des forces de différentes grandeurs sont exercées sur les différentes parties d'assise sur tubespar suite des écarts rentrant dans la gamme de tolérances des tubes ayant théoriquement le même diamètre, et du fait que notamment le plus grand diamètre de tube devrait commander la pression d'assemblage. Ainsi, il pourrait se produire que, dans le cas d'une grande dispersion des diamètres de tubes, la partie d'assise de la plaque ne puisse pas être suffisamment sollicitée dans le cas d'un tube de diamètre minimale. Pour éviter cela, on doit faire en sorte que les fourreaux à cône intérieur puissent exécuter des courses différentes en fonction du diamètre des tubes. Dans ce but, il est prévu la bague élastique Il placée devant le plateau de pression 9. Une cale 10 est disposée entre la bague élastique et le fourreau à cône intérieur. Dans le cas où notamment la sollicitation a été arrêtée sur un tube quelconque sous l'effet d'un grand diamètre de tube, c' est-a-dire lorsque le fourreau 4 à cône intérieur ne peut plus avancer, la force de poussée est absorbée par la déformation de la bague élastique 11 Ainsi, le cylindre hydraulique peut continuer à faire avancer le plateau de pression et la sollicitation peut également s'arrêter sur les autres tubes. Après la sollicitation, on obtient une liaison solide exempte de mouvement. Par suite des écarts de grosseurs des tubes, ou des inégalités des tubes, il pourrait arriver que le plateau de pression 9 s'écarte du plan théorique. Les forces perturbatrices ainsi engendrées peuvent être éliminées par le positionnement de l'axe directeur au moyen du siège sphérique 13. Les avantages du dispositif conforme à 1 'inven- tion peuvent être résumés comme suit: - on peut établir mécaniquement une liaison permettant de satisfaire aussi bien aux impératifs de résistance qu'aux impératifs thermotechniques; - les plaques d'échangeur de chaleur pourvues de parties d'assise sur tubes agencées spécialement, ou bien des plaques auxiliaires (des bagues d'espacement), qui causent des difficultés en ce qui concerne la produc tion, la transmission de chaleur et la résistance, ne sont pas nécessaires; - l'opération de fixation conforme à-l'invention peut être incorporée simplement aux processus de fabrication automatiques et ainsi le passage à l'utilisation d'aluminium ne diminue pas la production. Le dispositif conforme à l'invention n'est pas limité à l'utilisation de plaques d'échangeur de chaleur en aluminium car il convient également bien pour la mise en place de plaques fabriquées en autres métaux. Ainsi par exemple, on peut l'utiliser pour la fabrication d'échangeuls de chaleur en cuivre rouge, où au contraire la fixation des plaques de 1 'échangeur de chaleur sur les tubes s'effectue par expansion du tube. Le dispositif conforme à l'invention n'est pas uniquement utilisable dans la machine automatique, représentée a titre d'exemple, pour la fabrication de blocs frigorifiques, du fait qu'il permet d'établir également une liaison parfaite lorsque le diamètre de la partie d'assise sur tube dépasse le diamètre du tube porteur à un degré tel qu'il est possible de mettre les pièces manuellement en place, c'est-à-dire que le dispositif peut également être utilisé pour une mise en place manuelle. REVENDICATIONS Dispositif pour la fixation de plaques d'échangeurs .de chaleur sur des tubes porteurs, caractérisé en ce qu'il se compose de manchons fendus (3) à cône extérieur, dont le nombre correspond à celui des parties d'assise sur tubes des plaques d'échangeurs de chaleur, de fourreaux (4) à cône intérieur s'appliquant contre ceux-ci, de plateaux de pression (9) ainsi que d'un organe de transmission de force (14). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un élément élastique (11) entre la plateau de pression (9) et le fourreau (4) à cône intérieur. 3. Dispositif selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce que le plateau de pression (9) est positionné au moyen d'un siège sphérique (13).