Brevet FR2570812A1 — publié le 19860328

La présente invention concerne un échangeur de chaleur compor- tant un faisceau logé dans un corps et dont les tubes sont fixés dans des plaques tubulaires d'extrémité et parcourus par un fluide primaire, le corps comprenant un tube enveloppe métallique et deux tronçons d'extrémité métalliques, et les plaques tubulaires étant mobiles, dans les limites de dilatation thermique et avec interposi- tion des moyens d'étanchéité, dans les tronçons d'extrémité qui sont serrés sur le tube enveloppe disposé entre eux, parcouru par un fluide secondaire et présentant des tubulures pour le fluide secondaire. La demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le n 31 10 489 décrit déjà un échangeur de chaleur com- portant un corps dans lequel est logé un faisceau de tubes. Les extré- mités des tubes de l'échangeur de chaleur sont maintenues dans des plaques tubulaires et parcourues par un fluide primaire. Le corps est constitué par un tube enveloppe métallique, deux viroles et deux couvercles qui sont assemblés par des tirants et des écrous. Les plaques tublaires sont maintenues dans les couvercles et les viroles, avec interposition de joints d'étanchéité, de façon à être mobiles dans les limites de la dilatation thermique. Les viroles portent les tubulures pour un fluide secondaire qui, à l'intérieur du tube enve- loppe, balaie la face extérieure des tubes de l'échangeur de chaleur. La constitution d'un tel échangeur de chaleur est très coûteuse car de nombreuses pièces détachées sont nécessaires, imposant de coû- teuses opérations d'usinage et un long temps de montage. C'est ainsi que le corps comprend cinq pièces détachées qui, y compris le tube enveloppe du commerce, doivent subir un usinage de reprise sans lequel une bonne application des pièces les unes sur les autres serait impos- sible, en particulier sur les brides d'assemblage du tube enveloppe et des viroles. De nombreux joints sont en outre nécessaires pour assurer l'étanchéité des pièces du corps entre elles et par rapport aux plaques tubulaires, et pour séparer les circuits des fluides. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 426 841 décrit un échangeur de chaleur à faisceau de tubes, dans lequel les tubes plas- tiques sont maintenus dans une plaque tubulaire également réalisée dans un matériau plastique. Le corps est également constitué par des pièces plastiques, une pièce centrale tubulaire étant munie de cou- vercles d'extrémité. La pièce centrale tubulaire et les couvercles présentent à leurs extrémités des collets du type bride, la collerette d'une plaque tubulaire s'étendant entre deux collets en regard. Un joint d'étanchéité est disposé entre chaque collet et la plaque tubu- laire. Les pièces du corps sont fixées par des anneaux de serrage de façon à appliquer les brides sur la plaque tubulaire. La dilatation thermique du faisceau de tubes doit être absorbée par l'élasticité des plaques tubulaires. Cet échangeur de chaleur présente certes une constitution simple par suite de la réalisation des pièces du corps et des moyens de fixation, mais aussi l'inconvénient d'être entièrement constitué par des pièces plastiques. Les matériaux plastiques sont choisis de façon à pouvoir être fondus ensemble, ce qui permet une fusion du bord exté- rieur de la plaque tubulaire sur les collets du type bride. Indépen- damment du fait que des échangeurs de chaleur en matériaux métalliques sont nécessaires pour de nombreuses applications et qu'aucune matière plastique ne peut alors être employée, un autre problème réside dans le fait que le montage connu n'est réalisable qu'avec des plaques tubulaires relativement élastiques. L'emploi d'un faisceau de tubes avec des plaques tubulaires rigides, présentant une mobilité limitée dans le corps, est alors impossible. L'échangeur de chaleur connu doit enfin être fabriqué avec des tolérances serrées, car les faces en regard des collets du type bride et de la collerette interposée de la plaque tubulaire sont pratiquement parallèles, de sorte qu'une compensation des tolérances par serrage des colliers est impossible. L'invention vise par suite à développer un échangeur de chaleur du type décrit en introduction, de façon qu'il soit constitué par des pièces simples, de production économique, qu'il permette une grande compensation des tolérances et que son montage soit extrêmement simple. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, les tronçons d'extrémité et le tube enveloppe sont munis à leurs extrémités en regard de collerettes dirigées vers l'extérieur et rabattues, l'angle par rapport à l'axe longitudinal du tube enveloppe ou des tronçons d'extrémité étant de 45 au minimum et de 90 au maximum; chaque plaque tubulaire est munie d'un joint, qui assure son étanchéité par rapport au tube enveloppe et au tronçon d'extrémité, et serrée simultanément entre deux collerettes rabattues en regard; et des colliers de serrage se placent sur les collerettes rabattues, la forme desdits colliers de serrage correspondant à celle des collerettes rabattues en regard. L'invention présente les principaux avantages suivants: l'échan- geur de chaleur est constitué par un nombre extrêmement réduit de pièces, qui peuvent être produites avec des tolérances relativement grandes et n'exigent aucun usinage de reprise. Le joint assure l'étan- chéité entre la plaque tubulaire et les deux pièces du corps à assem- bler et, simultanément, compense les tolérances de fabrication et les variations de longueur. La réalisation des moyens de serrage per- met un resserrage simple, le vissage du collier de serrage produisant une nette translation longitudinale des pièces du corps l'une sur l'autre. Le dispositif d'étanchéité permet en outre une translation importante par dilatation thermique, sans perte d'étanchéité. Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, les angles de deux collerettes en regard sont égaux entre eux et à environ par rapport à l'axe longitudinal du corps. Cette forme symétrique de la section du dispositif d'assemblage présente l'avantage suivant: le collier de serrage présente aussi une section symétrique, de sorte qu'une permutation des côtés est impossible lors du montage. Selon la disposition de l'échangeur de chaleur, il peut toutefois être avanta- geux que les tronçons d'extrémité présentent une collerette sensiblement d'équerre et que la collerette du corps en regard soit disposée suivant un angle les tronçons d'extrémité. Une réalisation particulièrement favorable de l'invention réside dans la combinaison avec un indicateur de fuite, constitué comme suit: la face du joint d'étanchéité en regard de la plaque tubulaire comporte une gorge disposée suivant la circonférence de la plaque tubulaire et reliée à la face extérieure de l'échangeur de chaleur par au moins un canal radial du joint d'étanchéité. Dans le cas d'une fuite entre la plaque tubulaire et le tube enveloppe ou entre la plaque tubulaire et un tronçon d'extrémité, cet indicateur de fuite judicieusement intégré au joint d'étanchéité dirige le fluide qui s'échappe sur la face exté- rieure de l'échangeur de chaleur et interdit un passage dans l'autre fluide. On évite ainsi des dommages résultant du mélange de fluides différents. La sortie du fluide indique la présence d'une fuite. Afin que la sortie du fluide de fuite ne se limite pas aux points d'assem- blage des colliers de serrage, il est avantageux que le collier de ser- rage présente des ouvertures radiales de section au moins égale à celle des canaux radiaux du joint d'étanchéité. Afin que le passage d'une éventuelle fuite soit assuré même lors du serrage des pièces du corps par le collier et de la déformation résultante du joint d'étanchéité, et selon une autre caractéristique de l'invention, la gorge est cons- tituée par une fourrure rigide et le canal radial par un tube indé- formable. Dans une forme de réalisation préférentielle du joint d'étan- chéité, la section de ce dernier présente la forme d'un trapèze dont la face de base s'applique sur la plaque tubulaire et dont les faces latérales s'appliquent sur les collerettes rabattues des pièces du corps. Une grande surface d'application du joint d'étanchéité sur les faces correspondantes est ainsi assurée, indépendamment du serrage du collier. Un tel dispositif est recommandé en particulier quand les angles de deux collerettes en regard sont égaux. Le joint d'étanchéité peut utilement présenter une section ronde quand les angles de deux collerettes en regard diffèrent. Un tel joint d'étanchéité est facilement adaptable à une forme quelconque. Selon une autre caractéristique de l'invention, un collier de serrage de chaque paire est muni de pattes-ou d'un étrier pour la fixation de l'échangeur de chaleur. Des moyens de fixation distincts et leur montage sur le corps de l'échangeur de chaleur sont ainsi inutiles. Une production particulièrement simple et économique du tube enveloppe est obtenue quand il est constitué par un corps tubu- laire étiré avec des tubulures formées pour le fluide secondaire. Les tronçons d'extrémité du corps peuvent de façon connue être constitués par des couvercles munis de tubulures pour le fluide primaire, L'invention permet toutefois aussi de constituer les tronçons d'extrémité du corps par des tubes de raccordement de même diamètre que le tube enveloppe. Un avantage particulier de cette mesure est obtenu quand ces tubes de raccordement sont constitués par des tubes d'un réseau de canalisations existant déjà, ce qui évite des couvercles et des tubulures supplémentaires pour le fluide primaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exem- ples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente (avec coupe partielle) un échangeur de chaleur à faisceau de tubes et assemblage par colliers de serrage; la figure 2 représente à plus grande échelle une variante de réalisa- tion du détail X; la figure 3 est une élévation suivant l'axe III de la figure 1; la figure 4a représente une variante de réalisation de la figure 2; la figure 4b représente un élément d'étanchéité de section ronde au repos; et la figure 5 représente le montage d'un échangeur de chaleur dans un réseau de canalisations existant. La figure 1 représente un échangeur de chaleur 1 avec un corps 2 comportant un tube enveloppe métallique 3 et deux tronçons d'extrémité métalliques, réalisés sous forme de couvercles 4 et 4'. Le tube enve- loppe 3 présente deux tubulures 5 et 6 pour l'entrée et la sortie du fluide secondaire. Comme le montre la coupe partielle sur la partie gauche de la figure 1, le tube enveloppe 3 contient un faisceau de plusieurs tubes 7, dont les extrémités 8 sont maintenues dans une plaque tubulaire 9 rigide. 70812 Le tube enveloppe 3 comporte à son extrémité une collerette rabattue 10, dirigée vers l'extérieur, l'angle a formé par la colle- rette 10 et l'axe longitudinal de l'échangeur de chaleur étant de environ. Le côté du couvercle 4 en regard du tube enveloppe 3 présente également une collerette rabattue 11, dirigée vers l'exté- rieur et qui, comme la collerette 10 du tube enveloppe 3, forme un angle a d'environ 60 avec l'axe longitudinal de l'échangeur de cha- leur 1. Entre les deux collerettes rabattues 10 et 11 se trouve un joint d'étanchéité 12 de section trapézoidale. La face enveloppe intérieure du joint d'étanchéité 12, c'est-à-dire la base du trapèze, s'applique sur la circonférence extérieure de la plaque tubulaire 9 et ses faces latérales s'appliquent sur les collerettes rabattues 10 et 11, le joint assurant ainsi simultanément l'étanchéité entre la plaque tubu- laire 9 d'une part et le tube enveloppe 3 et le couvercle 4 d'autre part. Un dispositif identique de collerette rabattue 10 et 11 avec un joint d'étanchéité 12 se trouve -à l'autre extrémité du tube enveloppe 3, à savoir au raccordement de ce dernier avec le couvercle 4'. Des col- liers de serrage 13 et 14, dont la section correspond à celle des col- lerettes rabattues 10 et 11, sont prévus pour la fixation des couvercles 4 et 4' sur le tube enveloppe 3. Les deux colliers de serrage 13 et 14 d'une paire se placent pratiquement sur toute la circonférence du dis- positif constitué par les collerettes rabattues 10, 11 et le joint d'étanchéité 12 interposé, et sont serrés par les boulons 15 et écrous 16 qui agissent sur les pattes 13' et 14' des colliers 13 et 14. Plus les écrous 16 sont tournés sur les boulons 15, plus les colliers de serrage 13, 14 s'abaissent sur les collerettes rabattues 10, 11 et provoquent ainsi par les faces inclinées le déplacement du couvercle 4 ou 4' par rapport au tube enveloppe 3. La force de pressage agissant sur le joint d'étanchéité 12 est ainsi augmentée simultanément. Comme le montre la figure 1, les-faces frontales des couvercles 4 et 4' por- tent des tubulures 17 et 17' pour le fluide primaire. La figure 2 représente à plus grande échelle une variante de réalisation du détail X de la figure 1. Comme sur cette dernière, deux collerettes rabattues 10 et 11 sont en regard, qui forment chacune le mime angle a avec l'axe longitudinal de l'échangeur de chaleur. Le joint d'étanchéité 12 de section trapézoïdale se trouve entre les col- lerettes 10 et 11. La face 18 du joint d'étanchéité 12 en regard de la plaque tubulaire 9 présente une gorge 19 circonférentielle, reliée par un canal 20 radial à la face extérieure du joint d'étanchéité 12. Ce dernier présente donc sur la face 18 deux secteurs d'étanchéité, qui agissent comme des joints séparés. Lorsqu'une fuite apparaît en effet sur un des secteurs d'étanchéité, le fluide qui s'échappe est dirigé vers l'extérieur par la gorge 19 et le canal radial 20, et ne peut donc pas atteindre l'autre fluide, ce qui risquerait de provoquer des dom- mages importants dans certaines conditions. Une fourrure rigide 21 est prévue pour maintenir la forme de la gorge 19, car de tels joints d'étanchéité 12 sont habituellement réa- lisés dans un matériau à élasticité caoutchoutique. Le canal radial 20 est constitué par un tube 22 indéformable. Afin que la seule sortie d'une éventuelle fuite ne se trouve pas sur les extrémités des colliers 13, 14 constituées par les pattes 13', 14', ce qui est gênant selon la position de l'échangeur de chaleur, les colliers de serrage 13 et 14 présentent aussi des ouvertures radiales 23, de sorte que la fuite est très rapidement décelable par la sortie de liquide. La figure 3 représente une élévation suivant l'axe III-III de la figure 1, les mîmes pièces portant les mîmes références que sur la figure 1. Cette élévation représente le couvercle 4' avec la collerette 11 de rayon plus élevé et la tubulure 17', à travers laquelle une partie de la plaque tubulaire 9 est visible avec les extrémités 8 fixées des tubes. Les colliers de serrage 13 et 14 recouvrent chacun pratiquement la demi-circonférence de la collerette 11, de sorte qu'un espace suffi- sant demeure entre les pattes 13' et 14' dirigées radialement vers l'extérieur pour le serrage à l'aide des boulons 15 et des écrous 16. Un étrier 24 est soudé sur le collier de serrage inférieur 14 et ses extrémités 25 en saillie présentent des trous de fixation, de sorte que l'étrier 24 sert à la fixation de l'échangeur de chaleur. La figure 4a représente une variante de réalisation du disposi- tif d'assemblage, dans laquelle le tronçon d'extrémité de l'échangeur de chaleur doit être constitué par un tube 27 du réseau de canalisa- tions présentant le même diamètre que le tube enveloppe 3. Le tube de raccordement 27 comporte une collerette 28 sensiblement d'équerre, dirigée vers l'extérieur et en regard d'une collerette 29 du tube enveloppe 3, rabattue et formant avec l'axe longitudinalde l'échan- geur de chaleur un angle a d'environ 50 . Entre les collerettes rabattues 28, 29 et la plaque tubulaire 9, dans laquelle sont fixées les extrémités 8 des tubes, se trouve un joint d'étanchéité 30 s'appli- quant sur la circonférence de la plaque tubulaire 9 et sur les colle- rettes rabattues 28 et 29. Le joint d'étanchéité 30 a initialement une section ronde, comme le montre la figure 4b; par suite de son élasticité et des forces qu'il subit lors du serrage des collerettes rabattues 28 et 29, il se déforme toutefois de façon à assurer une grande surface d'application tant sur les collerettes rabattues que sur la plaque tubulaire 9. Le joint d'étanchéité 30 comporte,comme le joint 12 précédemment décrit à l'aide de la figure 2, une gorge 19 circulaire à fourrure 21 de renforcement et un tube 22 constituant le canal radial 20. Un collier de serrage 31, approprié aux angles des collerettes 28 et 29, est prévu avec des branches 32 et 33 adap- - tées aux angles des collerettes 28 et 29. Le collier de serrage 31 présente en outre une ouverture radiale 34 pour le passage du liquide de fuite. Avec le dispositif d'assemblage représenté à la figure 4a, le serrage du collier 31 produit une translation relative du tube de raccordement 27 et du tube enveloppe 33, par la seule action des faces inclinées de la collerette 29 et de la branche 32. La figure 5 représente schématiquement le montage de l'échan- geur de chaleur selon l'invention dans un réseau de canalisations exis- tant. Les tubes de raccordement 27 présentent le même diamètre que le tube enveloppe 3 de l'échangeur de chaleur 1. Ce dernier est relié par des colliers de serrage 13 et 14 aux tubes de raccordement 27 de la façon précécemment décrite à l'aide de la figure 1. Comme le montre nettement la figure 5, il est ainsi possible d'économiser les couver- cles constituant les tronçons d'extrémité, tels qu'ils sont repré- sentés sur la figure 1, et les tubulures correspondantes pour le fluide primaire. Un tel montage de l'échangeur de chaleur est possible uni- quement parce que le dispositif d'assemblage permet une grande compen- sation des tolérances avec une étanchéité fiable entre les deux cir- cuits. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. 2 5 7U 0 812 Revendications 1. - Echangeur de chaleur comportant un faisceau logé dans un corps et dont les tubes sont fixés dans des plaques tubulaires d'extrémité et parcourus par un fluide primaire, le corps comprenant un tube enveloppe métallique et deux tronçons d'extrémités métalliques, et les plaques tubulaires étant mobiles, dans les limites de la dilatation thermique et avec interposition de moyens d'étanchéité, dans les tronçons d'extrémité qui sont serrés sur le tube enveloppe disposé entre eux, parcouru par un fluide secondaire et présentant des tubulures pour le fluide secondaire, ledit échangeur de chaleur étant caractérisé en ce que les tronçons d'extrémité (4, 4', 27) et le tube enveloppe (3) sont munis à leurs extrémités en regard de collerettes (10, 11, 28, 29) dirigées vers l'extérieur et rabattues, l'angle (a) par rapport à l'axe longitudinal du tube enveloppe (3) ou des tronçons d'extrémité (4, 4', 27) étant de 45 au minimum et de 90 au maximum; chaque pla- que tubulaire (9) est munie d'un joint (12, 30), qui assure son étan- chéité par rapport au tube enveloppe (3) et au tronçon d'extrémité (4, 4', 27), et serrée simultanément entre deux collerettes rabattues en regard (10, 11 ou 28, 29); et des colliers de serrage (13, 14, 31) se placent sur les collerettes rabattues (10, 11 ou 28, 29), la forme desdits colliers de serrage (13, 14, 31) correspondant à celle des collerettes rabattues en regard (10, 11, 28, 29). 2. Echangeur de chaleur selon revendication 1, caractérisé en ce que les angles (a) de deux collerettes (10, 11) en regard sont égaux entre eux et d'environ 60 . 3. Echangeur de chaleur selon revendication 1, caractérisé en ce que les angles de deux collerettes (28, 29) en regard sont différents, une collerette (28) présentant un angle d'environ 90 et l'autre col- lerette (29) un angle 4. Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la face (18) du joint d'étanchéité (12, 30) en regard de la plaque tubulaire (9) comporte une gorge (19) disposée suivant la circonférence de la plaque tubulaire et reliée à la face extérieure de l'échangeur de chaleur (1) par au moins un canal radial (20) du joint d'étanchéité (12, 30). 708 12 5. Echangeur de chaleur selon revendication 4, caractérisé en ce que le collier de serrage (13, 14, 31) présente des ouvertures radiales (23, 34) dont la section est au moins égale à celle des canaux radiaux (20) du joint d'étanchéité (12, 30). 6. Echangeur de chaleur selon revendication 4, caractérisé en ce que la gorge (19) est formée par une fourrure rigide et le canal radial (20) est constitué par un tube indéformable (22). 7. Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la section du joint d'étanchéité (12) présente la forme d'un trapèze dont la face de base (18) s'applique sur la plaque tubulaire et dont les faces latérales s'appliquent sur les collerettes rabattues (10, 11). 8. Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le joint d'étanchéité (30) présente une section ronde. 9. Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'un collier de serrage (14) de chaque paire est muni de pattes ou d'un étrier (24) pour la fixation de l'échangeur de chaleur (1). 10. Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le tube enveloppe (3) est constitué par un corps tubulaire étiré avec des tubulures (5, 6)-formées pour le fluide secondaire. 11. Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les tronçons d'extrémité du corps (2) sont constitués par des couvercles (4, 4') avec des tubulures pour le fluide primaire. 12. Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les tronçons d'extrémité du corps (2) sont constitués par des tubes de raccordement (27) de même diamètre.