Brevet FR2571837A1 — publié le 19860418

"APPAREIL DE RECHAUFFAGE DE FLUIDE" La présente invention est relative à un appareil de réchauffage de fluide du type coemprenant une enveloppe dans laquelle sont montés un dispositif d'injection d'un fluide de chauffage comportant au moins une rampe perforée, et un ensemble de tubes de circulation du fluide à traiter. L'invention a pour but de fournir un appareil de ce type dont la construction soit particulièrement économiqueo A cet effet, l'invention a pour objet un appareil de réchauffage du ype précité caractérisé an ce que le dispositif d'iljaction forme un châssis de support des txubes. Suivant des caract5ristiques avantageuses de l inv-ention - le dispositif dinjection est disposE dans un plan vertical m5dian de 1'enveloppe. Cette disposition est octimale du point de vue des sollicitations mécaniqyes subies par le dispositif d'injection - iorsque lappareil ccorte plusieurs nappes de tubes, le dispositif d'injection cOrúorte plusieurs rampes suparposées adaptées pour injecter des débits différents de fluide de chauffage. On peut ainsi moduler de façon optimale l'apport de chaleur à chue niveau de l'enveloppe; la ou chaque rampe présente de chaque cité une rangée de perforations. On crée ainsi de très fortes turbulences dans -l'enveloppe, ce qui favorise l'échange de chaleur; - le dispositif d'injection est équipé de galets adaptés pour rouler et être guides dans des moyens de guidage prévus dans l'enveloppe. Ceci perxet de monter l'ensemble de l'appareil dans sa position couchée définitive, sans intervention d'engins de levage; - lorsque le fluide de chauffage est de l'eau ou de la vapeur d'eau, l'enveloppe comporte à sa partie supérieure un trop-plein d'évacuation d'eau consistant en une tubulure qui pénètre sur une certaine hauteur dans l'enveloppe. L'enveloppe forme alors un vase d'expansion qui absorbe automatiquement les variations du débit d'eau de chauffage; - l'enveloppe comprend une virole cylindrique et deux fonds, notamment bombés. Ceci lacilite la construction de l'appareil et permet de le faire fonctionner sous une pression supérieure à la pression atmosphérique. Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels: 7 1837 - la figure 1 est une vue en élévation d'un appareil de réchauffage conforme à l'invention, l'enveloppe étant partiellement supprimée pour montrer l'agencement intérieur de l'appareil; - la figure 2 est une vue de dessus du mome appareil après suppression partielle de l'enveloppe; - la figure 3 représente, dans sa moité gauche, une demi-vue en bout et en coupe prise suivant la ligne brisée A-A de la figure 1 et, dans sa moitié droite, une demi-vue en bout et en coupe prise suivant la ligne brisée BB de la figure 1; et - la figure 4 est une vue partielle d'une variante. L'appareil de réchauffage représenté aux figures 1 à 3 est destiné à vaporiser puis à réchauffer un liquide cryogénique tel que l'azote liquide, l'oxygène liquide, l'hydrogène liquide, l'argon liquide, etc... Cet appareil est constitué d'une enveloppe 1, éventuellement pourvue d'un calorifugeage 2, qui contient un équipage rigide 3, lui-même constitué pour l'essentiel d'un dispositif 4 d'injection d'eau de chauffage et d'une série de tubes 5 de circulation du fluide à réchauffer. L'enveloppe 1 est constituée d'une virole cylindrique 6 d'axe X-X horizontal, fermée par deux fonds bombes 7 et 8, le fond 7 étant soudé à demeure et le fond 8 fixé de façon étanche et amovible par un assemblage à brides 9 et à boulons. Deux fers en U 10 sont fixés par leur âme sur les génératrices supérieure et inférieure de la virole 6, à l'intérieur de celle-ci, et une tubulure de trop-plein 11 traverse cette virole à sa partie supérieure, près du fond 7, en pénétrant sur une faible hauteur H à l'intérieur de la virole. Le dispositif d'injection 4 est entièrement contenu dans le plan vertical médian de l'enveloppe 1, c'est-à-dire dans le plan vertical qui passe par l'axe X-X. Ce dispositif est constitué de deux montants verticaux creux 12 reliés par trois tuyaux horizontaux 13. Les montants 12, obturés à chaque extrémité, sont équipés chacun d'un galet inférieur 14A à axe horizontal adapté pour rouler sur l'âme du U 10 inférieur et d'un galet supérieur 14B à axe vertical adapté pour être guidé par les ailes du U 10 supérieur. Les tuyaux 13 présentent de chaque côté une rangée de perforations 15 situées dans leur plan diamétral horizontal, et ils constituent donc chacun une rampe d'injection d'eau dans l'appareil; un tuyau 16 d'alimentation en eau traverse le fond 8 suivant l'axe X-X et 257 1837 est relié au montant 12 adjacent. Sur la noitié droite de la figure 3, le montant correspondant a été supprimé pour illustrer le fonctionnement de l'appareil, qui sera décrit plus loin. Sur les trois tuyaux 13 sont fixés par soudage plusieurs plaques-supports transversales 17, dont le contour (figure 3) épouse grossièrement le contour intérieur de la virole 6, avec un jeu important. Ces plaques sont percées d'autant de trous qu'il y a de tubes 5; chacun de ces trous est pourvu d'un collet 18, dont l'un a été illustré à la figure 1, et traversé à libre coulissement par un tube 5. Les tubes 5 sont répartis en plusieurs nappes horizontales, au. nombre de six dans l'exemple représenté. Le ncmbre de tubes de chaque nappe est choisi de manière à tenir ccmpte de l'évolution du fluide traité et à utiliser au mieux l'espace disponible dans la virole 6. Ainsi, les nappes cQmprennent, de bas en haut: deux tubes dans la région inférieure, relativement ftroite, de la virole; quatre fois six tubes dans la région moyenne, la plus large - et quatre tubes dans la région sup3rieurec de nouveau plus étroite. L'entrée du liquide cryogénique à vaporiser s'effectue par une tubulure 19 cui -traverse le fond 8 et aboutit à un premier collecteur transversal 20, lequsi répartit le liquide dans les deux tubes de la nappe inféieure. Le liquide commence ainsi à se vaporiser et arrive, à l'autre exrémi.té de la virole, à un deuxièmoe collecteur transversal 21 qui répartit le fluide dans les six tubes de la deuxième nappeo Puis le fluide parcourt les quatre nappes moyennes, le changement de direction s'effectuant à cahqude et téc de la virole par l'inte=-diaire de coudes 22. Le f lui de pénètre ensuite dans un troisième collecteur transversal 23, superpose au collecteur 21, qui le répartit dans les quatre t'cubes de la nappe supérieure. Il arrive enfin, à la teupérature d utilisation désirée, par exenple à la tenpérature ambiante, à un quatrième collecteur transversal 24, superposé au collecteur 20, pour être repris par une tubulure d'évacuation 25 qui traverse le fond 8. Les tubulures 16, 19 et 25 sont soudées au fond 8 et font donc partie, avec celui-ci, de l'équipage 3 mentionné plus haut. Par ailleurs, les collecteurs 20, 21, 23 et 24 servent non seulement à répartir le fluide traité d'une nappe à une autre nappe ayant un nombre de tubes différent, mais également a amortir les pulsations de l'alimentation en liquide cryogénique. Pour cette raison, on peut ajouter à l'appareil d'autres collecteurs transversaux, servant uniquement à cette fonction d'amortissement. On remarque qu'entre la nappe inférieure et la deuxième nappe, le fluide, en se vaporisant, augmente de volume, de sorte que le passage de deux à six tubes est favorable. Par contre, en haut de l'appareil, le passage de six à quatre tubes malgré la poursuite de la dilatation du fluide provoque une accélération de sa vitesse de circulation. Si, pour une application donnée, la vitesse de sortie est jugée excessive, on peut utiliser la variante de la figure 4, dans laquelle la nappe supérieure est subdivisée en plusieurs nappes ayant chacune soins de six tubes et branchées en parallèle sur le collecteur 23. Comme on le voit à la figure 3, les tubes de certaines nappes sont reliés à ceux de nappes voisines par l'inter6diaire de coudes entrecroisés, qui peuvent être reliés à un collecteur à l'une de leurs extrémirtés. Ceci permet, pour une courbure donnée d'au nins certains des coudes 22, de rapprocher verticalement les nappes, et donc d'augmenter le nombre de tubes 5 que l'on peut loger dans la virole 6. Or on sait que les coudes réalisés par cintrage, sans soudure, ne peuvent descendre au-dessous d'un rayon de courbure minim sans nécessiter une augmentation de l'épaisseur de parois des tubes que l'on cintre. On peut donc, grâce à l'utilisation de coudes entrecroisés, assurer une compacité élevée du faisceau de tubes 5 tout en économisant un grand nombre de soudures, à savoir celles correspondant aux coudes disposés obliquement. Dans l'ensemble illustré à la figure 3, quatre des six tubes des seconde, troisième et quatrième nappes sont ainsi reliés entre eux par des coudes cbliques sans soudure 22A à grand rayon de courbure, les deux tubes restants étant reliés par des coudes verticaux 22B à petit rayon de courbure présentant une soudure nmédiane 26; à chaque extrimit6 de la virole 6, on voit ainsi deux groupes de trois coudes entrecroisés (deux coudes 22A, un coude 22B) formant, en vue en bout, une étoile à six branches. De nombreuses autres configurations peuvent bien entendu être envisagées. Comm on le voit aux figures 1 et 3, les perforations des ranpes 13 se trouvent a des niveaux intermédiaires entre les première et deuxième, troisième et quatrième, cinquième et sixième nappes. En service, l'eau de réchauffage, éventuellement chauffée au préalable par 7 18 37 un dispositif approprié non représenté, est introduite dans l'appareil par la tubulure 16, distribuée par le montant 12 adjacent entre les trois rampes 13, et est injectée de chaque c6té dans la virole par leurs perforations, à peu près horizontalement et entre les nappes de tubes 5. Ceci provoque une intense turbulence de l'eau contenue dans l'appareil, laquelle sgë.]éve jusqu'au niveau de la tubulure 11 d'évacuation par trop=pleino Cette dernière peut débouche- sur une conduite d évacuation de 1Veau (ea. p=rdu& ou sur une conduite de recyclage de l'eau pourvue d'uns prweg de ciculation et, éventuellement d'un dispositif de ré-ch. uffage0 Cec' le i eiaut,=e H de pénétration de la tuulu-re 11 dans la virole, una ciel gazzu' est maintenu dans l appareil y celui-ci foLrme ainsi un vase d.exmpansion u cmpense a untiqugent les variations du débit d' alimntation en eau i! est L notar qu le di-mLtre et/ou le nc bre des perforations de ch -ue ra-ae 13 peurwent -tre choisis de façon à adapter le débit deau ijct -par chaque rmae aux besoins an chaleur au niveau correspondant0 La conctruection de 1 eappereil est paticuhiramnt ccode. l'eveloppe cylindrique est facile et àcon1ique à réaliser et supporte d'elle-m!me un éventuel fonctionnement sous une pression supérieure à la pression abmsphgrique, sans qu'aucun élément de renforcement soit nécessaire; l 1'équipage 3 peut être construit au niveau du sol, à plat, et être ensuite enfilé dans l'ense-ble virole 6 - fond 7 par roulennt des galets 14A et 14B dans les fers an U 10. En variante, l'appareil peut être utilisé avec de la vapeur d'eau ccsm fluide de chauffageo Dans ce cas, seule la rampe 13 inférieure est perforése, et les montants 12 sont obturés juste au-dessus de cette rampea. Après avoir rempli d'eau l'appareil, la vapeur d'eau est injecté=e par cette rampe inférieure et se condense en brassant fortemnt la masse d'eau, l1excs dueau suévacuant par la tubulure 11 come pracêdanent.o Bien entendu, coLnL il est classique dans cette technique, on peut prévoir des tubes 5 suppléentaires destinés à la mise en pression rapide du réservoir de stockage du liquide cxyogéniqueo 7 1837 REVEMDICATIONS 1. Appareil de réchauffage de fluide, du type cocprenant une enveloppe (1) dans laquelle sont montés un dispositif (4) d'injection d'un fluide de chauffage comportant au moins une rampe perforée (13), et un ensemble de tubes (5) de circulation du fluide à traiter, caractérisé en ce que le dispositif d'injection (4) fornne un châssis de support des tubes (5). 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'injection (4) est disposé dans un plan vertical médian de l'enveloppe (1). 3. Appareil suivant la revendication 2, à plusieurs nappes de tubes (5), caractérisé en ce.que le dispositif d'injection (4) ccaporte plusieurs rampes (13) superposées. 4. Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les rampes (13) sont adaptées pour injecter des débits différents de fluide de chauffage. 5. Appareil suivant la revendication 3, dans lequel le fluide de chauffage est de la vapeur d'eau, caractérisé en ce que seule la ramrpe inférieure coeporte des perforations d'injection de vapeur d'eau. 6. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la ou chaque rampe (13) présente de chaque cÈté une rangée de perforations (15). 7. Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que chaque rangée de perforations (15) se trouve en regard d'un intervalle séparant deux nappes superposées de tubes (5). 8. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que sur le dispositif d'injection (4) sont fixées des plaques-supports transversales (17) pourvues de trous, ces derniers étant traversés à coulissement par les tubes (5). 9. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif d'injection (4) est équipé de galets (14A, 14B) adaptés pour rouler et être guidés dans des moyens de guidage (10) prévus dans l'enveloppe (1). 10. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le fluide de chauffage est de l'eau ou de la vapeur d'eau, caractérisé en ce que l'enveloppe (1) comporte à sa partie supérieure un trop-plein (11) d'évacuation d'eau. 257 1837 11. Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le tropplein consiste en une tubulure (11) qui pénètre sur une certaine hauteur (H) dans l'enveloppe (1). 12. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'enveloppe (1) comprend une virole cylindrique (6) et deux fonds (7, 8), notamment baobes. 13. Appareil suivant la revendication 12, à plusieurs nappes de tubes (5), caractérisé en ce que le ncmbre de tubes de chaque nappe est adapté pour occuper l'essentiel de la largeur correspondante de la virole (6), des collecteurs horizontaux (20, 21, 23,24) reliant au mins les nappes successives qui possèdent des nonbres de tubes (5) différents, 14. Appareil suivant la revendication 13, caractérisé en ce que les nappes les plus proches de la sortie (11) du fluide de chauffage sont branchées en parallèle. 15. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, à plusieurs nappes de tubes, caractécrisé en ce que les tubes (5) d'au moins dewux nappes sont reliés par l'interugdiaire de coudes entrecroisés (22).