Brevet FR2579313A1 — publié le 19860926

Echangeur de chaleur à tube double coudé L'invention concerne un échangeur de chaleur pour deux fluides en forme de tube double coudé ou en hélice, constitué d'un tube intérieur et d'un tube extérieur. Les échangeurs de chaleur à tubes doubles sont connus depuis long- temps. Leur mode de conception est basé sur le principe du refroidisseur de Liebig, utilisé depuis 1870 en chimie. Du fait de leurs bonnes propriétés thermodynamiques, ils sont également appelés "échangeurs de chaleur à grande puissance" ; d'après leur structure, on les nomme aussi "échangeurs de chaleur coaxiaux". On a construit de nombreuses variantes d'échangeurs de chaleur à tubes doubles. La forme la plus simple s'obtient en enrobant un tron çon de tube droit d'un deuxième tube de section supérieure. Une chambre d'enveloppe étanchéifiée aux extrémités est ainsi créée entre les parois du tube intérieur et du tube extérieur. Une caractéristique essentielle de ce type d'échangeurs de chaleur est que le fluide présent dans la chambre d'enveloppe n'est pas au repos, mais est constamment remplacé. Le fluide présent dans le tube intérieur connaît iui-aussi un mouvement d'écoulement. I1 est ici avantageux que les sens d'écoulement des fluides de la chambre d'enveloppe et du tube intérieur soient opposés. On parle alors éga liement d'un "échangeur de chaleur à contre-courant". La puissance calorifique d'un échangeur de chaleur à tube double est proportionnelle à la longueur du tube enrobé. Afin d'obtenir la longueur de tube nécessaire pour une puissance calorifique élevée, on emploie souvent la solution qui consiste à monter les uns à la suite des autres plusieurs échangeurs de chaleur de faible longueur. Ceci fournit avant tout une forme d'échangeur de chaleur compacte et mania ble. Par ailleurs, des éléments de raccordement soudés, vissés ou brasés sont nécessaires entre les différents échangeurs de chaleur. Toutefois, dans le cas où les fluides échangeurs de chaleur se trouvent à des pressions élevées, on évite d'employer une structure d'échangeur de chaleur constituée de sous-ensembles distincts, car le risque de fuites augmente avec le nombre de points de raccordement, et que des moyens de contrôle accrus sont nécessaires pour les pièces transmetteuses de pression. Suite à ce problème, essentiellement rencontré dans le domaine du traitement chimique et dans le domaine nucléaire, l'échangeur de chaleur à tube double constitué de tronçons de tubes droits n'a pas pu s'imposer dans ces domaines d'application. On en revient alors à l'échangeur de chaleur à tube simple, où le tube conducteur de pression est réalisé à partir d'une conduite droite continue. Cette conduite droite est amenée par cintrage à froid à une forme compacte, serpentin par exemple. Le principal inconvénient de l'échangeur de chaleur à tube simple par rapport à l'échangeur de chaleur à tube double est sa puissance inférieure. On a déjà réalisé des échangeurs de chaleur à tube double en hélice par cintrage de conduites continues. Cela a été réalisé avec des matériaux de résistance relativement faible, tels que des alliages corroyés d'aluminium ou du cuivre doux. Avant le cintrage, les deux tubes initialement droits étaient enfilés l'un dans l'autre. L'espace compris entre les tubes était entretroisé par des pièces d'appui, constituées par exemple par des nervures, des joncs ou des bossages. Ces pièces d'appui permettaient d'une part de centrer le tube intérieur dans le tube extérieur, et d'autre part de transmettre au tube intérieur les forces agissant sur le tube extérieur lors du cintrage, de sorte que le tube intérieur se déformait en même temps que le tube extérieur, Ce procédé, employé pour des matériaux relativement mous, n'était pas directement applicable aux tubes d'acier. Pour le cintrage en hélice de tubes doubles en acier, le procédé est plus coûteux On connaît par le brevet allemand DE-698 949 une méthode de déformation à chaud selon laquelle la pièce travaillée est, afin d'améliorer la déformabilité, amenée à une température élevée pendant la durée de l'opération de cintrage. En outre, l'espace compris entre les tubes est rempli d'une matière solide, sable par exemple. A la suite du cintrage, cette matière solide est évacuée par rinçage.A nouveau, des éléments écarteurs se chargent du centrage du tube intérieur dans le tube coudé fini. La présente invention a pour objectif de fournir un échangeur de chaleur à tube double qui soit constitué d'un matériau à résistance élevée, acier austénitique par exemple, et qui puisse être réalisé par cintrage à partir de conduites continues sans que la pièce travaillée doive être chauffée et sans qu'il faille insérer entre les tubes des éléments de support. Selon l'invention, cet objectif est atteint en ce que la section du tube intérieur possède, au niveau des zones de cintrage prévues, une forme qui présente une faible résistance à la flexion par rapport au centre de cintrage du tube double. Une forme de réalisation avantageuse de l'invention consiste en ce que la section du tube intérieur a, au niveau des zones de cintrage, une forme d'ellipse dont le petit axe est dirigé vers le centre de cintrage. La section nettement moins rigide à la flexion qu'une section ronde peut être réalisée sur l'ensemble du tronçon à cintrer. Toutefois, il est particulièrement avantageux tant pour la fabrication que pour l'utilisation de l'échangeur de chaleur que les zones de cintrage du tube intérieur se trouvent à une distance mutuelle telle que le tube intérieur présente une allure polygonale à l'intérieur du tube extérieur. Entre les zones de cintrage, il reste donc des tronçons de tube intérieur droits, dont les longueurs respectives sont déterminées par les rapports de diamètres et le rayon de cintrage. Indépendamment de la forme de la section du tube intérieur au niveau des zones de cintrage, les extrémités du tube intérieur et leurs assemblages avec le tube extérieur, réalisés au moyen d'éléments de raccordement, peuvent être configurés d'une manière connue. L'exposé qui suit explicite l'invention à l'aide de deux exemples de réalisation représentés sur le dessin annexé, dans lequel Figure 1 présente un échangeur de chaleur en U conforme à l'invention, et Figure 2 est une vue partielle, en coupe, d'un échangeur de cha leur en hélice conforme à l'invention. L'échangeur de chaleur représenté à la figure 1 possède un tube extérieur 1 et un tube intérieur 2, dont les extrémités respectives sont fixées par soudage à des éléments de raccordement 3. Dans les branches du U qui constitue l'échangeur de chaleur, le tube intérieur 2 possède une section ronde. Dans la zone cintrée autour d'un centre de cintrage 4, le tube intérieur 2 est aplati en ellipse. Les figures la et lb présentent les sections du tube extérieur 1 et du tube intérieur 2 et leurs positions mutuelles dans les zones précitees. Comme le montre la figure lb, le tube intérieur 2 se trouve sur le rayon extérieur de la courbure. Cette position s'obtient en montant les éléments de raccordement 3 de façon que le tube intérieur 2 soit enfoncé axialement dans le tube extérieur 1. A l'inverse, on peut obtenir un tube intérieur 2 situé sur le rayon intérieur de la courbure si, lors du montage, le tube intérieur 2 est tiré axialement hors du tube extérieur 1. La figure 2 présente une variante de disposition d'un tube intérieur 5 qui se trouve sur le rayon intérieur et sur le rayon extérieur de la courbure d'un tube extérieur 6 en hélice. Le tube intérieur 5 présente une allure polygonale à l'intérieur. du tube extérieur 6. Cette forme peut être obtenue en ce qu'avant le cintrage, la section du tube intérieur n'est pas façonnée en ellipse sur un tronçon continu, mais à des intervalles donnés. L'allure polygonale du tube intérieur 5 est avantageuse lorsqu'on veut donner au tube double la forme d'un serpentin assez long. Certes, on peut également, dans le cas d'un serpentin, réaliser un positionnement continuel du tube intérieur 1 à l'extérieur comme dans le cas de la figure 1, mais pour des raisons de technique des fluides, cette disposition n' est avantageuse que si le fluide présentant la température la plus basse se trouve dans la chambre d'enveloppe dont la section a une forme de croissant, tandis que le fluide le plus chaud se trouve dans le tube intérieur, dont la section a partiellement une forme d'ellipse et partiellement une forme circulaire. En effet, si les fluides de l'échangeur de chaleur étaient inversés par rapport à cette situation, l'action de l'accélération radiale entraînerait dans la chambre d'enveloppe en forme de croissant, dans certaines conditions, un écoulement avec une stratification de la tem ..pérature, qui entraverait l'échange de chaleur. Avec l'échangeur de chaleur muni du tube intérieur 5 à allure polygonale, un tel effet ne se produit pas. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur pour deux fluides en forme de tube double coudé ou en hélice, constitué d'un tube intérieur et d'un tube extérieur, caractérisé en ce que la section du tube intérieur (2, 5) possède, au niveau des zones de cintrage prévues, une forme qui présente une faible résistance à la flexion par rapport au centre de cintrage (4) du tube double. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section du tube intérieur (2, 5) a, au niveau des zones de cintrage, une forme d'ellipse dont le petit axe est dirigé vers le centre de cintrage (4). 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones de cintrage du tube intérieur (5) se trouvent à une distance mutuelle telle que le tube intérieur (5) présente une allure polygonale à l'intérieur du tube extérieur (6). 4. Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube intérieur (2, 5) et le tube extérieur (1, 6) présentent, d'une manière connue, une section circulaire au début et à la fin du tube double. 5. Echangeur de chaleur selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au début et à la fin de l'hélice formée par le tube double, le tube intérieur (2,5) se trouve, d'une manière connue, en position centrale par rapport au tube extérieur (1, 6), et est assemblé à ce dernier par l'intermédiaire d'éléments de raccordement (3).