Brevet FR2610099A1 — publié le 19880729

-1- L invention est relative à une plaque tubulaire d'échangeur de générateur thermique. Elle trouvera tout particulièrement son application dans le domaine du chauffage, en particulier, chez les constructeurs de chaudières, réparateurs et exploitants. Actuellement, les générateurs thermiques de forte puissance fonctionnent à partir de combustibles gazeux ou liquides. Un brûleur assure la combustion du combustible pour obtenir un rendement de combustion optimum. Ensuite, la chaleur des fumées produites est récupérée pour être communiquée à un fluide caloporteur destiné à véhiculer les calories à l'extérieur du générateur thermique. Ce transfert d'énergie est réalisé au moyen d un échangeur qui doit être totalement étanche pour éviter tout transfert du fluide caloporteur dans les fumées de combustion, tout- en étant très perméable au transfert de chaleur. Les échangeurs se présentent sous la forme d'une batterie de tubes destinés à être parcourus intérieurement par les fumées chaudes de combustion alors que l'extérieur des tubes baignent dans le fluide caloporteur. Cette batterie de tubes est disposée entre deux plaques tubulaires perforées recevant chacune une extrémité de tube emmanchée et soudée, les plaques tubulaires cloisonnant le volume du fluide caloporteur. La plaque tubulaire disposée du côté amont par rapport au sens d'écoulement du fluide gaz chaud subit des contraintes thermiques extrêmement importantes étant données les différences de températures rencontrées à ce niveau. Il s'agit d'une zone fragile qui occasionne de nombreux incidents de fonctionnement dûs à l'altération de la structure des plaques tubulaires sur les parties les plus difficiles à refroidir. En effet, la convection thermique due aux gaz dans les tubes est importante d'o une élévation de température au niveau de l'extrémité des tubes qui, si elle n'est pas suffisamment refroidie, s'échauffe anormalement. Avec la montée en température, le métal perd ses qualités chimiques et mécaniques et il apparait tout d'abord de l'érosion occasionnée par le passage des particules de poussière, puis des microfissures du fait de la disparition du carbone ou de désordre dans la structure cristalline du métal. Ces fissures se développent sur le tube d'o un risque de perte d'étanchéité et la -2- nécessité du remplacement des tubes endommagés. Cette dégradation se produit plus particulièrement à l'endroit de la chaudière o la température est importante. Ainsi, il est apparu indispensable de protéger les extrémités de tubes ainsi que la surface des plaques tubulaires pour lutter contre l'érosion et les micro-fissures. C'est pour cela que sont apparus sur le marché les embouts réfractaires qui se présentent sous la forme d'insert disposé à l'extrémité des tubes d'échangeur pour diminuer le flux thermique à ce niveau. Il convient de protéger non seulement les extrémités de tubes mais également la plaque tubulaire étant donné que l'on rencontre bien souvent une transmission des fissures depuis le tube vers la dite plaque tubulaire qui doit, en cas de fissuration, être réparée ou même échangée. Ces avaries occasionnent des frais importants avec arrêt de l'exploitation du générateur thermique durant les réparations. Généralement, le retubage partiel ou total avec parfois changement de la plaque tubulaire doit être réalisé. Si l'opération est trop onéreuse, le ferraillage complet du générateur est entrepris. Les embouts réfractaires de type céramique présentent l'avantage de pouvoir résister mécaniquement à des températures très élevées. Par contre, ils se cassent facilement et le ramonage doit être effectué très délicatement. Un collage individuel de chacun des embouts doit nécessairement être fait et aucune protection de la plaque tubulaire n'est obtenue. Lors de chaque visite périodique, la dépose de chacun des embouts représente une opération fastidieuse étant donné qu'elle nécessite le décollage des embouts et le nettoyage de chacun des tubes, la réutilisation des embouts est délicate d'o un coût économique élevé. En outre, La protection de la plaque tubulaire n'est pas assurée; en effet puisqu'il existe des interstices dégagés entre chaque embout qui sont nécessaires pour permettre une dilatation de l'ensemble. De plus, l'imbrication de forme circulaire ne permet pas de former une couverture totale de la plaque tubulaire. Il n'est pas très avantageux de protéger une trop petite partie de la plaque tubulaire étant donné que la partie restante formera la zone propice au développement des fissures. On connait également les embouts réfractaires de type -3- fibreux dont la forme est identique à celle des embouts réfractaires de type céramique. Les inconvénients sont sensiblement les mêmes que ceux énoncés précédemment; en particulier au sujet de la non protection de la plaque tubulaire. Enfin, les embouts en fonte réfractaire n'offrent que peu d'avantages par rapport aux embouts réfractaires décrits précédemment. Le but principal de la présente invention est de présenter une plaque tubulaire d'échangeur de générateur thermique jouissant d'une protection renforcée par rapport aux dispositifs existants. La protection peut être concentrée au niveau des extrémités des tubes, c'est-à-dire typiquement la zone fragile, ou être étendue à l'intégralité de la surface de la plaque tubulaire afin d'éviter tout risque d'incidence. Contrairement à la fixation individuelle connue actuellement pour les embouts réfractaires, selon la présente invention, il est envisagé une fixation globale de l'ensemble des éléments ce qui constitue un gain de temps tant au montage qu'au démontage lors des visites périodiques. Par ailleurs, la réduction du nombre d'embouts réfractaires collés autorise une réutilisation des embouts non endommagés. Outre l'économie de main d'oeuvre, les pièces à remplacer lors de chaque visite sont sensiblement diminuées. Un autre but de la présente invention est de présenter une plaque tubulaire dont la conception peut s'envisager sur les générateurs thermiques existants. Aucune modification n'est nécessaire, seule l'adaptation des embouts réfractaires est à faire. Les avantages de l'utilisation de la présente invention se situent par conséquent aussi bien sur un plan économique avec une réduction importante de coût que sur un plan technique avec un renforcement de la protection de la plaque tubulaire et une sécurité de fonctionnement accru. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description qui va suivre qui n'est cependant donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. Selon l'invention, la plaque tubulaire d'échangeur de générateur thermique qui comprend une série de perforations dans lesquelles sont emmanchés les tubes parcourus par les gaz chauds de 2 6 1 0 0 9 9 -4- combustion, la dite plaque étant destinée à former une cloison étanche de séparation pour le fluide caloporteur vis-à-vis des gaz de combustion, est caractérisé par le fait qu'elle comprend des embouts réfractaires, disposés aux extrémités des tubes qui la protègent en surface, dotés de moyens d'imbrication qui assurent une liaison avec les embouts voisins. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée de dessins en annexe parmi lesquels: - la figure 1 schématise en vue de coupe un générateur thermique, - la figure 2 représente en vue de coupe la fixation de l'extrémité d'un tube d'échangeur sur la plaque tubulaire, - la figure 3 illustre en vue de face la mise en place d'embouts réfractaires de type traditionnel aux extrémités de tubes d'échangeur, - la figure 4 représente en perspective un embout réfractaire selon un mode d'exécution de la présente invention, - la figure 5 représente en vue de dessus l'embout réfractaire de la figure 4, - la figure 6 illustre en vue de coupe longitudinale 1 embout réfractaire de la figure 5, - la figure 7 schématise l'imbrication des embouts réfractaires selon la présente invention, - la figure 8 représente en vue de face la mise en place d embouts réfractaires à tête circulaire sur une plaque tubulaire, - la figure 9 schématise la mise en place d embouts réfractaires i tête hexagonale sur une plaque tubulaire, - la figure 10 schématise la mise en place d'embouts réfractaires i tête carrée sur une plaque tubulaire. La présente invention vise une plaque tubulaire d'échangeur de générateur thermique. Elle trouvera tout particulièrement son application dans l'industrie de la construction de chaudières, de la réparation et de la maintenance. La chaleur des gaz de combustion d'un générateur thermique n'étant généralement pas directement exploitable, il est nécessaire de procéder à un transfert des calories vers un fluide caloporteur. Pour cela, un échangeur est intégré dans la chaudière pour former un cloisonnement étanche entre les fumées de combustion et le fluide --5caloporteur. L'échangeur est formé d'un ensemble de tubes répartis entre deux plaques tubulaires, à travers lesquels tubes on fait circuler les gaz chauds de combustion. Le fluide caloporteur est disposé autour des tubes entre les plaques tubulaires pour absorber - les calories. A l'entrée des tubes de l'échangeur, le flux thermique est intense puisqu'aucun refroidissement préalable du flux des fumées de combustion n'est assuré. Aussi, on assiste à- une élévation de température très importante dans cette zone par ailleurs très difficile à refroidir. Cette élévation de la température provoque une diminution des propriétés mécaniques et chimiques du métal employé pour la construction de la plaque tubulaire et des tubes. Plus précisément, on assiste à une érosion rapide de l'extrémité des tubes en raison du passage de particules solides résiduelles de combustion. Il se produit également des micro-fissures occasionnées par un déficit de carbone ou un désordre dans la structure cristalline du métal. Ces fissures se propagent depuis le tube vers la plaque tubulaire et si le remplacement du tube n'est pas réalisé à temps, il convient de procéder également à l'échange de la plaque tubulaire fissurée. Ces incidents sont coûteux et provoquent des arréts d'exploitation importants. Pour accroitre la longévité des échangeurs de générateur thermique, il a été mis au point des embouts réfractaires destinés à être insérés à l'extrémité des tubes d'échangeur pour diminuer le flux thermique à ce niveau. Ces embouts réfractaires sont fixés individuellement et il est nécessaire lors de chaque visite périodique de les extraire pour inspecter les extrémités de tubes. Ils deviennent alors inutilisables et doivent être remplacés. Un autre inconvénient également lié à cette conception individuelle des embouts réfractaires est l'absence de protection totale de la plaque tubulaire. En effet, de nombreux interstices sont laissés à jour entre les embouts réfractaires d'une part pour des raisons de dilatation et d'autre part en raison, de leur conception circulaire qui n'autorise pas une imbrication totale. La figure 1 schématise en vue de coupe un générateur thermique 1 qui comprend comme source de chaleur un brûleur 2 qui assure la combustion d'un carburant de nature quelconque en formant une flamme 3. -6- La chaleur des fumées de combustion est récupérée au moyen d'un échangeur 4 baignant dans un fluide caloporteur 5. En sortie d'échangeur 4, les fumées sont collectées dans une cheminée d'évacuation 6. L'échangeur 4 est formé d'une batterie de tubes 7 disposés entre des plaques tubulaires 8 et 9 qui comprennent des perforations dans lesquelles les tubes 7 sont emmanchés, les gaz chauds de combustion parcourant l'intérieur des tubes 7. La partie amont de l'échangeur 4, c'est-à-dire au niveau de la plaque tubulaire 9, la température des fumées peut être importante, l'extrémité de la flamme du brûleur pouvant même y accéder, ce qui peut provoquer d'importantes dégradations du métal compte tenu que la température se situe généralement entre 1.000 et 1.900 *'C. Le schéma du générateur thermique donné à la figure 1 l'est qu'à titre documentaire et de nombreuses autres conceptions de chaudières peuvent également être envisagées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. La figure 2 représente la fixation de l'extrémité des tubes 7 de l'échangeur 4 sur la plaque tubulaire 9. L'extrémité du tube 7 est légèrement saillante pour faciliter notamment la mise en place d'un cordon de soudure 10 de fixation des pièces. Les contraintes thermiques rencontrées à cet endroit sont intenses. Selon la conception traditionnelle de construction des générateurs thermiques, on dispose un embout réfractaire 11 aux extrémités des tubes 7 tel qu'illustré à la figure 3. Les embouts réfractaires sont fixés individuellement généralement par collage. Ils protègent efficacement l'extrémité des tubes 7 par contre, la surface de la plaque tubulaire 9 n'est pas recouverte en totalité par les dits embouts réfractaires 11 étant donné qu'ils ne peuvent être mis en place de façon jointive pour autoriser leur libre dilatation. Il s'agit d'une lacune grave étant donné précisément que les surfaces dégagées de la plaque tubulaire 9 constituent des sources de fissuration. Pour lutter contre cet inconvénient, la plaque tubulaire 9 de la présente invention présente comme caractéristique principale d'être munie d'embouts réfractaires disposés aux extrémités des tubes 7 dotés de moyens d'imbrication qui assurent une liaison avec les embouts voisins. La figure 4 représente un embout réfractaire 12 destiné à être mis en place à l'extrémité des tubes d'échangeur 7 de façon analogue aux embouts réfractaires traditionnels. Toutefois, la présence de moyens d imbrication permet d'éviter de devoir envisager la fixation systématique de chacun des embouts réfractaires. Selon la présente invention, les embouts réfractaires forment un ensemble et seule la fixation de. certains d'entre eux est nécessaire pour assurer le maintien en place de l'ensemble. Dans ces conditions, le montage et le démontage sont facilités. Lors de la visite périodique, il n'est plus nécessaire de procéder au remplacement systématique de l'ensemble des embouts réfractaires d'o une économie sensible. De plus, les embouts réfractaires 12 selon la présente invention présentent des moyens de recouvrement de l'embout voisin. Cette conception accroit la protection de la plaque tubulaire 9 puisque sa surface présente moins de zones dégagées et même dans certaines circonstances décrites par la suite, aucune zone dégagée. La figure 5 illustre en vue de dessus un mode de réalisation de l'embout réfractaire 12 selon la présente invention. La figure 6 illustre en vue de coupe longitudinale ce même embout réfractaire 12. L'embout 12 traversé par un alésage 13 comporte un corps 14 destiné à être emboité dans le tube 7 de l'échangeur 4. Ce corps 14 _25 est surmonté d'une tête 15 qui comporte un élément de surface 16 en porte-à- faux et un élément de surface déporté 17. Par élément de surface déporté 17, il faut entendre une partie saillante disposée à la base de la tête 15 c'est-à-dire disposée vers le corps 14 de l'embout 12. L'élément de surface en porte-à-faux 16 et l'élément de surface déporté 17 sont complémentaires, c'est-à-dire qu'ils peuvent s'imbriquer l'un sous l'autre, et sont disposés symétriquement sur la tête pour permettre l'imbrication d'embouts voisins. Selon une réalisation préférentielle de l'invention, ces moyens se présentent sous la forme d'une tête 15 présentant des chanfreins obliques 16 et 17. Ces chanfreins sont complémentaires et leur écartement correspond à l'écartement des tubes 7 sur la plaque tubulaire 9. -8- La figure 7 illustre l'imbrication des embouts réfractaires 12 dont la fixation est assurée par recouvrement de la tête par l'élément voisin. La surface de contact oblique autorise la dilatation des têtes d'embouts. Le blocage de l'ensemble des embouts réfractaires peut être assuré dans certaines conditions en assurant le collage d'un seul élément. Toutefois, pour des raisons de sécurité, on assurera la fixation par exemple par collage d'un élément sur six ou d'un élément sur dix selon la géométrie de la plaque tubulaire et des perçages qu'elle comporte. La figure 8 illustre en vue de face l'imbrication des embouts réfractaires sur une plaque tubulaire 9. Dans l'exemple choisi, les embouts réfractaires présentent une tête de section circulaire auquel cas de légers interstices sont encore visibles à la surface de la plaque tubulaire 9. Malgré une disposition en quinconce des tubes 7 de l'échangeur, le recouvrement total de la surface de la plaque tubulaire 9 ne peut être réalisé avec l'emploi d'embouts réfractaires 12 à tête circulaire. Il est néanmoins possible d'obtenir un recouvrement intégral de la surface de la plaque tubulaire 9 grâce à l'emploi d'embouts réfractaires 19 dont la tête présente un profil hexagonal tel qu'illustré i la figure 9. Cette propriété peut également être obtenue grâce à l'emploi d'embouts réfractaires présentant une tête à profil carré tel qu'illustré à la figure 10. D'une façon générale, le recouvrement intégral de la surface de la plaque tubulaire 9 peut être obtenu grâce à l'emploi d'un embout réfractaire muni d'une tête de profil polygonal approprié. Les matériaux susceptibles d'être utilisés pour former les embouts réfractaires selon la présente invention sont multiples en particulier: fonte, fonte réfractaire, acier réfractaire, céramique, matériaux fibreux..... D'autres mises en oeuvre de la présente invention, à la portée de l'Homme de l'Art, auraient également pu être envisagées sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. -9- REVENDICATIONS 1. Plaque tubulaire d'échangeur de générateur thermique qui comprend une série de perforations dans lesquelles sont emmanchés les tubes (7) parcourus par les gaz chauds de combustion (3), la dite plaque (9) étant destinée à former une cloison étanche de séparation pour le fluide caloporteur (5) vis-à-vis des gaz de combustion, caractérisée par le fait qu'elle comprend des embouts réfractaires (12); disposés aux extrémités des tubes (7), dotés de moyens d'imbrication qui assurent une liaison avec les éléments voisins. 2. Plaque tubulaire selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les embouts (12) présentent des moyens de recouvrement de l'embout voisin. 3. Plaque tubulaire selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les embouts (12) présentent une tête (15) qui comporte un élément de surface (16) en porte-à-faux et un élément de surface déporté (17). 4. Plaque tubulaire selon la revendication 3, caractérisée par le fait que l'élément de surface (16) en porte-à-faux et l'élément de surface déporté (17) sont complémentaiTes et disposés symétriquement sur la tête 415) pour permettre l'imbrication d'embouts (12) réfractaires voisins. 5. Plaque tubulaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que les moyens se présentent sous la forme d'une tête circulaire (15) munie de chanfreins obliques (16 et 17). 6. Plaque tubulaire selon la revendication 5, caractérisée par le fait que l'écartement des chanfreins (16 et 17) correspond à l'écartement des tubes (16) sur la plaque tubulaire (9). 7. Plaque tubulaire selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les embouts (12) sont dotés de chanfreins obliques (16, 17) qui assurent un recouvrement et une imbrication de l'ensemble des embouts (12) pour former un écran total de la plaque tubulaire (9). 8. Plaque tubulaire selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la tête (15) des embouts réfractaires (12) présente un profil hexagonal. 9. Plaque tubulaire selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la tête (15) des embouts réfractaires (12) présente un profil carré.