Brevet FR2607583A1 — publié le 19880603

ECHANGEUR DE CHALEUR A FAISCEAUX TUBULAIRES PRESENTANT UNE FORME HELICOIDALE EN LEUR CENTRE L'invention concerne un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire,pour le fonctionnement aux températures de gaz élevées et à des pressions élevées, du côté de l'enveloppe, en particulier réfrigérant de gaz de dissociation, formé d'un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire, avec une plaque tubulaire sur chacun des côtés d'entrée de gaz et de sortie de gaz et des tubes échangeurs de chaleur disposés sur des cercles primitifs. De tels échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire se composent d'une enveloppe cylindrique, qui est obturée par deux plaques tubulaires. Les tubes réfrigérants, au travers desquels s'écoule le gaz, parallèlement à l'axe de l'enveloppe, sont emboîtés dans les plaques tubulaires. Les tubes réfrigérants sont irrigés par l'extérieur. Selon la disposition, on fait la distinction entre échangeurs verticaux et horizontaux. La réalisation des plaques tubulaires ne réserve aucune difficulté particulière. Dans les réfrigérants à gaz de dissociation, pour lesquels la température d'entrée des gaz se situe toutefois au dessus de &DOdegré C, qui sont soumis côté enveloppe à des pressions de plus del00.105 Pa, la plaque tubulaire devient très chaude, du côté de l'entrée des gaz et doit de ce fait être réalisée en une épaisseur extrême- ment faible, afin de maintenir les contraintes dues aux tem- pératures qui surviennent, à un bas niveau, afin que soit garanti le refroidissement, du c8té de l'enveloppe. La couche protectrice en magnétite qui se forme en fonctionnement, du côté eau, qui protège normalement l'acier contre l'oxydation ultérieure, doit subsister. Il faut également veiller à ce que, malgré la haute charge à laquelle est soumise la plaque tubulaire, les déformations se maintiennent dans certaines limites, afin que la couche protectrice de magnétite ne soit pas détruite. Afin de pouvoir supporter les charges, dans le cas des réfrigérants de gaz de dissociation, qui doivent travailler au-dessous des conditions indiquées ci-dessus et qui sont réalisés avec des plaques tubulaires "chaudes" très minces, du fait des contraintes de températures qui surviennent, on a subdivisé de manière uniformément répartie la surface des plaques tubulaires, dites chaudes, en des parcours tubulaires de gaz tra- versants, perpendiculairement à leur plan médian; on a soudé des tirants, qui ont été fixés sur le c8té opposé à des traverses rigides, qui s'appuient à des anneaux forgés de l'enveloppe du récipient, de réalisation d'une résistance correspondante. La plaque tubulaire dite "froide", du réfrigérant de gaz de dissociation, fut dimensionnée d'une épaisseur de paroi correspondant à sa charge. Le travail de calcul de cette construction est important. Le but de l'invention est de créer une cons- truction pour la réalisation d'un réfrigérant de gaz de disso- ciation, en particulier pour les plaques tubulaires d'un réfri- gérant, qui soit approprié à des températures de gaz et des pres- sions d'enveloppe qui soient élevées, qui puisse être construit plus économiquement et avec une économie de calcul aussi limitée que possible. A cette occasion, il s'agit avant tout de réaliser des plaques plus légères et d'un prix plus favorable, en élimi- nant les anneaux forgés qui les rendaient d'un coût élevé, sans limiter à cette occasion la durée de vie du réfrigérant de gaz de dissociation. Ce problème est résolu selon l'invention, en ce que les deux plaques tubulaires conservent une épaisseur aussi faible que nécessaire pour les exigences dues au refroidis- sement c8té enveloppe, l'aptitude à la déformation de la couche protectrice de magnétite subsistant toutefois, en ce que des tirants soulageant les plaques sont disposés au moins tous les deux cercles primitifs des plaques tubulaires et en ce que sur les autres cercles primitifs, les tubes échangeurs de chaleur sont disposés d'une telle manière que les tubes présentent entre les deux plaques tubulaires des zones pliées sous une forme héli- codale, à partir de l'axe longitudinal des tubes, en précisant que ces tubes, avant leur entrée dans les plaques tubulaires, suivent une transition en une forme droite et la longueur droite est plus grande sur la plaque tubulaire, située côté entrée des gaz, que sur la plaque tubulaire située côté sortie des gaz. La combinaison, proposée par l'invention, de deux plaques tubulaires, qui sont reliées entre elles par des tirants, et des tubes échangeurs de chaleur qui sont réalisés de manière hélicoïdale, sur une zone importante de l'axe longitu- dinal de l'échangeur de chaleur, absorbent sans dégat les charges survenant pour les pressions et les températures de gaz élevées, coté enveloppe. La charge régulière de température, pour l'enve- loppe et les tirants, qui sont ainsi soumis aux mêmes dilatations thermiques, font complètement disparaître la région de la zone de membrane qui était jusqu'ici mise en danger, de telle sorte que le travail de calcul, pour les plaques tubulaires, dans la configuration selon l'invention, se limite à la plus grande surface inscrite entre les tirants et est ainsi relativement limité. On peut se limiter à des calculs dans le cadre des règles de calculs techniques faisant autorité. Les tubes hélico5daux, qui sont soumis à des températures plus élevées, ne donnent seulement qu'une partie limitée de leurs dilatations thermiques en tant que charge pour les plaques tubulaires, du fait que la plus grande partie de la dilatation est supportée par la flexi- bilité de l'hélice. Des éléments constitutifs plus massifs et en conséquences plus chers, tels que le prévoit la réalisation selon l'état de la technique, ne sont pas nécessaires dans la construc- tion selon l'invention. Un exemple de réalisation de l'échangeur de chaleur est expliqué plus en détail à l'aide du dessin schéma- tique. Il est représenté: Figure 1 Une coupe axiale à travers un échangeur de chaleur selon l'invention, Figure 2 Une vue de dessus d'une partie d'une plaque tubulaire et Figure 3 Une vue longitudinale partielle de tubes, de tirants et de plaques tubulaires. La figure 1 représente un échangeur tubulaire disposé horizontalement, comme pouvant être utilisé, par exemple, pour un réfrigérant de gaz de dissociation. La structure extérieure de l'échangeur de chaleur est formée par une enveloppe (1) résistante à la pression, avec les chambres d'entrée et de sortie, résistantes à la pression. La chambre d'entrée (2) possède un garnissage maçonné (4) réfractaire. - Le gaz à refroidir s'écoule dans le sens de la flèche, par la chambre d'entrée (2), dans les tubes (5) de l'échangeur de chaleur. Les tubes (5) sont maintenus dans les plaques tubulaires (6, 7). L'anneau forgé (8), ainsi que montré dans l'exemple de réalisation, n'est nécessaire que pour les chambres d'entrée à garnissage maçonné et est dimensionné en fonction de l'épaisseur de garnissage (4). En suivant le sens de la flèche, le gaz refroidi s'écoule au travers de la tubulure (10), en sortant latéralement de la chambre de sortie (3). Le fluide de refroidissement, qui irrige extérieurement les tubes échangeurs de chaleur (5), entre par la tubulure d'arrivée (11), refroidit la plaque (6) et sort par la tubulure de sortie (12). Les tubes échangeurs de chaleur s'étendent entre les plaques tubulaires (6, 7), sur l'axe longitudinal de l'échangeur de chaleur et sont disposés sur des cercles primitifs des plaques tubulaires, ainsi qu'il est visible dans les figures 2 et 3. Tous les deux cercles primitifs sont disposés des tirants (9), qui soulagent les deux plaques tubulaires (6, 7). Ainsi que l'indique la figure 1, les tubes échangeurs de chaleur possèdent une forme droite dans les zones I et III, alors qu'ils sont réalisés de manière hélicoïdale dans la zone II. REVENDICATION Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire, pour le fonctionnement aux températures de gaz élevées et à des pressions élevées, du côté de l'enveloppe, en particulier réfrigérant de gaz de dissociation, formé d'un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire, avec une plaque tubulaire sur chacun des côtés d'entrée de gaz et de sortie de gaz et des tubes échangeurs de chaleur disposés sur des cercles primitifs, carac- térisé en ce que les deux plaques tubulaires (6, 7) conservent une épaisseur aussi faible que nécessaire pour les exigences dues au refroidissement côté enveloppe, l'aptitude à la déformation de la couche protectrice de magnétite subsistant toutefois, en ce que des tirants (9) soulageant les plaques (6, 7) tubulaires sont disposés au moins tous les deux cercles primitifs des plaques tubulaires (6, 7), et en ce que sur les autres cercles primitifs, les tubes échangeurs de chaleur (5) sont disposés d'une telle manière que les tubes (5) présentent entre les deux plaques tubulaires (6, 7) des zones pliées sous une forme hélicoïdale, à partir de l'axe longitudinal des tubes, en précisant que ces tubes (5), avant leur entrée dans les plaques tubulaires (6, 7) suivent une transition en une forme droite etque la longueur - droite est plus grande sur la plaque tubulaire (6), située côté entrée des gaz, que sur la plaque tubulaire (7) située côté sortie des gaz.