Brevet FR2599133A1 — publié le 19871127

- 1 ECHANGEUR DE CHALEUR TUBULAIRE A DOUBLE PLAQUE DE SUPPORT DU FAISCEAU DE TUBE. L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur du type comportant une calandre munie à au moins une extrémité d'un support d'un faisceau de tubes d'échange thermique entre le fluide à refroidir qui circule dans lesdits tubes 5 et un fluide de refroidissement qui circule autour desdits tubes dans la calandre. Les difficultés de construction posées par ces échangeurs croissent avec la température et la pression du gaz à 10 refroidir et avec la pression de la vapeur du fluide de refroidissement que l'on veut produire, par exemple quand l'échangeur est destiné à la réalisation de chaudières de récupération. La composition du gaz augmente ces difficultés: par exemple, pour le refroidissement des gaz corrosifs 15 de synthèse produits à des temperatures qui peuvent dépasser 450 C et sous haute pressiono X1 y a en effet alors risque de corrosion et d'affaiblissement mécanique du matériau qui les constitue et pour réduire ce risque, il importe de maintenir les tubes à une température nettement plus basse, 20 inférieure à 360 C par exemple. Dans les échangeurs classiques, comme une plaque remplit la fonction de support des tubes et doit supporter par ailleurs la forte pression de vapeur du côté de la calandre, - 2 elle doit avoir une épaisseur importante. Par ailleurs, la plaque d'entrée, en contact avec les tubes dans toute son épaisseur, est fortement chauffée par les gaz donc il peut exister une corrosion importante aux passages des tubes et 5 elle est soumise à des gradients thermiques considérables entre ses deux faces. On est alors conduit à utiliser des aciers spéciaux pour réaliser ou revêtir les plaques, ce qui entraîne un coût de 10 fabrication élevé et un poids relativement important. L'invention propose de supprimer ces inconvénients en constituant au moins le support d'entrée des tubes par deux plaques dont l'une, qui ferme la calandre, est relativement 15 mince et sert à la fination des tubes, tandis que l'autre, beaucoup plus épaisse et rigide, est fixée à l'intérieur de la calandre à une certaine distance de son extrémité fermée et reliée à la précédente par des portions de tubes rigides entourant concentriquement les portions terminales corres20 pondantes des tubes et formant entretoises, la chambre définie par les deux plaques et la calandre comportant un conduit d'amenée du fluide de refroidissement et lesdites portions de tubes rigides étant munies d'orifices de pénétration dudit fluide dans les espaces annulaires entre lesdites 25 portions de tubes rigides et les portions terminales correspondantes des tubes, espaces qui se prolongent par des intervalles annulaires entre les tubes aet la plaque épaisse qu ils traversent sans contact0 D'autres particularités, ainsi que les avantages de I inventionu apparaPtront clairement à la luimire de le description ci-aprèso La figure unique du dessin annexé représente sch&mati35 quement un échangeur a faisceau de tubes droits conforme à un mode d"exécution préféré de l'inventiorn. -3 A la figure, on a représenté un échangeur tubulaire composé d'une calandre allongée 1 munie au voisinage de ses extrémités de deux plaques 2 et 3 et logeant un faisceau de tubes tels que 4. On voit que les tubes 4 traversent avec jeu les plaques 2 et 3 et se prolongent jusqu'à leur extrémité de fixation dans deux plaques minces supplémentaires 5 et 6 qui ferment la calandre, à l'exception des passages d'entrée et de sortie 10 des tubes 4. Des tubes 7 et 8 formant entretoises entre les plaques mince et épaisse entourent concentriquement chacun des tubes 4 à ses deux portions terminales comprises entre les paires de plaques 2-5 d'une part, 3-6 d'autre part. L'intervalle annulaire entre les tubes 4 et les tubes 7 et 8 15 comporte des ouvertures disposées à proximité des plaques -6 et 2-3, de manière à assurer un refroidissement convenable. Les plaques 2 et 3 ont une forte épaisseur, par exemple 20 250 mm, suffisante pour résister à l'effet de fond créé par la pression du fluide contenu dans la calandre, tandis que les plaques 5 et 6- ont par exemple une épaisseur de 10 à 20 mm et servent à supporter les tubes qui sont par exemple soudés auxdites plaques minces. Le diamètre de l'échangeur 25 est par exemple de 900 mm. Le fluide à refroidir, eau par exemple, pénètre par un conduit 9 dans l'intervalle (ayant par exemple 150 mm de hauteur) compris entre les plaques 2 et 5 (représentées en 30 bas de la figure, l'échangeur étant ici supposé vertical). Les tubes 7 présentent des ouvertures telles que 70 si bien que le fluide pénètre, par l'intervalle annulaire (de 3 à 10 mm d'épaisseur par exemple) compris entre les tubes 4 et 7, dans la partie de la calandre comprise entre les plaques 35 2 et 3. Sa circulation est assurée par une pompe ou par effet de thermosiphon. Le gaz à refroidir pénètre dans les tubes 4 au niveau de la plaque 5 et l'eau se trouve vaporisée au contact de la plaque 5 ainsi chauffée par le gaz. La vapeur d'eau pénètre dans les tubes 7 par les ouvertures 70 et le mélange eau5 vapeur refroidit les tubes 4. A l'extrémité supérieure de la calandre, la structure étant la même qu'à l'extrémité inférieure, le gaz refroidi s'évacue par les tubes 4 à travers la plaque 6, tandis que le 10 mélange eau-vapeur réchauffé s'évacue par l'intervalle annulaire compris entre les tubes 4 et 8, les ouvertures 80 des tubes 8 et un conduit de sortie 10. Dans le mode d'exécution non limitatif décrit, il existe en 15 11 une amenée complémentaire de fluide de refroidissement à l'intérieur de la calandre et en 12 une évacuation complémentaire. On peut ainsi faire en effet pénétrer en 9 la quantité de liquide juste nécessaire pour assurer le refroidissement de l'espace compris entre les plaques 5 et 6 et de 20 la plaque 7, et n'évacuer de même en 10 que l'excédent de vapeur non évacuée en 12. On notera que, grace à la structure à deux plaques entretoisées par des tubes décrite, des pressions de mélange eau25 vapeur très élevées (par exemple de 100 à 150 bars) peuvent être supportées sans déformation des plaques épaisses. Les plaques minces, munies de brides de montage (51-61) peuvent subir une légère flexion sans inconvénient, celle-ci ne se produisant pratiquement pas au niveau de l'attache des 30 tubes. Elles se maintiennent à basse température grâce à leur faible épaisseur. Les plaques épaisses ne sont pas soumises à des gradients thermiques, le mélange eau-vapeur régnant (à des températu35 res qui peuvent atteindre 300 à 350 C) sur leurs deux faces et aucun contact avec les tubes o circule le gaz à refroidir (qui peut avoir des températures allant de 600 à 1100 C sous des pressions de 200 bars) n'existant. -- 5 --5 Les tubes sont refroidis sur toute leur longueur, y compris à leur passage à travers les plaques épaisses, si bien que le risque de corrosion ou d'affaiblissement mécanique par le gaz est pratiquement supprimé. Il est évident que les problèmes de gradient thermique et de corrosion étant plus importants à l'entrée qu'à la sortie, la structure à double plaque est indispensable à l'entrée, tandis qu'elle pourra être remplacée par une structure clas10 sique dans certains cas. Il va de soi que diverses modifications pourront être apportes au dispositif décrit et Leprésentée sans secarter de l'esprit de l1inention_ En particulier, lSinvention 15 s'applique to us Les types de faisceauz de tubes. Revendications 1. Echangeur de chaleur comportant une calandre (1)t munie à au moins une extrémité d'un support d'un faisceau de tubes (4) d'échange thermique entre le fluide à refroidir qui circule dans lesdits tubes et un fluide de refroidis5 sement qui circule autour desdits tubes dans la calandre, caractérisé en ce que au moins le support d'entrée des tubes est constitué par deux plaques dont l'une (5), qui ferme la calandre, est relativement mince et sert à la fixation des tubes tandis qcue l'autre (2) D beaucoup plus épaisse et rigi10 de, est fixee à l'intérieur de la calandre à une certaine distance de son extremité fermée et reliée a!a precedente par des portions de tubes rigides (7) entcourant concentriz quesent les portions terminl!es correspondantes des tubes (4) et formxant entretoises0 la chambre définie par les deur' 15 plaques t la calandre comportant un conduit (9)a- mene du fluie de reerodissement ed eesdtes portons de tubes régide tant smunies drorziices de pénétration {70} dudit !uide dans les espaces annu aires entre!esdites o rin ube s rigides et les porti ons termials c rr s des tubes espaces ccu se prolongent par des 9 inera!es annuaires entre les tubes et la pl!ace -paisse {2 qis traversent sans contact0 2o Echangeur de chaleur selon A Revendicaction! caractrisé en ce que la ou les plaqu es minces