Brevet FR2606131A1 — publié le 19880506

ECRAN THERMIQUE A NID D'ABEILLES POUR ECHANGEURS DE CHALEUR La présente invention se rapporte à un écran thermique du type à nid d'abeilles pour des échangeurs de chaleur. Quelque soit le type d'échangeurs de chaleur, générateurs de vapeur ou autres (qu'il s'agisse de faisceaux de tubes qui soient droits, en U ou hélicoïdaux, etc.), les écrans thermi- ques ou les autres dispositifs du même type prévus dans des zones particulières de la plaque de tubes sont destinés à protéger cette dernière de divers phénomènes liés au fonction- nement de ce composant. Plus particulièrement, il est quelquefois nécessaire de protéger des parties des plaques de tubes qui présentent un niveau élevé de contraintes ou de particularités structurelles telles que des soudures ou d'autres types de joint des varia- tions de température ou de débit du fluide circulant à l'exté- rieur du faisceau de tubes. Le but de cette protection est d'empêcher cette variation de provoquer des contraintes qui dépassaient les limites permises et qui provoqueraient ainsi des endommagements. Dans le cas des échangeurs de chaleur à tubes droits, la partie du faisceau de tubes à laquelle on peut appliquer la protection selon l'invention est constituée normalement par la zone o les tubes sont reliés à la plaque de tubes. L'un des buts de la présente invention est de pallier les inconvénients des écrans thermiques utilisés précédemment. A cet effet, selon l'invention, l'écran thermique est supporté par un anneau cylindrique, coaxial à l'enveloppe de l'échangeur, situé par exemple à proximité de la plaque de tubes supérieure et est équipé de fentes permettant l'accès à l'intérieur de l'anneau d'une fraction du débit de fluide primaire qui monte & l'intérieur de l'intervalle annulaire formé par la paroi extérieure de cet anneau. Cette fraction du débit de fluide primaire retombe en léchant l'extérieur du faisceau de tubes et passe à travers l'écran thermique disposé à l'intérieur de cet anneau et qui en forme un support. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'écran thermique consiste en au moins deux séries de lames qui se coupent de façon à former une structure en nid d'abeil- les et à créer, sur au moins une partie de même hauteur que l'anneau, une cellule prismatique autour de chaque tuyau du faisceau de tubes. Selon le mode de réalisation le plus simple, les deux séries de lames qui se coupent forment un plan de losanges. Dans ce but, chacune des deux séries de lames comportent des fentes s'étendant sur la moitié de leur hauteur et suscepti- bles de recevoir les lames de la seconde série sur toute leur épaisseur, ces lames de la seconde série étant également fendues sur la moitié de leur hauteur. En variante, la liaison des deux séries de lames peut être réalisée par soudure ou par un autre moyen de liaison. La perte de charge causée par la présence de l'écran thermique tel qu'il vient d'être décrit fait que la quantité de chaleur cédée par le fluide primaire à la hauteur de l'é- cran thermique est réduite. En dépit de cet effet, même cette zone des tubes du faisceau de tubes est parcourue par un débit constant de fluide primaire, ce qui évite toute stagnation de ce fluide. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaî- tront à la lecture de la description d'un mode de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé o: - la figure 1 est une coupe axiale d'un générateur de vapeur se limitant à sa partie supérieure et dans laquelle est disposé un écran thermique selon l'invention venant en appui directement contre la plaque supérieure des tubes; - la figure 2 montre à plus grande échelle l'écran ther- mique représenté à la figure 1; - la figure 3 est une vue selon III-III de la figure 2; - les fig. 4 & 5 représentent des parties de lames de l'écran thermique de la première et de la seconde séries, ces lames étant équipées de fentes complémentaires; - la figure 6 représente en perspective les deux lames des figures 4 et 5 après leur assemblage mutuel. En se référant plus particulièrement aux dessins joints, la référence 10 désigne l'enveloppe d'un générateur de vapeur équipé d'une plaque de tubes 11 pour des tubes verticaux qui traversent une plaque de tubes supérieure 12 au-delà de la- quelle se trouve un collecteur de vapeur 13 équipé d'une ouverture de décharge 14. L'arrivée du fluide primaire qui circule autour des tubes du faisceau de tubes 11 est réalisée à l'entrée 15 située approximativement à mi-hauteur du généra- teur de vapeur. Le débit A du fluide primaire entrant dans le générateur de vapeur ne vient pas frapper directement le faisceau de tubes 11 afin d'éviter des chocs thermiques sur les tubes du faisceau lui-même. Pour cela, le faisceau de tubes est entouré d'un anneau dénommé l'anneau inférieur 16 qui crée un inter- valle annulaire 17 entre la surface extérieure de l'anneau lui-même et la surface intérieure de l'enveloppe 11 et à l'intérieur duquel la totalité du débit A du fluide primaire pénétrant à l'entrée 15 est canalisée vers le haut. L'anneau inférieur 16 se termine à une distance conve- nable de la plaque de tube supérieure à partir de laquelle fait saillie un second anneau dénommé anneau supérieur. Le bord inférieur de cet anneau supérieur est séparé du bord supérieur de l'anneau inférieur 16 par une fente 21 à travers laquelle une fraction B du débit A de fluide primaire s'écoule vers le bas, le long des tubes du faisceaux de tubes. Ce débit B correspond presque à la totalité du débit A. La fraction restante C du débit A s'écoule le long de l'intervalle 22 existant entre l'anneau supérieur 20 et l'enveloppe 11 et descend à l'intérieur de l'anneau supé- rieur 20 à travers les fentes 23 disposées juste en-dessous de la plaque de tubes 12 dans l'anneau supérieur 20. De cette façon, la fraction C du débit A vient en contact avec les tubes du faisceau au niveau de leur partie supérieure et tombe ensuite jusqu'à ce qu'elles rencontrent la fraction princi- pale B à la hauteur de la fente 21. De cette façon, les extrémités supérieures des tubes du faisceau de tubes 11 qui sont atteints par un débit réduit de fluide primaire et qui présentent un trajet plus long que le débit principal B sont protégés jusqu'à un certain point du contact direct avec le fluide primaire pénétrant à l'entrée 15. Si l'on veut obtenir une réduction supplémentaire de la quantité de chaleur cédée par le fluide primaire aux tubes du faisceau de tubes au niveau de leur partie supérieure et qui se termine à la plaque de tubes supérieure, on prévoit selon l'invention, à l'intérieur de l'anneau supérieur 20, un écran thermique constitué d'au moins deux séries de lames qui se coupent et qui sont repérées sur la figure par les référen- ces 31 et 32. Ces lames 31 et 32 sont fixées à leurs extrémi- tés à l'anneau supérieur 20 et sont munies de fentes 33 et 34 qui, pour les premières, s'étendent depuis le haut vers le bas sur la moitié de la hauteur et, pour les secondes, s'étendent depuis le bas vers le haut sur la moitié de la hauteur. Il est ainsi possible de croiser les lames des premières et secondes séries à la manière d'un nid d'abeilles comme représenté à la figure 6, de façon à former une sorte de structure en nid d'abeilles avec, dans ce cas des cellules 35 à section trans- versale losange. Chaque cellule ouverte à sa partie supérieure et infé- rieure est traversée par un tube du faisceau de tubes 11 de telle façon que, du fait de la présence de l'écran qui vient d'être décrit, la section transversale à travers laquelle s'écoule la fraction C de fluide primaire soit plus petite que celle d'une section transversale de l'anneau inférieur 16 qui n'est pas équipée d'un écran thermique. La valeur réduite de la fraction C du débit de fluide primaire dans la partie supérieure du générateur de vapeur est due à cette section réduite ainsi qu'à la plus grande longueur du trajet et à la présence des fentes 23 s'étendant sur une section moindre que celle de la fente 21 pratiquement continue. La fraction C du débit de fluide qui traverse l'écran thermique selon l'invention est cependant suffisante pour éviter la stagnation du fluide primaire dans la partie supé- rieure du faisceau de tubes. Il est utile d'insister sur le fait que les cellules prismatiques définies par les lames 31 et 32 de l'écran ther- mique peuvent prendre une autre forme que la forme losange. On peut prévoir en variante des formes carrées ou rectangulaires en fonction du treillis au réseau défini par la position des tubes formant le faisceau de tubes. On peut, en outre prévoir trois séries de lames au lieu de deux et, dans ce cas, les cellules prismatiques formées peuvent être triangulaires ou hexagonales. On se rappellera enfin que selon le mode préféré de réalisation, il est souhai- table que les fentes 23 soient situées à une certaine distance de la surface inférieure de la plaque de tubes 12. Dans ce cas, l'écran thermique est divisé en deux parties, la partie supérieure 120 présentant une hauteur plus faible que la partie inférieure 220 à la façon représentée à la figure 2. Les parties supérieure et inférieure de l'écran thermique forment des pièces qui s'engagent l'une dans l'autre comme représenté aux figures 4 et 5 bien que l'on puisse évidemment prévoir d'autres solutions telles que des liaisons par sou- dure. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 26 0 6 1 3 1 REVENDICATIONS 1.- Ecran thermique pour échangeurs de chaleur, caracté- risé en ce qu'il comporte au moins deux séries de lames (31, 32) qui se coupent et qui forment un nid d'abeilles de cellu- les prismatiques (35) dont chacune est traversée par l'un des tubes du faisceau de tubes (11). 2.- Ecran thermique selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les lames (31, 32) sont supportées à leurs extrémités par un anneau cylindrique (16) présentant un dia- mètre plus faible que l'enveloppe (10) de l'échangeur de façon à créer un intervalle annulaire (17) autour de cet anneau et en ce que des fentes convenables (21) sont réalisées dans les parois de l'anneau (16) afin de permettre l'entrée d'un fluide d'échange de chaleur qui circule autour des tubes du faisceau de tubes (11). 3.- Ecran thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est situé à proximité d'une plaque de tubes (12) et en ce qu'il est disposé en deux couches de lames (31, 32), l'une étant située au-dessous et l'autre au-dessus de la zone de l'anneau (16) muni de fentes (21). 4.- Ecran thermique selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les deux séries de lames (31, 32) se coupent de façon à former un plan de losanges, de carrés ou de rectangles, au centre desquels passe l'axe d'un tube du faisceau de tubes (11). 5.- Ecran thermique selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les deux séries de lames (31, 32) sont munies de fentes (33, 34) là o elles se coupent, ces fentes s'étendant sur la moitié de leur hauteur et présentant une largeur sensiblement égale à l'épaisseur de ces lames et en ce que ces fentes (33, 34) s'étendant depuis le bord supérieur jusqu'au centre de la lame pour la première série et depuis le bord inférieur jusqu'au centre de la lame pour la seconde série. 6.- Ecran thermique selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plus de deux séries de lames (31, 32), notamment trois séries de lames susceptibles de former un id d'abeilles de cellules prismati- ques, triangulaires ou hexagonales. 7.- Ecran thermique selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les lames (31, 32) sont reliées les unes aux autres par soudure.