Brevet FR2621104A1 — publié le 19890331

-- 1 --0 Echangeur vertical isotherme à virole cylindrique pour le réchauffage d'air sous pression en contre-courant de fumées. La présente invention concerne un échangeur vertical isotherme à virole cylindrique pour le réchauffage d'air sous pression en contre-courant de fumées circulant dans des faisceaux tubulaires verticaux, répartis régulièrement entre au moins une couronne axiale et au moins une couronne périphérique, comprenant a) une tubulure d'admission d'un flux d'air primaire à l'extrémité inférieure de l'échangeur dans sa zone axiale, des chicanes contrai- gnant le flux d'air primaire à circuler radialement alternativement de façon centrifuge et de façon centripète sensiblement perpendiculai- rement aux faisceaux tubulaires de la couronne axiale, et une tubulure d'évacuation d'un flux d'air primaire réchauffé dans la zone axiale de l'extrémité supérieure de l'échangeur, b) des plaques de fond inférieure et supérieure fixées à la virole, c) au moins une ouverture d'admission d'un flux d'air secondaire dans la zone périphérique de l'échangeur, des chicanes contraignant le flux d'air secondaire à circuler radialement alternativement de façon centrifuge et de façon centripète, et au moins une ouverture d'évacuation du flux d'air secondaire réchauffé dans la zone périphéri- que de l'échangeur, d) une gaine d'admission de fumées chaudes dans le haut des faisceaux tubulaires, et une gaine d'évacuation de fumées refroidies en bas des faisceaux tubulaires. La demande de brevet français n 8606524 du 6 mai 1986 de la demanderesse concerne notamment un échangeur vertical de réchauffage d'air sous pression en contre-courant de fumées circulant dans des faisceaux tubulaires, et contenu dans une virole cylindrique, dans lequel les faisceaux tubulaires sont réparties régulièrement en couronne entre deux zones axiales et deux zones périphériques de circulation de l'air et séparés par des chicanes radiales, ces chicanes sont reliées aux plaques tubulaires supérieures de support des faisceaux et transmettent le poids de ceux-ci à des appuis périphériques entourant la partie inférieure de l'échangeur, et des joints de dilatation sont disposés entre la partie inférieure - 2- des viroles cylindriques et les plaques tubulaires inférieures des faisceaux. Un tel échangeur ne nécessite pas d'adjonction de renforts importants des parois pour résister à la pression interne, se prête à une préfabrication en usine et n'implique pas d'opérations de dudgeonnage de tubes dans des plaques tubulaires sur chantier. Toutefois, la température de l'air réchauffé y croit de façon très importante de l'extrémité inférieure de l'échangeur à son extrémité supérieure (par exemple couramment de 500 C à 260 C), de sorte que sa dilatation radiale dans le haut est très supérieure à cette dilatation dans le bas, et que sa virole tend à prendre une forme trapézoïdale. La présente invention a pour but de procurer un échangeur dont la virole ne soit exposée qu'à une dilatation radiale sensiblement constante sur toute sa hauteur, et relativement faible. L'échangeur selon l'invention est caractérisé en ce que ses faisceaux tubulaires de la couronne axiale et de la couronne périphéri- que sont contenus dans des conduits calorifugés internes et externes fixés aux plaques de fond inférieure et supérieure, en ce que des ouvertures d'admission du flux d'air secondaire dans l'échangeur sont disposées dans la partie supérieure de celui-ci, des ouvertures d'évacuation de ce flux de l'échangeur dans cette partie supérieure, entre les ouvertures d'admission, et des ouvertures d'admission de ce flux dans les conduits externes dans leur extrémité inférieure, en ce que les faisceaux tubulaires de la couronne périphérique la plus externe sont séparés de la virole par une zone libre en communication avec l'ouverture d'admission du flux d'air secondaire, en ce que l'ensemble de l'échangeur est supporté par une structure fixe disposée sous son fond inférieur, et en ce que ses faisceaux tubulaires sont fixés à la plaque de fond inférieure de l'échangeur et reliés à sa plaque de fond supérieure par des Joints de dilatation. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéris- tiques suivantes: - Ses faisceaux tubulaires sont de section droite rectangulaire, et ceux formant la couronne périphérique ont leur petit côté orienté - 3- radialement (ce qui permet de réduire notablement son encombrement). - Sa virole cylindrique n'est pas calorifugée. - Des tôles ondulées sont disposées autour des faisceaux tubulaires et reliées à une extrémité aux Joints de dilatation de ces faisceaux et à l'autre extrémité au fond supérieur de l'échangeur, de manière à permettre la dilatation radiale différentielle des faisceaux. - Chaque faisceau tubulaire est muni de supports indépendants. - Le calorifugeage des conduits entourant les faisceaux tubulaires est interne. - Sa gaine d'admission des fumées est calorifugée intérieurement. - Sa gaine d'évacuation des fumées est calorifugée intérieurement. - Une gaine d'admission entoure les ouvertures d'admission du flux d'air secondaire. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, un échangeur vertical selon l'invention et la circulation des fluides dans celui-ci. La figure 1 représente une partie de l'échangeur en coupe verticale axiale. La figure 2 est une coupe horizontale de l'échangeur au niveau A de la figure 1 pour la moitié supérieure et au niveau B de cette figure 1 pour la moitié inférieure. La figure 3 est une coupe horizontale de l'échangeur au niveau C de la figure 1 de l'échangeur pour la moitié inférieure et au niveau D de cette figure 1 pour la moitié supérieure. La figure 4 est une coupe verticale axiale du détail IV de la figure 1. La figure 5 est une coupe horizontale selon l'axe V-V de la figure 4. La figure 6 est une coupe verticale axiale du détail VI de la figure 1. La circulation des fumées dans l'échangeur est la suivante. Les fumées pénètrent dans le haut de l'échangeur par la gaine 10 munie d'une couche de calorifuge 1OA. Elles circulent de haut en bas dans les tubes des différents faisceaux 3 proches de l'axe et 4 périphériques. Les plaques tubulaires inférieures de ces faisceaux _4- sont reliées à la plaque inférieure 8 de l'échangeur par des tôles ondulées périphériques 16A d'un genre connu, permettant de compenser les différences de dilatation thermiques radiales (tendance à la dilatation "en trapèze"). Les plaques tubulaires supérieures sont reliées à la plaque supérieure 8A de l'échangeur par des soufflets de dilatation 16, permettant la dilatation longitudinale des faisceaux, et des tôles ondulées périphériques 16B, assurant la compensation des différences de dilatations radiales. Les fumées refroidies sont évacuées par la gaine inférieure 11, munie d'un calorifugeage interne 12. Le poids de chaque faisceau est reporté par des colonnes 15 sur une structure externe 15A, disposée à la base de l'appareil, chaque faisceau tubulaire possédant son dispositif de supportage indépendant. La circulation de l'air dit "primaire" est la suivante. L'air froid pénètre par la tubulure inférieure 2 dans la zone axiale du bas de l'échangeur. Une chicane horizontale 5 l'oblige à traverser radialement les faisceaux tels que 3 de la zone axiale, contenus dans des conduits 13 munis d'un calorifugeage interne 18, vers la périphérie de cette zone. Puis une autre chicane 6 l'oblige à traverser à nouveau les faisceaux tubulaires 3 vers l'axe de l'échangeur et une chicane 7 le ramène vers la périphérie de la zone axiale. Il revient enfin au-dessous de la plaque supérieure 8A de l'échangeur vers l'axe de celui-ci pour être évacué par la tubulure axiale supérieure 7A. La circulation de l'air dit "secondaire" s'effectue comme suit. Au niveau A de la figure 1, l'air pénètre dans une gaine annulaire 19 par une tubulure 20. Il est distribué sur le pourtour de l'échangeur par des répartiteurs 21 et traverse la virole par des ouvertures 22 pratiquées en face des conduits des faisceaux tubulaires 4 de la zone externe. Il est canalisé vers l'axe de l'échangeur en passant entre les conduits 23 et 13 contenant les faisceaux, qu'il refroidit à son passage. Il descend au niveau inférieur B par des ouvertures 24 pratiquées dans la zone centrale de la chicane horizontale supérieure 30. Au niveau B, l'air circule du centre vers la périphérie, en se dirigeant vers des ouvertures 25 pratiquées dans la zone externe de la chicane horizontale médiane 29, pour descendre au niveau inférieur C. Au niveau C, l'air est de nouveau canalisé vers l'axe de l'appareil (voir fig.3). Il traverse l'ouverture 26 pratiquée dans la chicane horizontale inférieure 28 pour descendre au niveau D. Au niveau D, l'air se dirige de l'axe sur la périphérie, o il pénètre dans des ouvertures 27 d'entrée dans les conduits 23 à calorifugeage interne 23A contenant les faisceaux tubulaires de la zone externe. L'air secondaire s'élève ensuite d'un niveau à l'autre en traversant à quatre reprises les faisceaux 4 de la zone extérieure contenus dans les conduits 23. Parvenu au niveau supérieur A, l'air secondaire est collecté par groupe de deux conduits adjacents et évacué par des tubulures de sortie telles que 31 (fig.2). Les plaques tubulaires supérieures de ces faisceaux sont reliées à la plaque supérieure 8A de l'échangeur par des soufflets de dilatation 16, permettant la dilatation longitudinale des faisceaux, et des tôles ondulées périphériques 16B, assurant la compensation des différences de dilatation thermique radiale (tendance à la dilatation "en trapèze"). Ces soufflets et ces tôles ondulées périphéri- ques sont représentés à plus grande échelle dans les figures 4 et 5. En figure 4, le soufflet 16 est relié par son extrémité supérieure à un rebord 32, entourant l'extrémité supérieure du conduit 33 d'admission des fumées dans un faisceau tubulaire. Il est relié par son extrémité inférieure à la tôle ondulée 16B, elle-même fixée par son extrémité inférieure à la plaque supérieure 8A de l'échangeur. La coupe horizontale de la figure 5 montre comment la tôle ondulée 16B est disposée autour de la partie inférieure du conduit 33. Les plaques tubulaires inférieures des faisceaux sont reliées 2 6 2 1 1 0 4 6- à la plaque inférieure 8 de l'échangeur par des tôles ondulées périphériques 16A, assurant également la compensation des différences de dilatation thermique radiale. Celles-ci sont représentées plus en détail en figure 6. Les tôles ondulées sont fixées par leur extrémité supérieure à la plaque inférieure 8 de l'échangeur, et par leur extrémité inférieure à un rebord 34 entourant le conduit 35 d'évacuation des fumées au bas du faisceau tubulaire. -7- REVENDICATIONS: 1/ Echangeur à virole cylindrique verticale (1) pour le réchauffage d'air sous pression en contre-courant de fumées circulant dans des faisceaux tubulaires verticaux, répartis régulièrement entre au moins une couronne axiale (3) et au moins une couronne périphéri- que (4), comprenant a) une tubulure (2) d'admission d'un flux d'air primaire à l'extrémité inférieure de l'échangeur dans sa zone axiale, des chicanes (5, 6, 7) contraignant le flux d'air primaire à circuler radialement alternativement de façon centrifuge et de façon centripète sensiblement perpendiculairement aux faisceaux tubulaires de la couronne axiale, et une tubulure (7A) d'évacuation d'un flux d'air primaire réchauffé dans la zone axiale de l'extrémité supérieure de l'échangeur, b) des plaques de fond inférieure (8) et supérieure (8A) fixées à la virole, c) au moins une ouverture (9) d'admission d'un flux d'air secondaire dans la zone périphérique de l'échangeur, des chicanes (28, 29, ) contraignant le flux d'air secondaire à circuler radialement alternativement de façon centrifuge et de façon centripète sensiblement perpendiculairement aux faisceaux tubulaires de la couronne périphéri- que (4), et au moins une ouverture (31) d'évacuation du flux d'air secondaire réchauffé dans la zone périphérique de l'échangeur, d) une gaine (10) d'admission de fumée chaude dans le haut des faisceaux tubulaires, et une gaine (11) d'évacuation de fumée refroidie du bas des faisceaux tubulaires, caractérisé en ce que les faisceaux tubulaires de la couronne axiale (3) et de la couronne périphérique (4) sont contenus dans des conduits calorifugés internes (13) et externes (23) fixés aux plaques de fond inférieure et supérieure, en ce que des ouvertures (9) d'admission du flux d'air secondaire dans l'échangeur sont disposées dans la partie supérieure de celui- ci et des ouvertures (31) d'évacuation de ce flux de l'échangeur dans cette partie supérieure, entre les ouvertures d'admission, et des ouvertures (27) d'admission de ce flux dans les conduits externes (23) dans leur extrémité inférieure, - 8 - en ce que les faisceaux tubulaires de la couronne périphérique la plus externe (4) sont séparés de la virole par une zone libre (14) en communication avec l'ouverture d'admission du flux d'air secondaire, en ce que l'ensemble de l'échangeur est supporté par une structure fixe (15A) disposée sous son fond inférieur, et en ce que les faisceaux tubulaires sont fixés à la plaque de fond inférieure (8) de l'échangeur et reliés à sa plaque de fond supérieure (8A) par des joints de dilatation (16A, 16B). 2/ Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ses faisceaux tubulaires (3, 4) sont de section droite rectangulaire, et en ce que ceux formant la couronne périphérique (4) ont leur petit côté orienté radialement. 3/ Echangeur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que sa virole cylindrique (1) n'est pas calorifugée. 4/ Echangeur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des t8les ondulées (16A, 16B) sont disposées autour des faisceaux tubulaires et reliées à une extrémité aux joints de dilata- tion (16) de ces faisceaux et à l'autre extrémité au fond inférieur de l'échangeur, de manière à permettre la dilatation radiale différen- tielle des faisceaux. / Echangeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque faisceau tubulaire est muni de supports indépen- dants (15). 6/ Echangeur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le calorifugeage (18, 23A) des conduits (13, 23) entourant les faisceaux tubulaires est interne. 7/ Echangeur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la gaine d'admission des fumées (10) est calorifugée intérieurement (1OA). 8/ Echangeur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la gaine d'évacuation des fumées (11) est calorifugée intérieurement (12). 9/ Echangeur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une gaine d'admission (19) entoure les ouvertures d'admission du flux d'air secondaire.