Brevet FR2634681A1 — publié le 19900202

Procédé de fabrication de la liaison des extrémités de tubes profilés d'une matrice d'échangeur de chaleur avec un tube collecteur ou distributeur L'invention concerne un procédé de fabrication d'une liaison solide et étanche aux fluides des extrémités d'une matrice de tubes profilés en forme de faisceau d'un échangeur de chaleur avec un tube collecteur ou distributeur en employant des tubes profilés présentant des sections transversales identiques elliptiques, et qui constituent un champ tubulaire régulièrement parcouru par un milieu de travail. Un échangeur de chaleur à tubes profilés connu d'après DE-A-3 146 690 présente sensiblement deux tubes collecteurs disposés côte-à-côte, à peu près parallèlement, destinés à l'amenée de l'air comprimé. Sur les tubes collecteurs est raccordée sur le côté d'entrée ou de sortie une matrice de tubes profilés de tracé en coude en U. La matrice en tubes profilés est parcourue par des gaz chauds, afin de chauffer l'air comprimé amené par le premier tube collecteur, l'air comprimé chauffé pouvant ensuite être amené par l'autre collecteur voisin à un dispositif utilisateur approprié, par exemple la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz. Dans de tels échangeurs de chaleur connus, il faut relier aux tubes collecteurs de façon étanche aux fluides et fiable en fonctionnement une multitude d'extrémités de tubes profilés. On a déjà proposé à cet effet de réaliser dans les tubes collecteurs concernés un nombre correspondant de trous, dans lesquels il faut ensuite introduire les extrémités correspondantes de tubes profilés, et de les braser ensuite de façon étanche avec le matériau du tube collecteur. Le procédé de liaison mentionné exige un travail de fabrication relativement important, puisque les extrémités individuelles de tubes profilés doivent être reliées aux fonds des tubes collecteurs selon un nombre comparativement grand d'étapes de fabrication et grâce à un travail manuel de précision. Le brasage mentionné ci-dessus représente un facteur de risque qui jusqu'ici n'est pratiquement pas dominé, en ce qu'il faut réaliser des fentes ou des joints de brasure relativement importants pour garantir un transport sans problème de la brasure amenée à l'état liquide. Il existe alors le danger que la brasure amenée en fusion se loge localement dans des zones diverses, de sorte qu'à la fin du processus de refroidissement il n'est aucunement garanti que les joints brasés correspondants soient complètement remplis de brasure sur toute leur périphérie. Ceci entraîne des inconvénients pour l'étanchéité et la solidité nécessaires des liaisons. Une épaisseur de brasure relativement importante présente d'autre part des inconvénients en ce qui concerne le comportement à la corrosion de la liaison. Même dans des versions à liaisons soudées par faisceau électronique, il faut en outre s'attendre à une résistance relativement faible en raison de la formation d'entailles sur les emplacements de liaisons correspondants du tube collecteur. Selon un procédé, connu d'après DE-A-3 310 061, destiné à la fabrication d'un dispositif de tubes distributeurs ou d'un bloc d'échangeur de chaleur, une plaque tubulaire ou un tube collecteur doit être assemblé à partir d'une multiplicité d'éléments préformés ou préprofilés de la façon la plus précise; suivant le nombre et les distances souhaitées des tubes profilés de la matrice, les éléments correspondants à assembler couche sur couche doivent être préformés de telle façon qu'ils puissent entourer par blocage de forme respectivement sur une moitié les extrémités mises en place des tubes profilés de la matrice. Dans le cas connu, on considère comme un inconvénient relatif que, malgré une finition relativement précise des éléments correspondants qui constituent les couches, il faille tenir compte de tolérances de finition; et ce d'une façon telle que la longueur totale du corps ou du tube à réaliser varie selon la somme de la tolérance d'épaisseur des éléments; en plus des variations de fonds ou de tubes, on ne peut en outre pas exclure dans le cas connu des déplacements locaux de trous par rapport à la distance et à l'emplacement normaux des tubes profilés; en raison du formage préalable massif des éléments, on ne peut fondamentalement pas éviter des tolérances de fabrication qui sont en principe impossibles à corriger ou uniquement avec un travail ultérieur extrêmement onéreux. En liaison avec la fabrication du fond ou du tube collecteur sous forme de couche, des travaux de fabrication relativement élevés sont exigés. Des décalages mentionnés de position de trous ainsi que des variations de forme même petite des trous exigent un ajustage fin ou un centrage difficile des extrémités correspondantes de tubes de la matrice, un brasage ultérieur des extrémités de tubes profilés avec les fonds de tubes collecteurs correspondants exigeant une adaptation extrêmement précise du siège des extrémités de tubes profilés, pour permettre d'éviter des décalages locaux du matériau de brasure et les problèmes de défaillances d'étanchéité et de solidité qui en résulteraient. Dans un procédé de fabrication d'un bloc d'échangeur de chaleur connu d'après DE-A-3 324 915 de la technique concernée, des tubes profilés doivent être enfoncés dans des trous prédéterminés d'une forme creuse, qui est remplie de poudre de frittage. Après le processus de frittage, la poudre frittée doit réaliser une partie de paroi du tube collecteur dans laquelle les extrémités de tubes profilés doivent être reliées de façon ferme et étanche au gaz. Un inconvénient sensible de cette solution connue est que, en raison de la forme creuse, une surface de limite de la partie de parois à réaliser est à peine fixée. L'épaisseur de paroi est donc prédéterminée par la densité non tassée de la poudre, de sorte que l'on peut voir la difficulté de maintenir de faibles tolérances d'épaisseur de parois. Cette difficulté est accrue en particulier par la disposition dans un espace relativement restreint d'une multiplicité de tubes profilés. Des limites étroites sont en particulier imposées dans ce cas connu en ce qui concerne la possibilité pratique d'exécution ainsi que le rapport coût- utilisation en particulier en tenant compte de la technique de frittage et des techniques de procédé fréquemment incalculables qu'elle présente. Un premier mode de réalisation d'un échangeur de chaleur connu d'après US- A-4 206 806 traite un maintien de positionnement, sur des parties de cadre, des deux côtés d'un faisceau de tubes composé de tubes droits présentant une section transversale identique elliptique. Dans ce cas, des extrémités de tubes concernés comportent des extrémités de pieds de tubes de forme rectangulaire, qui par rapport à leur extension en longueur la plus importante peuvent par exemple être disposés en étant tournés respectivement de 90c par rapport à la position du grand axe correspondant d'une coupe elliptique. Dans le mode de réalisation mentionné, les tubes doivent être soudés en rangées les uns derrière les autres le long des surfaces frontales étroites des extrémités carrées de pieds directement les uns aux autres et le long de parties de pieds correspondantes avec la plus grande longueur de construction en comportant des nervures déformables; il n'existe pas de cette façon de liaisons localement fermes côté tubes dans les parties de cadre; bien plutôt, les parties de cadre doivent préparer un positionnement thermiquement compatible des extrémités de tubes concernés; ce n'est que dans ce sens également qu'un autre mode de réalisation du cas précédent doit être compris, selon lequel diverses extrémités de tubes formées de façon rectangulaire sont d'abord soudées les unes aux autres le long de leurs surfaces de contact communes et doivent ensuite être maintenues en position dans une fenêtre d'un cadre ou conteneur. Dans son ensemble, le cas connu ne résoud pas le problème en ce qui concerne un ancrage à un point déterminé, stable en résistance et étanche aux fluides des extrémités d'un faisceau de tubes sur un fond d'échangeur de chaleur ou sur la paroi d'un tube collecteur ou distributeur fermé en soi d'un échangeur de chaleur de structure à contre- courant en croix. L'invention a pour but de fournir un procédé du type mentionné dans l'introduction, à l'aide duquel des extrémités de tubes profilés d'un échangeur de chaleur peuvent être reliées sous forme d'une liaison d'extrémités de tubes (bloc) par blocage de forme et étanche au fluide d'une manière relativement simple, fiable en fonctionnement et étanche aux fluides, avec la paroi d'un tube collecteur ou distributeur. Ce but est atteint par le fait que le procédé comprend les étapes consistant à a) cintrer les tubes profilés en direction du tube collecteur ou distributeur à partir d'un plan qui constitue un champ de tubes profilés régulièrement traversé b) apporter un matériau de brasage sur des surfaces de liaison ultérieures opposées des extrémités de tubes profilés; c) rassembler en forme de paquet lâche les extrémités de tubes profilés le long des contre- surfaces portant la matière de brasure; d) entourer les extrémités de tubes profilés rassemblées en forme de paquet au moyen de pièces disposées en cadre; e) comprimer les unes contre les autres les extrémités de tubes profilés & l'aide des pièces en forme de-cadre de telle façon que les extrémités soient déformées pour venir sensiblement en contact sur toute leur surface; f) braser simultanément en commun en un bloc à haute température les extrémités déformées des tubes profilés, les pièces en forme de cadre ainsi que ces dernières avec les surfaces extérieures adjacentes des extrémités de tubes profilés; g) souder le bloc par les pièces d'un cadre maintenant fermé en soi avec les parties de parois d'une ouverture périphérique pratiquée dans le tube collecteur ou distributeur et adaptée aux dimensions du bloc. De cette manière, il devient possible de relier, de la manière la plus simple, avec le tube collecteur ou le tube distributeur un bloc de tubes profilés reliés de façon solide et étanche aux fluides; on évite toutes les procédures compliquées et onéreuses de création de trous individuels et d'enfilements individuels de tubes et tous les problèmes de brasage selon l'état de la technique. Selon l'invention, on obtient un raccordement tubulaire stable en soi en ce qui concerne la résistance. La liaison de raccordement du tube formé sous forme de bloc relié avec le tube collecteur ou le tube distributeur garantit un maintien optimal fiable en fonctionnement d'une matrice de tubes profilés se projetant par exemple en forme de U en direction de l'écoulement de gaz à partir des tubes collecteur ou distributeur. En ce qui concerne le mode de fixation des extrémités locales individuelles des tubes profilés sur le fond de l'échangeur de chaleur, il n'y a plus à prendre en compte avec la solution actuelle en aucune façon une densité de distance satisfaisante prédéfinie entre tubes profilés. Par la flexion indiquée de tubes à partir d'un domaine de densité de distance entre tubes "normale" (champ de tubes profilés régulièrement parcouru par le courant) dans une position, dans laquelle les extrémités de tubes profilés sont rassemblées en forme de paquet dans le plan de raccordement et lors de la poursuite du procédé sont comprimées les unes contre les autres par déformations locales (constitution de bloc), la fenêtre ou l'ouverture de raccordement du bloc peut être maintenue relativement petite, de sorte qu'également en combinaison avec la procédure de soudure du bloc au moyen de la structure extérieure en cadre, on obtient un affaiblissement relativement faible en ce qui concerne la résistance du tube collecteur ou distributeur. Il est d'autre part essentiel et important selon l'invention que la brasure ou la matière de brasage soient amenées au moins avant l'étape de procédé du rassemblement en compression les unes sur les autres des extrémités de tubes sous forme de paquet par forme de cadre sur les surfaces opposées à relier; par exemple, une brasure amenée sous forme de pâte peut être divisée uniformément localement sur les surfaces par écrasement et être comprimée dans les espaces intermédiaires, qui subsistent par suite des arrondissements opposés préalables des tubes profilés. On va maintenant expliquer l'invention de façon plus détaillée à titre d'exemple à l'aide des dessins annexés; Les figures représentent: la Fig. 1 la vue de côté d'un échangeur de chaleur à tubes profilés représenté schématiquement en structure à contre-courant en croix comprenant une partie de matrice pour expliquer un champ de tubes profilés parcouru régulièrement par un courant, la Fig. 2 une partie de tubes collecteurs ou distributeurs à plus grande échelle pour expliquer la structure en forme de cadre ainsi qu'en forme de bloc et l'ancrage des extrémités de tubes profilés, la Fig. 3 une position fondamentale prédéfinie pour la mise en oeuvre du procédé de tubes profilés elliptiques de la matrice, position dans laquelle les tubes profilés sont maintenus et disposés dans une position de distance prédéfinie, qui correspond sensiblement aux données réelles d'un champ de tubes profilés d'un échangeur de chaleur selon la Fig. 1 parcouru par un courant régulier, La Fig. 4 un rassemblement lâche initial en forme de paquet rendu possible par flexion locale des tubes, adaptée à une zone ultérieure locale de liaison, avec une liaison préalable locale par brasure et La Fig. 5 une compression des extrémités de tubes profilés les unes contre les autres avec déformation en employant des parties en forme de cadre d'un outil de formage destiné à l'introduction des extrémités de tubes entrées sous forme de bloc dans un tube collecteur ou distributeur. La Fig. 1 représente un échangeur de chaleur à tubes profilés apte à l'utilisation du procédé selon l'invention et du dispositif correspondant. L'échangeur de chaleur à tubes profilés se compose sensiblement de deux tubes collecteurs 1, 2 disposés en parallèle. De ces deux tubes profilés 1, 2 fait saillie une matrice 3 de tubes profilés incurvée en forme de U en direction d'un écoulement de gaz G. La matrice de tubes profilés se compose de petits tubes profilés individuels de section elliptique comme l'indique clairement la Fig.l, dans la coupe située en bas à gauche. La vue en coupe permet en outre de voir que l'étoulement de gaz mentionné G ondule sensiblement en serpentant à travers les sections transversales de courant de gaz chaud prédéterminées de la matrice ou du champ de tubes profilés. Les tubes profilés 4 sont donc ici disposés de chant par rapport à l'écoulement de gaz chaud correspondant G. En fonctionnement, de l'air comprimé D est donc amené ici au tube collecteur supérieur 1, et s'écoule ensuite latéralement dans les parties rectilignes de la matrice 3; dans la zone extérieure de la matrice 3, le courant d'air comprimé est inversé et parvient par les parties inférieures rectilignes de la matrice 3 dans le tube collecteur inférieur 2, à partir duquel il est amené à l'état chauffé selon la flèche D' à un dispositif utilisateur approprié, par exemple la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz. On représente en 5 et 6 à la Fig. 1 des entretoises appropriées des tubes profilés 4, à titre d'exemple. L'invention traite un procédé de fabrication d'une liaison fiable en fonctionnement et étanche aux fluides des extrémités 7' situées à l'intérieur (Fig. 2) des tubes profilés 4 correspondants de la matrice 3 de l'échangeur de chaleur avec les tubes collecteurs correspondants 1 et 2. A cet effet, les tubes profilés 4 individuels sont d'abord disposés les uns par rapport aux autres à une distance mutuelle appropriée et maintenus de cette façon, qui résulte au moins approximativement des - données réelles ou prescrition d'un champ de tubes profilés parcouru régulièrement (voir aussi à cet effet le détail de matrice de la Fig. 1, en bas, à gauche). Les tubes profilés 4 correspondants au voisinage des extrémités 7 présentent selon la Fig. 3 une coupe transversale elliptique. Chaque tube profilé 4 (Fig. 3 et 4) comporte toujours deux canaux d'air comprimé 9, 10 séparés l'un de l'autre par une entretoise centrale 8; le grand axe correspondant de chaque tube profilé 4 est désigné par A, le petit axe correspondant (du côté des entretoises) par B. Les profils se présentent de chant avec leur grand axe A en direction de l'écoulement de gaz G. Selon la disposition et le mode de maintien indiqués, des tubes profilés 4 sont cintrés par rapport aux sections rectilignes sensiblement perpendiculaires au plan Z-Z' correspondantes de la matrice 3 pour parvenir sensiblement perpendiculaires au tube collecteur et sous un angle droit, par exemple 1 (Fig. 2) de telle façon qu'ici les extrémités 7 sont rassemblées sur celle-ci de façon lâche en étant en contact sur les surfaces opposées (Fig. 4). Dans l'exemple, les extrémités 7 des tubes profilés 4 sont déjà enduites d'une pâte de brasage ou d'une brasure L après le cintrage et avant le rassemblement. Après le rassemblement lâche en paquet (Fig. 4), les extrémités correspondantes des tubes profilés 7 sont rassemblées ou entourées par les pièces 12, 13, 14 et 15 d'un cadre, qui présente aussi une structure d'outil de formage. Après mise en place des pièces 12, 13, 14 et 15 sur la structure d'extrémités de tubes profilés (Fig. 4), les pièces sont comprimées les unes contre les autres en direction des flèches P, Pi, P2, P3 de telle façon que les extrémités 7' (Fig. 5) sont déformées de façon à se recouvrir sensiblement entièrement en surface; au lieu de la configuration strictement elliptique antérieure, il en résulte donc à la Fig. 5 une configuration dans laquelle les extrémités 7' de profilé des deux côtés des entretoises respectives 8 sont déformées de façon sensiblement triangulaire, de telle façon que soit réalisé avec l'insertion de la brasure L un contact mutuel recouvrant principalement les surfaces. La compression mentionnée ci-dessus P, Pl, P2, P3 peut être réalisée par un dispositif de mise en tension approprié réglable. A la suite de la compression mentionnée ci- dessus, il se produit un brasage commun simultané en un bloc à haute température des extrémités déformées de tubes profilés 7', des pièces de cadre 12, 13, 14, 15 les unes avec les autres ainsi que de ces dernières avec les extrémités 7' de tubes profilés par leurs surfaces extérieures immédiatement adjacentes. Puis, le bloc terminé doit être soudé par les parties 12, 13, 14, 15 reliées en un cadre fermé en soi avec les parties de parois d'une ouverture 16 c'est à dire avec une fenêtre dans le tube collecteur, par exemple 1 (Fig. 2) adaptée aux dimensions du bloc ou du cadre. A la Fig. 2, t désigne en outre les distributions de longueurs uniformes respectives de la brasure ou éventuellement d'une feuille de brasure sur les longueurs de tubes correspondantes des extrémités 7'. Le brasage à haute température mentionné ci- dessus peut être fait au four, et cela en comprenant un dispositif de mise en tension qui réalise un moyen de maintien additionnel des parties en forme de cadre dans le four; ce dispositif est à nouveau enlevé avant l'introduction par soudure dans le tube collecteur. On voit à la Fig. 5 en outre, que les parties 13, 14 en forme de cadre agissant respectivement en direction du grand axe A des extrémités 7 de profil lors de la compression déformante P1/P2 constituent des outils de formage en forme de dent; les parties 12, 15 en forme de cadre agissant respectivement dans la direction du petit axe B des extrémités 7 de profil elliptique (P/P3) constituent sur les surfaces intérieures des outils de forme inclinée adaptée en forme de demi-profil. Comme autre mode de réalisation, on peut envisager d'amener une matière de brasage préparée par exemple sous forme de pâte ou de feuille au moins avant la compression mutuelle sur le côté des cadres sur les surfaces intérieures en forme d'outillage des pièces 12, 13, 14, 15. En d'autres termes, pour relier de façon fiable en fonctionnement les pièces mentionnées en dernier, avec les surfaces extérieures immédiatement adjacentes de l'extrémité déformée de faisceau (Fig. ), et ceci au four, au lieu d'une amenée de brasure déjà mentionnée sur les surfaces extérieures de l'extrémité du faisceau en forme de paquet (figure 4). REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une liaison solide et étanche aux fluides des extrémités (7) d'une matrice (3) de tubes profilés en forme de faisceau d'un échangeur de chaleur avec un tube collecteur ou distributeur (1, 2) en employant des tubes profilés (4) présentant des sections transversales identiques elliptiques, et qui constituent un champ tubulaire régulièrement parcouru par un milieu de travail (G), caractérisé par les étapes consistant à: a) cintrer les tubes profilés (4) en direction du tube collecteur ou distributeur (1, 2) à partir d'un plan (Z, Z') qui constitue un champ de tubes profilés régulièrement traversé; b) apporter un matériau de brasage sur des surfaces de liaison ultérieures opposées des extrémités (7) de tubes profilés; c) rassembler en forme de paquet lâche les extrémités (7) de tubes profilés le long des contre- surfaces portant la matière de brasure; d) entourer les extrémités de tubes profilés (7) rassemblées en forme de paquet au moyen de pièces disposées en cadre; e) comprimer les unes contre les autres les extrémités (7) de tubes profilés à l'aide des pièces en forme de cadre de telle façon que les extrémités (7') soient déformées pour venir sensiblement en contact sur toute leur surface; f) braser simultanément en commun en un bloc à haute température les extrémités (7') déformées des tubes profilés, les pièces en forme de cadre (12, 13, 14, 15) ainsi que ces dernières avec les surfaces extérieures adjacentes des extrémités (7') de tubes profilés; g) souder le bloc par les pièces (12, 13, 14, ) d'un cadre maintenant fermé en soi avec les parties de parois d'une ouverture périphérique (16) pratiquée dans le tube collecteur ou distributeur (1, 2) et adaptée aux dimensions du bloc. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant de rassembler de façon lâche les extrémités (7) de tubes profilés sur leurs surfaces de liaisons mutuelles ultérieures, une matière de brasure (L) est apportée sous forme de pâte ou de feuille. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on applique une matière de brasure (L), par exemple sous forme de pâte ou de feuille, sur les parties en forme de cadre (12, 13, 14, ), avant l'étape o elles sont rassemblées sur les surfaces des extrémités (7) de profil qui seront en contact soit mutuel, soit extérieur avec les surfaces adjacentes. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'avant de rassembler de façon lâche les extrémités (7) de tubes profilés, on apporte aussi un matériau de brasage (L) par exemple sous forme de pâte ou de feuille sur les surfaces périphériques extérieures des extrémités de tubes profilés qui seront ultérieurement adjacentes aux parties en forme de cadre (12, 13, 14, 15). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pièces (12, 13, 14, 15) en forme de cadre sont rassemblées par compression à l'aide d'un dispositif de mise en tension réglable, agissant dans diverses directions (P, P1, P2, P3) en fonction de la position et de la structure des extrémités de tubes profilés, dispositif avec lequel, lors de l'étape du brasage en commun à haute température en un bloc, qui est réalisé dans un four, est constitué un moyen de maintien simultané, détachable à nouveau à la fin de cette étape de liaison en commun. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, employant un champ de tubes profilés de la matrice d'échangeur de chaleur (3) parcouru par un flux de gaz à haute température (G), le champ de tubes se composant de tubes profilés (4) elliptiques ou lancéolaires en saillie vers l'extérieur transversalement au courant de gaz à haute température (G), emboîtés les uns dans les autres et de forme identique dans l'espace, disposés avec leurs grands axes (A) respectifs dans la direction de l'écoulement de gaz à haute température (G), les tubes comprenant deux canaux d'air comprimé (9, 10) séparés l'un de l'autre par une entretoise centrale (8), procédé caractérisé en ce que les tubes profilés (4) sont disposés et maintenus d'abord à une distance mutuelle correspondant sensiblement au champ de tubes parcouru régulièrement par le flux et qu'ils sont dans la séquence ultérieure des étapes rassemblés de façon lâche pour la réalisation de la liaison, entourés en forme de cadre ainsi que comprimés les uns contre les autres - en présence du matériau de brasage (L) sur les surfaces de joints qui seront rapprochées ultérieurement - de telle façon que les extrémités de tubes profilés ont une forme sensiblement triangulaire comportant des surfaces de joints principalement à surfaces plates appliquées par matriçage aux extrémités des tubes profilés respectivement des deux côtés des entretoises (8), avant que ne soit exécuté le brasage à température élevée en un bloc. 7. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux pièces (13, 14) en forme de cadre agissant en direction du grand axe (A) des extrémités elliptiques de tubes profilés constituent des outillages présentant des dentures, et deux pièces (12, 15) en forme de cadre agissant respectivement en direction du petit axe (B) des extrémités (7) elliptiques de tubes profilés des outillages de forme inclinée adaptée aux demi-côtés de tubes profilés.