Brevet FR2623606A1 — publié le 19890526

L'invention concerne d'une manière générale des chicanes d'échangeurs de chaleur & calandre, et plus particulièrement des joints d'étanchéité associés à ces chicanes. Les échangeurs de chaleur à calandre utilisent souvent des chicanes pour diriger un fluide à travers la calandre en lui faisant suivre un trajet sinueux à travers les tubes. Les chicanes présentent des trous dans lesquels les tubes passent, ce qui permet aux chicanes d'être disposées transversalement aux tubes. Il est important d'obturer de façon étanche tout jeu radial pouvant exister entre les trous et les tubes afin d'empêcher le fluide de passer directement à travers la chicane. Les joints d'étanchéité actuellement utilisés font appel à un serrage radial pour établir une force compressible d'étanchéité entre les tubes et les trous. Bien que ces joints puissent être efficaces, les mêmes forces de compression rendent difficile l'insertion des tubes dans les trous lors du montage et peuvent même endommager de fragiles ailettes de transmission de chaleur faisant saillie des tubes. De plus, l'absence de jeu radial entre les tubes et les trous n'offre aucune tolérance en cas de défaut d'alignement radial. Un objet de l'invention est de proposer un joint d'étanchéité actionné par pression, dont la force radiale d'étanchéité augmente en réponse à une élévation de la différence entre les pressions de fluide s'exerçant de part et d'autre de la chicane. Un autre objet de l'inven- tion est de proposer un joint d'étanchéité qui tolère un défaut d'alignement concentrique des tubes par rapport aux trous de la chicane. Un autre objet de l'invention est de proposer une chicane qui offre à ses tubes un support rigide une fois que les joints d'étanchéité de la chicane ont fléchi au-delà d'un certain point. Un autre objet de l'invention est de proposer un joint d'étanchéité qui exerce une force radiale d'étanchéité qui est notablement inférieure lors de l'assemblage que lors du fonctionne- ment, ce qui réduit les forces axiales et minimise la détérioration des fragiles ailettes du tube lors de l'insertion de ce dernier dans les trous de la chicane. Un autre objet de l'invention est de proposer une chicane réalisée d'une seule pièce en matière plastique avec des joints d'étanchéité de tube. Un autre objet de l'invention est de proposer une chicane comportant des joints d'étan- chéité qui acceptent des tubes comportant un tronçon de portée lisse ayant un diamètre extérieur qui est compris entre une valeur inférieure et une valeur supérieure au diamètre extérieur des ailettes de transmission de chaleur du tube. L'invention concerne donc un échangeur de chaleur à calandre qui comprend une chicane perforée en matière plastique destinée à faire suivre au fluide un trajet sinueux dans la calandre et à travers un faisceau de tubes échangeurs de chaleur. La chicane s'étend transver- salement aux tubes qui passent dans les trous de la chicane. Le diamètre des trous est supérieur au diamètre des tubes afin qu'il existe entre eux un jeu radial qui convient à un défaut d'alignement radial du tube dans le trou et qui facilite le montage. Une lèvre mince et flexible, disposée autour de chaque trou, s'applique étroitement et de façon étanche autour de chaque tube et s'étend vers l'amont afin d'empêcher le fluide de passer directement à travers la chicane, dans l'espace du jeu. Chaque lèvre, qui est exposée à la fois à la pression du fluide régnant en aval (par l'intermédiaire du jeu radial) et à la pression régnant en amont, constitue un joint étanche, actionné par pression, qui exerce contre les tubes une force d'étanchéité augmentant avec la pression différentielle amont-aval. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective avec arrachement partiel de la forme préférée de réalisation de l'invention; - - la figure 2 est une coupe longitudinale de l'échangeur de la figure 1; - les figures 3 et 4 sont. des coupes lon- gitudinales partielles montrant l'assemblage d'un échangeur de chaleur a calandre utilisant l'invention; - la figure 5 est une coupe longitudinale partielle montrant comment le joint de chicane s'adapte à un défaut d'alignement et comment la chicane peut supporter le poids du tube; - les figures 6A à 6D illustrent la chicane recevant des tubes de diverses conceptions; - la figure 7A est une vue & échelle agrandie du joint d'étanchéité de chicane selon la forme préférée de réalisation de l'invention; et - les figures 7B à 7H montrent d'autres formes de réalisation de l'invention. Un échangeur de chaleur 10, représenté sur les figures 1 et 2, comprend une calandre ou un corps 12, des tubes échangeurs de chaleur 14, des chicanes 16 et des plaques d'extrémité 18. Ces plaques d'extrémité 18 sont soudées à la calandre 12 afin de définir des chambres 20 d'entrée et de sortie, fermées hermétiquement. Les chambres débouchent à l'intérieur des tubes, mais sont isolées de leur extérieur dans la zone située entre les plaques 18. Un fluide réfrigérant 19 entrant dans l'échangeur de chaleur à une entrée 24 est transporté par les tubes 14 d'une chambre 20 à l'autre chambre et s'évacue par une sortie 26. De l'eau 28, devant être chauffée ou refroidie par le fluide réfrigérant 19, arrive dans une entrée 30 et est guidée par les chicanes 16 de façon à passer dans un sens et dans l'autre à travers les tubes 14 avant de s'échapper par une sortie 32. Les figures 3 et 4 montrent globalement comment l'échangeur de chaleur 10 est assemblé. Les chicanes 16 et les plaques d'extrémité l8 sont disposées comme montré, et les tubes 14 sont insérés dans des trous 34 des chicanes et dans des trous 36 des plaques d'extrémité. Les diamètres intérieurs 38 et 40 des trous 34 et 36, respectivement, sont supérieurs au diamètre extérieur 42 des tubes 14 afin de permettre une insertion aisée. Une fois les tubes en place, leurs extrémités 44 sont épanouies radialement vers l'extérieur pour former un joint étanche contre les bords des trous 36. Des joints 46 d'étanchéité des tubes, qui font partie intégrante de la chicane 16, évitent d'avoir à procéder à une opération d'estampage à l'emplacement o les tubes 14 passent dans les trous 34. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 3, chaque joint 46 comprend une lèvre annulaire mince et flexible 48 dont le diamètre intérieur 50, à l'état non étiré, est inférieur au diamètre extérieur 42 du tube. Lorsque les tubes 14 sont insérés dans les trous 34, les lèvres 48 s'étirent aisément radialement vers l'extérieur et s'étendent axialement dans un sens qui sera le côté d'amont en cours de fonctionnement. Une fois que l'assemblage des tubes et de la chicane est achevé, comme montré sur la figure 4, il est introduit dans la calandre 12, les plaques d'extrémité 18 sont soudées sur cette dernière et deux chapeaux d'extrémité 52 sont fixés à la calandre 12. En référence à la figure 5, le diamètre extérieur relativement grand des trous 34 de la chicane et la flexibilité des lèvres 48 permettent un défaut d'aligne- ment radial des tubes 14 dans les trous 34. Cependant, le défaut d'alignement est limité de façon à rester dans un intervalle prédéterminé et raisonnable tel que défini par le jeu radial 49 entre le tube 14 et le trou 34. Si le défaut d'alignement résulte du poids du tube qui oblige ce dernier à fléchir vers le bas, la chicane 16, qui est plus rigide que le joint 46, constitue un support pour le tube. De plus, le diamètre extérieur relativement grand 38 et la flexibilité des lèvres 48 rendent les joints d'étanchéité 46 utilisables avec diverses dimensions et formes de tubes comme montré sur les figures 6A à 6D. Sur les figures 6A à 6C, le diamètre intérieur 50 de la lèvre non étirée 48 est inférieur au diamètre extérieur 42 d'un tronçon de portée lisse 54 du tube 14. Le diamètre intérieur 38 des trous 34 est plus grand que les diamètres extérieurs 42 et 56 à la fois du tronçon de portée 54 et du tronçon à ailettes 58, respectivement. Ces dimensions relatives facilitent l'assemblage et permettent de tolérer des défauts d'alignement. Sur la figure 6A, le diamètre 42 est inférieur au diamètre 56; sur la figure 6B, le diamètre 42 est approximativement égal au diamètre 56; sur la figure 6C, le diamètre 42 est supérieur au diamètre 56; et sur la figure 6D, le tube 14 ne porte pas de tronçon de portée 54. Bien que la figure 6A illustre la forme préférée de réalisation, l'une quelconque des conceptions de tubes des figures 6A à 6D est acceptable, compte tenu du fait que la conception montrée sur la figure 6D peut présenter une certaine fuite à travers le joint d'étanchéité. La figure 7A montre la forme préférée de la conception particulière du joint d'étanchéité; cependant, il convient de noter que d'autres formes de réalisation, telles que celles illustrées sur les figures 7B à 7H, entrent également dans le cadre de l'invention. La chicane 16 de la figure 7A est réalisée d'une seule pièce en matière plastique qui comprend un joint d'étanchéité intégré 46. La construction d'une seule pièce simplifie la fabrication en éliminant les sous-ensembles et les joints résultants. Il convient cependant de noter que des matières autres qu'une matière plastique pourraient également convenir pourvu que les propriétés de la matière convien- nent à l'application particulière. Plus particulièrement, la matière doit être compatible avec le fluide avec lequel elle est en contact, elle doit pouvoir supporter la température et les pressions dynamiques du fluide, doit avoir une flexibilité suffisante pour réagir à une pression différentielle du fluide à travers le joint d'étanchéité, doit avoir une élasticité suffisante pour permettre au joint d'étanchéité de s'étirer sur ce tube, et doit être assez rigide pour supporter radialement une certaine partie du poids du tube. Comme montré sur la figure 7A, la chicane 16 divise le fluide (eau 28) entre un côté d'amont 60 et un côté d'aval 62, de pression inférieure. Le diamètre intérieur 38, qui est supérieur au diamètre 42 du tube, expose une face arrière 64 de la lèvre du joint d'étan- chéité à la pression inférieure régnant en aval, tandis qu'une face avant 66 de la lèvre du joint d'étanchéité est exposée à la pression plus élevée régnant en amont. La pression différentielle (pression d'amont moins pression d'aval) à laquelle la chicane est soumise repousse la lèvre 48 du joint d'étanchéité vers l'aval et radialement contre le tube 14 pour former un joint étanche actionné par pression. Les autres formes de réalisation de l'invention montrées sur les figures 7B à 7H travaillent sur le même principe de base. Sur la figure 7B, la lèvre 48b part d'une face d'amont 68 de la chicane 16b, plutôt que d'une circon- férence intérieure du trou de la chicane comme montré sur la figure 7A. Sur la figure 7C, la lèvre 48c part d'une circonférence intérieure 70c du trou 34c, mais est reliée à proximité d'une face arrière 72c de la chicane 16c, plutôt qu'à proximité de sa face avant. Sur la figure 7D, -la lèvre 48d part de la circonférence intérieure 70d du trou 34d, en un point intermédiaire compris entre les faces avant et arrière de la chicane i6d. La chicane 16e de la figure 7E est un ensemble de deux pièces comportant un élément mince et flexible 74e d'étanchéité et une plaque rigide 76e de support. La chicane 16f montrée sur la figure 7F est similaire à celle montrée sur la figure 7E, sauf que l'élément 74f d'étanchéité est fixé à la face arrière de la plaque 76f de support. La figure 7G montre une chicane 16g présentant une transition en douceur o un joint d'étanchéité relativement mince 46g s'étend à partir de la chicane. Sur la figure 7H, la chicane 16h comprend un joint flexible 74h d'étanchéité relié à une plaque plus rigide 76h de support, mais ayant globalement la même épaisseur que cette plaque. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'échangeur de chaleur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte une calandre (12) destinée à transporter un fluide qui la traverse, une chicane (16) a l'intérieur de la calandre, présentant plusieurs trous (34), une lèvre élastique annulaire (48) disposée autour de chaque trou et ayant une flexibilité supérieure à celle de la chicane, lesdites lèvres s'étendant globalement de la chicane vers l'amont et étant exposées audit fluide, à la fois en amont et en aval de la chicane, plusieurs tubes échangeurs de chaleur (14) passant dans lesdits trous et dans lesdites lèvres annulaires afin que le fluide applique à force les lèvres contre les tubes, ce qui forme des joints d'étan- chéité (46), actionnés par la pression du fluide. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce iue la chicane et les lèvres sont réalisées d'une seule pièce polymérique, sans joints d'assemblage quelconques. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chicane est un assemblage d'au moins deux pièces qui comprend une plaque rigide (76e, 76f ou 76h) de support présentant lesdits trous et reliée à un élément d'étanchéité plus flexible (74e, 74f ou 74h) comportant lesdites lèvres annulaires. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité est disposé en amont de la plaque de support. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lèvres sont disposées sur une face de la chicane tournée vers l'amont. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque lèvre est disposée sur un diamètre intérieur desdits trous. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre intérieur des trous est supérieur au diamètre extérieur des tubes, ce qui établit un jeu radial (49) entre les trous et les tubes pour s'adapter à un défaut d'alignement radial des tubes dans les trous et assurer aussi un support radial des tubes si cela est nécessaire. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes comprennent un tronçon lisse (54) de portée o lesdits tubes passent dans les trous, et comprennent aussi un tronçon a ailettes (58) ayant un diamètre extérieur qui est inférieur au diamètre extérieur du tronçon de portée. 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes comprennent un tronçon de portée lisse (54) o les tubes passent dans les trous et comprennent aussi un tronçon à ailettes (58) ayant un diamètre extérieur qui est plus grand que le diamètre extérieur du tronçon de portée. 10. Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte une calandre (12) destinée au transport d'un fluide à travers elle, et une chicane (16) située à l'intérieur de la calandre et présentant plusieurs trous (34) entourés chacun d'une lèvre élastique annulaire (48) de manière à former une seule pièce sans joints quelconques d'assemblage, les lèvres étant exposées au fluide à la fois en amont et en aval de la chicane et ayant une flexibilité supérieure à celle de la chicane, plusieurs tubes échan- geurs de chaleur (14), d'un diamètre extérieur plus grand qu'un diamètre intérieur, à l'état non étiré, des lèvres, passant dans les trous et dans les lèvres annulaires afin que lesdits tubes étirent les lèvres radialement vers l'extérieur et les déforment vers le côté d'amont de la chicane, les lèvres exerçant ainsi une force radiale d'étanchéité contre les tubes qui augmente avec une pression différentielle exercée par le fluide sur les faces opposées de la chicane. 11. Echangeur de chaleur selon la revendication , caractérisé en ce que les trous ont un diamètre intérieur qui est plus grand que le diamètre extérieur des tubes afin qu'un jeu radial (49) soit établi entre les trous et les tubes pour convenir à un défaut d'alignement radial des tubes dans les trous et pour assurer aussi le support radial des tubes si cela est nécessaire. 12. Echangeur de chaleur selon la revendication , caractérisé en ce que les lèvres sont disposées sur une face de la chicane tournée vers l'amont. 13. Echangeur de chaleur selon la revendication , caractérisé en ce que les lèvres sont disposées sur un diamètre intérieur des trous. 14. Echangeur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les tubes comprennent un tronçon de portée globalement lisse (54) o les tubes passent dans les trous, ainsi qu'un tronçon à ailettes (58) ayant un diamètre extérieur qui est inférieur au diamètre extérieur du tronçon de portée. 15. Echangeur de chaleur selon la revendication , caractérisé en ce que les tubes comprennent un tronçon de portée globalement lisse (54) o les tubes passent dans les trous, ainsi qu'un tronçon à ailettes (58) ayant un diamètre extérieur plus grand que le diamètre extérieur du tronçon de portée. 16. Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte une calandre (12) destinée au transport d'un fluide à travers elle, une chicane (16) à l'intérieur de la calandre, présentant plusieurs trous (34) entourés chacun d'une lèvre annulaire élastique (48) de façon que la chicane forme une seule pièce polymérique sans joint d'assemblage quelconque, les lèvres étant exposées au fluide à la fois en amont et en aval de la chicane et ayant une flexibilité supérieure à celle de la chicane, plusieurs tubes échangeurs de chaleur (14), qui ont un diamètre extérieur plus grand que le diamètre intérieur, à l'état non étiré, des lèvres, et plus petit que le diamètre intérieur des trous, passant dans les trous et dans les lèvres annulaires afin que lesdits tubes étirent les lèvres radialement vers l'extérieur et les déforment vers le côté d'amont de la chicane, les lèvres exerçant ainsi une force radiale d'étanchéité contre les tubes, laquelle force augmente avec une pression différentielle exercée par le fluide sur les faces opposées de la chicane, le diamètre extérieur relativement grand des trous établissant un jeu radial (49) entre les trous et les tubes afin de permettre un défaut d'alignement radial des tubes dans les trous et d'assurer aussi un support radial pour les tubes si cela est nécessaire. 17. Echangeur de chaleur selon la revendication 16, caractérisé en ce que les lèvres sont disposées sur une face de la chicane tournée vers l'amont. 18. Echangeur de chaleur selon la revendication 16, caractérisé en ce que les lèvres sont disposées sur le diamètre intérieur des-trous. 19. Echangeur de chaleur selon la revendication 16, caractérisé en ce que les tubes comprennent un tronçon de portée globalement lisse (54) o les tubes passent dans les trous, ainsi qu'un tronçon à ailettes (58) ayant un diamètre extérieur plus petit que le diamètre extérieur du tronçon de portée. 20. Echangeur de chaleur selon la revendication 16, caractérisé en ce que les tubes comprennent un tronçon de portée globalement lisse (54), o les tubes passent dans les trous, ainsi qu'un tronçon à ailettes (58) ayant un diamètre extérieur qui est plus grand que le diamètre extérieur du tronçon de portée.