Brevet FR2676272A1 — publié le 19921113

"Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire" L'invention concerne un échangeur de chaleur à faisceau tubulaire pour un fonctionnement avec des gaz à haute température et des pressions élevées avec des plaques minces tubulaires du côté de l'entrée des gaz et du côté de la sortie des gaz, avec des tubes échangeurs de chaleur disposés en cercles primitifs sur les plaques tubulaires, tubes qui sont hélicoïdaux sur la plus grande partie de leur étendue10 longitudinale et avec des tirants disposés sur un cercle primitif sur deux et haubanant les plaques. Des échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire avec des tubes hélicoïdaux en combinaison avec les tirants haubanant les plaques tubulaires ont15 été développés selon le document DE 36 40 970 C 2 pour fonctionner sous l'action de pressions élevées du côté de l'enveloppe avec, agissant en même temps, des charges thermiques extrêmement élevées. Dans ce type de construction d'échangeurs de chaleur, on relie entre eux deux plaques tubulaires à paroi mince par des tirants d'ancrage, qui sont disposés sur des cercles primitifs concentriques. On choisit l'écartement axial des arcs de cercle de telle façon qu'il reste suffisamment de place pour les tubes échangeurs de chaleur sur les surfaces annulaires qui se trouvent entre ces cercles primitifs. La série de tubes située à l'extérieur détermine, à cause de l'élasticité nécessaire de l'hélice pour au moins une spire, la longueur cylindrique de la zone hélicoïdale de toutes les séries de tube Comme les surfaces d'échange de tous les tubes et par là, les longueurs déployées des tubes, doivent être si possible égales, les hélices des tubes présentent sur les cercles primitifs, en allant vers le milieu de la plaque tubulaire, un nombre de spires plus grand que 1 dans le cas d'un angle d'hélice demeurant constant Les extrémités des tubes ne sont pas hélicoïdales et s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal de l'échangeur de chaleur Le sens de rotation de l'hélice change d'un cercle primitif à un autre cercle primitif. Les tirants qui sont léchés par l'agent de refroidissement sont soumis à la même température que l'enveloppe et sont ainsi exposés aux mêmes contraintes thermiques. Les tubes exposés à une température plus élevée ne développent, du fait de la flexibilité de l'hélice, que de faibles forces dûes à la dilatation sur les plaques tubulaires Grâce à la combinaison des tirants de haubanage avec les tubes hélicoïdaux, on peut de la sorte, avoir sans dommage, des pressions élevées du côté de l'enveloppe et les plus hautes températures du côté des tubes. En raison de l'étroitesse des séparations entre les tubes dans la zone des hélices, il n'y a aucune possibilité de relier les faisceaux de tubes des différents cercles primitifs les uns aux autres, pour obtenir qu'ils s'appuient les uns aux autres, comme cela est nécessaire ou qu'ils s'appuient sur la paroi cylindrique de l'échangeur de chaleur. Comme cependant, dans le cas d'un montage horizontal de l'échangeur de chaleur, le poids du faisceau tubulaire doit être enlevé et comme pour éviter des vibrations, même dans le cas d'un montage vertical, il est nécessaire de soutenir les tubes, on doit installer les tirants disposés sur les cercles primitifs voisins se trouvant vers l'extérieur, comme des éléments de support et aussi d'appui d'un faisceau de tubes. L'objet de l'invention consiste, en conséquence, à créer un dispositif qui élimine en particulier, dans le cas d'un montage horizontal de l'échangeur de chaleur, le poids propre du faisceau de tubes, empêche les flexions des tubes et évite, de cette façon, une surchauffe des tubes hélicoïdaux qui se produirait si les tirants reposaient sur les tubes hélicoïdaux du cercle primitif voisin On doit, dans le cas du montage vertical, éviter les vibrations qui se produisent en outre quand les tubes hélicoïdaux viennent en appui. On résoud ce problème selon l'invention grâce au fait que selon une première caractéristique les tirants d'un cercle primitif sur deux des plaques tubulaires sont reliés en plusieurs endroits de la zone hélicoïdale des tubes dans le sens longitudinal de l'échangeur par des anneaux de façon à former une cage, que les tirants sont aplatis, tout en conservant leur pleine surface de section transversale dans la zone des raccordements annulaires et que les tubes disposés dans la zone hélicoïdale sur le cercle primitif correspondant des plaques tubulaires sont reliés les uns aux autres par paire au moyen de cornières dans la zone des anneaux disposés dans le sens longitudinal de l'échangeur de chaleur. Suivant une autre caractéristique de l'invention, dans chaque zone des tubes non hélicoïdaux, sont disposées au moins trois tôles de guidage. Suivant une autre caractéristique de l'invention, sur les tôles de guidage extérieures, les évidements pour les tirants sont dimensionnés de façon à former un siège par contact et les fentes annulaires pour les tubes non hélicoïdaux présentent des tolérances d'alésage. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les tôles de guidage intérieures s'étendent sur la pleine section transversale de l'enveloppe de l'échangeur de chaleur, les évidements pour les tirants sont dimensionnés de façon à former un siège par contact et que les fentes annulaires pour les tubes non hélicoïdaux sont suffisamment grandement dimensionnées pour que s'établisse après la tôle de guidage une variation du sens de l'écoulement. L'élimination du poids du faisceau tubulaire est fonction du type de montage de l'échangeur de chaleur Le poids du faisceau tubulaire est absorbé dans ce cas d'un montage de type vertical par ce qu'on appelle la plaque tubulaire "froide" Du fait de la fraction de la charge provenant du poids du faisceau de tubes, des tirants et des anneaux, cette plaque est dimensionnée avec une paroi plus épaisse que la plaque tubulaire "chaude", qui ne doit pas participer au support de la charge La cage formée par les tirants et les anneaux est installée dans ce type de montage pour protéger le faisceau de tubes des vibrations. Comme dans le cas de la construction selon l'invention, à savoir dans le cas d'une cage de tirants fabriqués au moyen d'anneaux, les tirants présentent une longueur de flambage, tirants qui absorbent des contraintes de pression élevées, 1 ' échangeur de chaleur peut faire face à des pressions élevées aussi bien du côté des tubes que du côté de l'enveloppe. Dans le cas d'un montage de type horizontal, la plaque tubulaire "chaude" ne peut pas être également employée pour encaisser des charges additionnelles plus grandes Les cornières qui sont soudées sur les tubes transfèrent le poids du faisceau de tubes par l'intermédiaire des anneaux aux tirants, qui débouchent dans les plaques tubulaires Pour ne pas introduire les poids propres de ces éléments de construction dans les plaques tubulaires, les tôles de guidage disposées dans la zone des extrémités non hélicoïdales des tubes en direction des plaques tubulaires, qui doivent assurer le refroidissement régulier, sur toute la surface avant de la plaque tubulaire chaude, servent, en outre, à décharger les plaques tubulaires Les poids propres sont directement reportés sur le manteau de l'échangeur de chaleur par les tôles de guidage. Pour recevoir des informations élémentaires sur les ordres de grandeur des flexions s'établissant dans le système de support des cages de tirants selon l'invention, ainsi que des informations sur les forces, qui sont transmises par chaque tirant sur les plaques tubulaires, sur les anneaux et sur les tôles de guidage, des études en trois dimensions ont été réalisées au moyen d'analyses des tensions, qui ont confirmé que même dans le cas d'un échangeur de chaleur à montage de type horizontal avec une longueur de construction extrêmement grande, il ne se produit que des flexions relativement faibles de la cage des tirants, si bien qu'il n'y a pas de surchauffe des tubes dûe à un appui des tirants sur les tubes De plus, il a été confirmé que les poids propres des tubes hélicoïdaux et des cages de tirants sont reportés directement sur l'enveloppe de l'échangeur de chaleur Les charges additionnelles exercées à partir de la fonction support des cages de tirants par les tirants sur les plaques tubulaires, sont minimes. Des avantages particuliers de la construction selon l'invention du système d'appui pour faisceau de tubes, résident dans le fait que l'ensemble des mouvements de dilatation qui se produisent sous l'effet de la température dans les tubes, se déroule complètement sans qu'il y ait de contacts Ces problèmes de guidage des tubes et de transfert du poids, tels qu'ils se présentent dans le cas des échangeurs de chaleur de l'état de la technique, c'est-à-dire que ne rencontrent pas ici les rétrécissements des tubes dans la zone des tôles de guidage et des écarteurs, dûs au développement accéléré de produits de la corrosion d'aciers au carbone dans la fente annulaire entre les tubes et leur pièce de maintien, provoqués par la concentration d'impuretés existant dans l'agent de refroidissement (ce qu'on appelle les morsures) Il n'y a pas non plus d'affaiblissement des tubes du fait des corrosions se produisant à la suite de criques dues aux frictions ou vibrations (ce qu'on appelle le rongeage). On va expliquer ci-après plus en détail, un exemple de réalisation de l'invention à partir des dessins: la figure 1 montre le principe de base de l'échangeur de chaleur à faisceau tubulaire dans une représentation en perspective, la figure 2 montre la liaison des tirants et des anneaux pour former une cage, la figure 3 montre les tirants avec leur section ronde et leur section aplatie, la figure 4 représente la coupe A-A à partir de la figure 2 avec les tubes de l'échangeur de chaleur fixés par paire sur les cornières, la figure 5 montre, en une coupe longitudinale de l'échangeur de chaleur à faisceau tubulaire, le transfert du poids propre des tubes d'un cercle primitif par l'intermédiaire des anneaux, tirants et tôles de guidage sur l'enveloppe de l'échangeur de chaleur, la figure 6 est la vue de dessus d'une tôle conductrice, disposée dans la zone des tubes s'étendant en ligne droite (sans représentation des tubes eux-mêmes), la figure 6 a est un détail selon la figure 6 à une échelle agrandie, la figure 7 est la vue de dessus d'une tôle de guidage remplissant complètement la section transversale de l'enveloppe de l'échangeur de chaleur dans la zone des tubes rectilignes, la figure 7 a est un détail selon la figure 7 à une échelle agrandie. La figure 1 reproduit le principe de base de l'échangeur de chaleur à faisceau tubulaire selon l'invention dans une représentation en perspective, dans laquelle, pour avoir une meilleure visibilité, on a dessiné seulement un tube hélicoïdal 2 a sur le cercle primitif extérieur la et sur le cercle primitif intérieur lb Sur les cercles primitifs voisins du tube hélicoïdal 2 a représenté, 'on a représenté quelques tirants servant à haubaner les plaques tubulaires. Les tirants 3 se trouvant sur un cercle primitif sont employés pour les tubes hélicoïdaux 2 a disposés sur le cercle primitif voisin se trouvant a l'intérieur comme éléments porteurs ou d'appui Les tirants 3 eux-mêmes, soutiennent les plaques tubulaires 1 contre la pression interne régnant à l'intérieur de l'enveloppe 7 de l'échangeur de chaleur Ils sont, en conséquence, sollicités par des forces longitudinales. Selon la figure 2, les tirants 3 d'un cercle primitif sont reliés en plusieurs endroits entre eux dans le sens longitudinal de l'échangeur de chaleur par des anneaux 5 pour former une cage Le nombre des intervalles des anneaux 5 détermine la capacité de portage des cages de tirants. Les tirants 3 avec une section ronde sont, selon la figure 3, aplatis 3 a dans la zone des raccordements annulaires. A la figure 2, on peut voir, en outre, la modification de la section transversale et la disposition tangentielle des tirants aplatis 3 a Par cette transition, on obtient qu'il ne se produise ni une charge additionnelle des tirants 3, du fait d'un déport de la direction de la sollicitation, ni que soit modifiée la symétrie de révolution des anneaux 5 favorable pour la charge. Dans le cas des sections transversales 3 a des tirants aplaties aux endroits de fixation des anneaux 5, les économies de place obtenues dans chaque zone de cercle primitif conduisent à une réduction du diamètre extérieur de l'échangeur de chaleur 7 Les surfaces des tirants 3 et des anneaux 5 qui s'étendent sensiblement parallèlement, constituent une condition préalable optimale pour le soudage des cordons de liaison. Les tubes hélicoïdaux 2 a disposés sur un cercle primitif, sont reliés entre eux au moyen de cornières 4 selon la figure 4, respectivement par paires dans la zone des anneaux 5 disposés dans le sens longitudinal de l'échangeur de chaleur; Grâce à la liaison avec les cornières 4, les tubes 20 constituent une cage tubulaire ayant la forme d'un cylindre creux Dans la zone des anneaux servant d'appui 5, il n'y a que deux tubes 2 a se trouvant côte à côte qui sont directement reliés l'un à l'autre, tandis que la liaison avec la seconde partie de tubes est établie dans la zone de l'anneau 5 suivant, sur l'axe longitudinal de l'échangeur de chaleur. Les dispositions des liaison qui changent dans la zone d'un appui d'une paire de tubes à une autre paire de tubes, permettent dans la zone correspondante des supports, des déplacements tangentiels des cornières, des paires de tubes qui ne sont pas reliées entre elles, tandis que dans les zones entre les supports, les expansions radiales nécessaires peuvent s'établir sur tous les tubes. A la figure 5, on a représenté le principe du transfert de poids des tubes hélicoïdaux 2 a de la série extérieure par l'intermédiaire des cornières 4 sur les anneaux 5, ainsi qu'en outre, par l'intermédiaire des tirants 3 et des tôles de guidage 6 sur l'enveloppe 7 de l'échangeur de chaleur. Dans les zones de l'échangeur de chaleur à faisceau tubulaire, dans lesquelles les tubes de l'échangeur de chaleur s'étendent en ligne droite, c'est-à-dire au voisinage des deux plaques tubulaires 1, sont disposées des tôles de guidage 6, 6 a De telles tôles de guidage sont connues dans leur principe dans les échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire avec des tubes d'échangeur de chaleur s'étendant exclusivement en ligne droite, comme aussi dans le cas des échangeurs de chaleur avec des faisceaux de tubes en U. Ce qu'on appelle les tôles de guidage extérieures 6, est disposé ( figure 6) perpendiculairement au sens longitudinal de l'échangeur de chaleur, à des intervalles déterminés, à la manière de chicanes Elles remplissent respectivement une partie de la section transversale de l'enveloppe de l'échangeur de chaleur et sont disposées de façon décalée dans la suite, de telle façon que l'agent de refroidissement soit dévié d'une tôle de guidage à une tôle de guidage et cause, de cette façon, un léchage transversal des tuyaux. Les tôles de guidage extérieures 6 et les tôles de guidage intérieures 6 a sont uniquement fixées aux tirants 3 situés à l'extérieur, elles reposent donc sur l'enveloppe de l'échangeur de chaleur 7 et sur les tirants restants sans fixation. Dans la zone de transition, des deux côtés, entre les tubes rectilignes 2 b et les tubes hélicoïdaux 2 a, est disposée respectivement ce qu'on appelle une tôle de guidage intérieure 6 a, qui remplit complètement la section transversale de l'enveloppe de l'échangeur de chaleur. Les tôles de guidage extérieures 6 présentent des évidements pour les tirants 3 et les tubes de l'échangeur de chaleur 2 b Les évidements dans les tôles de guidage 6, 6 a pour les tirants 3, sont dimensionnés de façon suffisamment grande pour que les tirants aient un siège de contact dans ces tôles Les évidements ou les fentes annulaires 8 (selon la figure 6 a) dans les tôles de guidage extérieures 6, à travers lesquelles s'étendent les tubes 2 b de l'échangeur de chaleur, présentent des tolérances d'alésage, telles qu'un contact des tubes est évité. il Alors que les évidements pour les tirants 3 sont conçus dans les tôles de guidage intérieures 6 a (figure 7) également pour former des sièges de contact, les fentes annulaires 9 (selon la figure 7 a), c'est-à-dire l'espace annulaire autour des tubes, comme on peut le voir à partir de la figure 7, sont dimensionnées de façon suffisamment grandes pour que l'agent de refroidissement, qui a été dévié auparavant par la tôle de guidage extérieure 6, pour former un courant transversal, puisse s'écouler dans le sens longitudinal de l'échangeur de chaleur. LISTE DES REFERENCES 1 plaque tubulaire la cercle primitif extérieur lb cercle primitif intérieur 2 a tubes échangeur de chaleur hélicoïdaux 2 b tubes échangeur de chaleur hélicoïdaux 3 tirant 3 a zone des tirants avec une section aplatie 4 cornière 5 anneaux 6 tôle de guidage extérieure 6 a tôle de guidage intérieure 7 enveloppe de l'échangeur de chaleur 8 fente annulaire pour tubes de l'échangeur de chaleur en 6 9 fente annulaire pour tubes de l'échangeur de chaleur en 6 a REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire pour un fonctionnement avec des gaz à haute température et des pressions élevées avec des plaques tubulaires minces du côté de l'entrée des gaz et du côté de la sortie des gaz, avec des tubes échangeurs de chaleur disposés en cercles primitifs sur les plaques tubulaires, tubes qui sont- hélicoïdaux sur la pus grande partie de leur étendue longitudinale et avec des tirants disposés sur un cercle primitif sur deux et haubanant les plaques, échangeur de chaleur caractérisé en ce que les tirants ( 3) d'un cercle primitif sur deux des plaques tubulaires ( 1) sont reliés en plusieurs endroits de la zone hélicoïdale des tubes ( 2 a) dans le sens longitudinal de l'échangeur par des anneaux ( 5) de façon à former une cage, que les tirants ( 3) sont aplatis ( 3 a), tout en conservant leur pleine surface de section transversale dans la zone des raccordements annulaires et que les tubes disposés dans la zone hélicoïdale ( 2 a) sur le cercle primitif correspondant des plaques tubulaires ( 1) sont reliés les uns aux autres par paire au moyen de cornières ( 4) dans la zone des anneaux ( 5) disposés dans le sens longitudinal de l'échangeur de chaleur. 2 Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans chaque zone des tubes non hélicoïdaux ( 26) sont disposées au moins trois 'tôles ( 6, 6 a) de guidage. 3 Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que sur les tôles de guidage ( 6) extérieures, les évidements pour les tirants ( 3) sont dimensionnés de façon à former un siège par contact et que les fentes annulaires pour les tubes non hélicoïdaux ( 2 b) présentent des tolérances d'alésage. -4. Echangeur de chaleur à faisceau tubulaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tôles de guidage ( 6 a) intérieures s'étendent sur la pleine section transversale de l'enveloppe ( 7) de l'échangeur de chaleur, que les évidements pour les tirants ( 3) sont dimensionnés de façon à former un siège par contact et que les fentes annulaires ( 9) pour les tubes non hélicoïdaux sont suffisamment grandement dimensionnées pour que s'établisse après la tôle de guidage ( 6 a)une variation du sens de l'écoulement.