Brevet FR2684437A1 — publié le 19930604

Echangeur de chaleur, notamment pour réacteurs hypersoniques, comportant un entretoisement pour les tubes de sa matrice. L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur, notamment en tant que radiateur d'air de refroidissement pour réacteurs hypersoniques, comportant un entretoisement pour les tubes d'une matrice, situés dans l'écoulement d'un fluide extrêmement chaud, la matrice étant raccordée à des conduites de collecte séparées, pour l'amenée et l'évacuation d'un fluide captant de la chaleur. De tels échangeurs de chaleur, notamment du type à courants croisés et opposés, sont connus (document EP-A-0 331 026 ou EP-A-0 265 726) Par ailleurs, sont connus des échangeurs de chaleur du type de celui mentionné en introduction et du type à courants croisés (document US- A-3 112 793), la matrice de tubes s'étendant transversalement de manière rectiligne, ondulée ou oblique entre des caissons ou des tubes de collecte correspondants De tels échangeurs de chaleur peuvent être mis en oeuvre en tant qu'échangeurs de chaleur à gaz d'échappement ou d'échangeurs récupérateurs de chaleur, la matrice de tubes étant disposée dans le courant chaud des gaz d'échappement d'un réacteur à turbine à gaz en fonctionnement stationnaire ou non stationnaire, et une partie de la chaleur renfermée dans le courant chaud des gaz d'échappement devant produire un échauffement de l'air du compresseur alimentant la chambre de combustion et s'écoulant dans la matrice de tubes, avant l'entrée dans la chambre de combustion. Par ailleurs, le document DE-A-39 42 022 divulgue la mise en oeuvre d'un échangeur de chaleur du type à courants croisés ou à courants croisés et opposés, en tant que radiateur d'air de refroidissement (condenseur) dans des réacteurs hypersoniques; dans ce cas, de l'air de refroidissement prélevé côté entrée, avant le compresseur du réacteur de base, doit être liquéfié, notamment par échange de chaleur avec du carburant alimenté à l'état cryogénique, par exemple de l'hydrogène, et être amené sous forme de vapeur à des pièces à refroidir. Dans le cas d'un fonctionnement uniquement en statoréacteur (vol hypersonique), le flux d'air dynamique devant alimenter le statoréacteur par l'intermédiaire de l'entrée d'air variable, atteint des températures d'environ 1500 K et plus, de sorte que la matrice de tubes de l'échangeur de chaleur considéré faisant office de radiateur d'air de refroidissement, est soumise à des sollicitations thermiques correspondantes, extrêmement élevées. Dans l'ensemble des cas mentionnés en introduction, non seulement la matrice de tubes, mais également des entretoisements correspondants des tubes de la matrice, nécessités par le fonctionnement, sont soumis à des températures élevées correspondantes Des tôles perforées déjà proposées en guise d'entretoises, sont pratiquement à exclure dans ce cas, en raison des exigences imposées, entre autres quant à la résistance, la rigidité et/ou la tenue à la corrosion En outre, de telles tôles perforées présentent l'inconvénient de conduire à l'apparition de frottements (frettage) des tubes dans les perforations considérées, qui sont engendrés par des vibrations et peuvent conduire à une usure relativement précoce des tubes Des entretoises déjà proposées par ailleurs, constituées de rubans de feutre métallique, de fils ou de bandes assurent certes un support amélioré en ce qui concerne les vibrations, mais sont comparativement instables quant à leur résistance, et, comme les tôles perforées, ne résistent pas aux températures extrêmement élevées En-dehors de l'inconvénient d'une construction relativement compliquée, les cas cités en dernier lieu nécessitent un ancrage extérieur supplémentaire (cadre de support, carter) (voir par exemple le document EP-A-0 389 759). Le but de l'invention consiste à fournir un échangeur de chaleur du type de celui mentionné en introduction, dans lequel l'entretoisement est d'une configuration présentant une bonne tenue aux sollicitations thermiques extrêmes, et dans lequel les tubes de la matrice sont maintenus de manière peu sensible aux vibrations. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce au fait que pour l'entretoisement, il est prévu au moins un corps tubulaire qui est fermé hermétiquement à l'encontre du fluide extrêmement chaud, et qui, par l'intermédiaire de tubes de la matrice, est traversé et refroidi par le fluide captant de la chaleur. Comme le fluide à échauffer, par exemple de l'air comprimé ou un liquide de refroidissement, par exemple de l'hydrogène liquide, s'écoule dans les tubes de la matrice et également dans le ou les corps tubulaires faisant office d'entretoises, on a créé un entretoisement à refroidissement "actif "l lors du processus d'échange de chaleur Mis à part l'avantage du refroidissement, chaque corps tubulaire constitue pratiquement un élément d'échangeur de chaleur supplémentaire Grâce à une liaison localement fixe des tubes de la matrice, sensiblement par rangées, groupes ou en faisceaux, notamment par brasage ou soudage sur chaque corps tubulaire considéré, par exemple sur des côtés opposés de celui-ci, on obtient en même temps un entretoisement des tubes de la matrice, présentant une bonne tenue aux vibrations Comparativement à chacun des tubes ou conduites de collecte extérieurs, les corps tubulaires pour l'entretoisement peuvent présenter des dimensions relativement petites; ils peuvent être réalisés avec un profil mince et aérodynamique, et être agencés de manière favorable d'un point de vue aérodynamique, pour cela, le corps tubulaire peut avantageusement présenter une forme allongée ovale, à section transversale elliptique, de manière à ce que son grand axe de l'ellipse soit orienté dans la direction du fluide chaud délivrant de la chaleur et dont l'écoulement arrive sur la matrice et la traverse Selon une configuration de l'invention, le corps tubulaire réalisé en tant qu'entretoisement, est un corps creux cylindrique de section circulaire simple ou multiple, ou un corps creux polygonal; grâce à la forme polygonale ou circulaire multiple des entretoises, il est possible de créer localement des surfaces d'échange de chaleur relativement grandes La configuration de forme polygonale ou circulaire multiple, peut toutefois également être considérée comme étant une mesure favorisant la formation de turbulences, en vue d'imposer localement des durées de séjour plus importantes aux fluides (à l'intérieur comme à l'extérieur), dans l'optique d'imposer un refroidissement optimal des entretoises en forme de corps tubulaire Chaque corps tubulaire formant entretoise peut comporter plusieurs canaux ou chambres de refroidissement qui sont chacun reliés, par une liaison assurant le passage du fluide, à des rangées ou groupes de tubes considérés de la matrice Grâce à une disposition appropriée de canaux de refroidissement, en particulier également sur le côté, d'un corps tubulaire formant entretoise, exposé à l'écoulement amont et soumis aux fortes sollicitations thermiques, ce corps tubulaire est également particulièrement résistant aux hautes températures à cet endroit, et possède donc une configuration présentant un risque moindre d'ablation par les gaz chauds Dans le cadre de l'invention, il est également possible que des rangées ou des groupes de tubes de la matrice soient raccordés à des corps tubulaires formant entretoise, séparés physiquement les uns des autres dans le plan d'un entretoisement, et disposés de manière à être mobiles relativement les uns par rapport aux autres, de sorte qu'il est possible de compenser, dans un plan d'entretoisement, des dilatations thermiques différentes des tubes de matrice, par groupes ou rangées, dans la direction transversale aux axes des conduites ou tubes de collecte Cela est également possible, lorsque dans un plan transversal imparti d'un entretoisement, des corps tubulaires séparés les uns des autres sont reliés entre-eux en étant mobiles relativement les uns par rapport aux autres dans la direction transversale aux axes des conduites de collecte, par exemple en étant en prise les uns avec les autres de manière à pouvoir coulisser les uns par rapport aux autres. L'invention va maintenant être explicitée plus en détail à l'aide d'exemples, au regard des dessins annexés, qui montrent: Fig 1: un schéma de principe d'un échangeur de chaleur à tubes profilés, du type à courants croisés et opposés, en vue de côté, Fig 2: le profil de la section droite d'une entretoise en forme de corps creux ovale allongé auquel sont raccordés de chaque côté, de manière fixe, des tubes de matrice, Fig 3: une entretoise comportant, en variante à la figure 2, plusieurs chambres ou canaux de refroidissement séparés les uns des autres, Fig 4: une entretoise de forme polygonale au sens large, notamment dans le cas présent de forme cylindrique à section circulaire multiple, ainsi que des tubes de matrice débouchant de chaque côé dans des tronçons intérieurs cylindriques reliés entre-eux, Fig 5: un entretoisement constitué de corps tubulaires cylindriques circulaires, séparés les uns des autres, ainsi que des tubes de matrice débouchant dans chacune des chambres intérieures cylindriques creuses, Fig 6: en variante à la figure 5 et vu selon la direction de la flèche X de cette figure, une liaison du type à rainure et tenon coulissant, entre deux corps tubulaires disposés l'un au-dessus de l'autre dans le plan considéré de l'entretoisement, Fig 7: en perspective et de manière schématique, une version d'échangeur de chaleur du type à courants croisés et opposés, notamment destiné à être utilisé en tant que radiateur d'air de refroidissement dans un réacteur hypersonique, comportant globalement une matrice de tubes de forme annulaire et des entretoises ovales, Fig 8: une variante de l'échangeur de chaleur de la figure 7, représenté en perspective, avec mise en oeuvre d'entretoises du type tubes à section circulaire, séparées les unes des autres, Fig 9: l'entretoisement ovale en coupe A-A de la figure 7 et selon une première variante, Fig 10: l'entretoisement ovale en coupe A-A de la figure 7 et selon une seconde variante, et Fig 11: l'entretoisement à tubes de section circulaire, en coupe B-B de la figure 8. La figure 1 montre un échangeur de chaleur à tubes profilés, du type à courants croisés et opposés, qui est représenté de manière schématique, et qui est adapté à la mise en oeuvre de l'invention L'échangeur de chaleur à tubes profilés est essentiellement constitué de deux tubes de collecte 1, 2 disposés parallèlement l'un à l'autre De ces deux tubes de collecte 1, 2 fait saillie une matrice 3 de tubes profilés, cintrée en forme de "U" et dirigée à l'encontre d'un écoulement de gaz chaud H La matrice de tubes profilés est composée de petits tubes profilés individuels 4 présentant une section droite elliptique, tel que cela apparaît, sans nécessiter d'autres explications, sur la figure 1, en bas à gauche, en coupe La vue en coupe laisse également entrevoir que l'écoulement de gaz chaud, selon H', chemine selon une trajectoire sensiblement ondulée au travers des sections de passage de gaz chaud prédéfinies, de la matrice A cet effet, les tubes profilés individuels 4 sont disposés de chant par rapport à l'écoulement de gaz chaud H considéré En fonctionnement, de l'air comprimé D est donc amené au tube de collecte 1 situé dans le haut en ce qui concerne le cas présent, cet air comprimé s'écoulant ensuite latéralement dans les tronçons tout d'abord rectilignes de la matrice; dans la zone extérieure cintrée ou zone de renvoi de la matrice, l'écoulement d'air comprimé est alors dévié et parvient, par l'intermédiaire des tronçons rectilignes inférieurs considérés, de la matrice 3, dans le tube de collecte inférieur 2, à partir duquel il peut être amené, à l'état réchauffé, selon la flèche D', à un dispositif récepteur approprié, tel que par exemple la chambre de combustion d'un réacteur à turbine à gaz. Les repères 6 à 12 sur la figure 1, indiquent de manière schématique et à titre d'exemple, des entretoises pour les tubes profilés 4. Suivant les impératifs de construction, et entre autres également dans l'optique de réduire au minimum les pertes aérodynamiques, la matrice 3 considérée de l'échangeur de chaleur, pourrait également être disposée de manière oblique par rapport à l'écoulement de gaz chaud, ou les tubes profilés 4 pourraient, relativement à leur étendue longitudinale, être soumis extérieurement à l'écoulement du gaz chaud, sous une incidence oblique Ce qui vient d'être évoqué précédemment peut également s'appliquer, dans le principe, à l'utilisation d'un tel échangeur de chaleur en tant que "radiateur d'air de refroidissement", lorsque l'on part par exemple du principe que les tubes 4 de la matrice 3 sont soumis extérieurement au flux dynamique d'air extrêmement chaud; dans ce cas, à la place d'air comprimé D (figure 1), c'est par exemple de l'hydrogène liquide qui est amené au tube de collecte 1 en tant que fluide captant de la chaleur, et qui peut être amené sous forme de vapeur, selon D' (figure 1), par exemple au système de combustion du propulseur du type statoréacteur. L'une ou plusieurs des entretoises 6 à 12 indiquées schématiquement sur la figure 1, peuvent conformément à l'invention, être refroidies de manière "active", grâce au fait qu'elles sont également traversées, comme les tubes profilés 4, par le fluide qui capte de la chaleur au cours du processus d'échange de chaleur, et qui simultanément fait office de réfrigérant, par exemple de l'air comprimé D' (figure 1), ou un gaz de refroidissement ou un agent réfrigérant liquide, tel que par exemple de l'hydrogène A cet effet, conformément aux figures 2 à 6, des rangées ou des groupes, ou bien des faisceaux très localisés de petits tubes 4 de la matrice 3 (figure 1), peuvent être reliés aux chambres intérieures considérées des entretoises réalisées sous la forme de corps tubulaires, en établissant une communication pour le fluide et une liaison fixe avec les parois des corps tubulaires; de préférence, et en fonction de la température, les petits tubes 4 de la matrice peuvent être liés aux corps tubulaires, au niveau de perforations correspondantes, par soudage ou brasage fort. La figure 2 montre un corps tubulaire 13 ovale allongé, en guise d'entretoise. La figure 3 montre une variante de la figure 2, à savoir que le corps tubulaire ovale 13 ' englobe des canaux ou chambres de refroidissement intérieurs 14, 15, 16, 17, séparés les uns des autres, dans chacun desquels pénètrent, ici sur les deux côtés, les extrémités avoisinantes de deux ou trois rangées de petits tubes 4, décalées en position les unes par rapport aux autres quant au profil des petits tubes. La figure 4 matérialise un corps tubulaire 18 essentiellement cylindrique et de section transversale circulaire multiple, dont les chambres intérieures cylindriques, par exemple 19, 20, se raccordent les unes aux autres; cette variante de configuration pourrait également être transcrite en une configuration de forme polygonale, aussi bien à l'extérieur qu'à l'intérieur. Selon la figure 5, l'entretoisement des tubes profilés 4 est réalisé à l'aide de tubes cylindriques 21, 22, 23, 24, 25 disposés à distance les uns au- dessus des autres, dans un plan transversal de la matrice considérée; grâce aux tubes en vis à vis les uns au-dessus des autres, par exemple 21 et 22, il est ainsi possible de compenser des variations de longueur L, L' d'origine thermique, de rangées voisines de tubes profilés 4. En variante à la figure 5, les tubes 21, 22 de l'entretoisement peuvent par exemple être disposés de manière à s'appuyer l'un sur l'autre et à être reliés entre-eux, par la mise en oeuvre d'une liaison coulissante du type à rainure et tenon 23 ", 24 ' (figure 6), permettant un coulissement relatif selon L, L'. Deux ou plusieurs configurations d'entretoises selon les figures 2 à 6 et évoquées précédemment, peuvent également être prévues en combinaison dans un échangeur de chaleur. La figure 7 montre une variante d'un échangeur de chaleur à courants croisés et opposés, susceptible d'être mise en oeuvre dans un réacteur de vol hypersonique, comportant une matrice de tubes profilés de forme sensiblement annulaire, qui est subdivisée en faisceaux 25, 26, 27, 28 de forme sensiblement demi-annulaire On supposera ici par exemple, que l'axe longitudinal de l'échangeur de chaleur, et la matrice annulaire qui lui est coaxiale, sont disposés selon une position sensiblement parallèle à l'axe du réacteur Conformément à la figure 7, des entretoises, par exemple sous la forme de corps creux 13 ovales et allongés, selon la figure 2, sont ici disposées sur des côtés opposés, symétriquement par rapport à l'axe, de la matrice annulaire Le tube de collecte 1 est subdivisé, sur la figure 7, en deux chambres, au moyen d'une cloison de séparation 29 Par ailleurs, les deux tubes de collecte 1, 2 sont obturés à leurs extrémités, par des couvercles, à l'exception de raccords de conduites d'alimentation et d'évacuation sur le tube de collecte 1 En fonctionnement, la matrice annulaire (faisceaux 25 à 28) est traversée, sensiblement de manière parallèle à l'axe de l'échangeur de chaleur, par le flux dynamique d'air chaud, la direction de l'écoulement amont du flux dynamique d'air chaud, à l'entrée, étant désignée par St, et la direction de l'écoulement aval de l'air de refroidissement refroidi, à la sortie, étant désignée par St 1; l'air de refroidissement dont la température à été abaissée, peut être amené aux pièces soumises aux températures élevées Les corps tubulaires 13 sont refroidis "activement" par l'agent réfrigérant, par exemple de l'hydrogène, qui s'écoule au travers d'eux par l'intermédiaire des tubes profilés 4 ', et qui se vaporise au cours du processus d'échange de chaleur. L'hydrogène est amené, par exemple sous forme liquéfiée, dans la direction de la flèche F, à l'une des chambres du tube de collecte 1, et de là, se répartit selon les flèches Fl, F 2, dans les tubes profilés des faisceaux 25, 26, desquels il s'écoule vers l'autre tube de collecte 2 (flèches K, R); de celui-ci il s'écoule alors, selon des directions F 2, F 3 opposées aux directions des flèches K, R, dans la seconde chambre du tube de collecte 1 (flèches S, T), par l'intermédiaire des faisceaux 27, 28; de cette seconde chambre, l'hydrogène, à présent sous forme de vapeur, peut être amené en ayant été préparé de manière appropriée, conformément à la flèche F 4, par exemple au système d'injection de carburant de la chambre de combustion du statoréacteur L'échangeur de chaleur peut être enveloppé par un carter cylindrique isolé thermiquement, non représenté; la matrice annulaire peut être entourée des deux côtés par des structures cylindriques annulaires formant carter et guidage; une conduite d'alimentation pour le flux dynamique d'air St devant être amené à l'échangeur de chaleur, peut être conçue de manière à passer d'une section droite tout d'abord circulaire, à une section droite adaptée à la forme annulaire de la matrice; des isolations thermiques correspondantes sont à prévoir et sont représentées en trait interrompus, à titre d'exemple. Conformément à la vue en coupe selon A-A de la figure 7, la figure 9 matérialise une variante de l'entretoisement selon la figure 2, à savoir un corps tubulaire ovale 13; ici, l'entretoisement est constitué par des corps tubulaires ovales 13 a, 13 b, 13 c, 13 d, qui sont séparés et se succèdent en direction longitudinale, c'est à dire le long de l'axe de l'échangeur de chaleur, et qui sont reliés chacun à des groupes de tubes profilés 4 '. La figure 10 représente une variante, vue en coupe A-A de la figure 7, de la configuration selon la figure 2 (corps tubulaire ovale 13), ici toutefois en combinaison avec la matrice annulaire. La figure 11 résulte de la coupe selon B-B de la figure 8; la construction est d'un principe comparable à celle de la figure 5, mais adaptée à une matrice annulaire selon les figures 7 et 8. Conformément à la figure 11, selon une autre différence par rapport à l'entretoisement de la figure 5, l'entretoisement est ici constitué de tubes cylindriques 22/22 '; 23/23 ' divisés, à savoir séparés entre-eux, axialement, c'est à dire dans la direction de l'axe de l'échangeur de chaleur de forme annulaire, et auxquels sont affectés des rangées correspondantes de tubes profilés 4 ' Par ailleurs, il est également possible d'utiliser pour les exemples de réalisation considérés d'un échangeur de chaleur à matrice du type annulaire selon les figures 7 et 8, des entretoisements selon les figures 3 à 6, individuellement ou selon une combinaison souhaitée Par ailleurs, on remarquera que le mode de construction de l'échangeur de chaleur selon la figure 8 est pratiquement identique à celui selon la figure 7, de sorte que les pièces constitutives pratiquement identiques sont désignées par les mêmes repères. REVENDICATIONS 1 Echangeur de chaleur, notamment en tant que radiateur d'air de refroidissement pour réacteurs hypersoniques, comportant un entretoisement pour les tubes ( 4) d'une matrice ( 3), situés dans l'écoulement d'un fluide extrêmement chaud, la matrice étant raccordée à des conduites de collecte ( 1, 2) séparées, pour l'amenée et l'évacuation d'un fluide captant de la chaleur, caractérisé en ce qu'en guise d'entretoisement est prévu au moins un corps tubulaire ( 13; 18; 21) qui est fermé hermétiquement à l'encontre du fluide extrêmement chaud, et qui, par l'intermédiaire de tubes ( 4) de la matrice ( 3), est traversé et refroidi par le fluide captant de la chaleur. 2 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des rangées ou des groupes de tubes ( 4) de la matrice ( 3) sont reliés de manière fixe et établissant une communication permettant le passage d'un fluide, au corps tubulaire ( 13; 18; 21), sur des côtés opposés de celui-ci, 3 Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite liaison des rangées ou des groupes de tubes ( 4) de la matrice ( 3) au corps tubulaire ( 13; 18; 21) est réalisée par brasage ou soudage. 4 Echangeur de chaleur selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps tubulaire ( 21; 18; 13) réalisé en tant qu'entretoisement, est un corps creux cylindrique de section circulaire simple ou multiple, ou un corps creux ovale ou polygonal. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps tubulaire ( 13 ') présente plusieurs canaux de refroidissement ( 14-18) séparés entre-eux, dont chacun est en liaison avec des rangées ou des groupes de tubes ( 4) de la matrice ( 3). 6 Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que des rangées ou des groupes de tubes ( 4) de la matrice ( 3) sont raccordés à des corps tubulaires ( 21, 22) séparés physiquement les uns des autres dans le plan de l'entretoisement, et disposés de manière à être mobiles relativement les uns par rapport aux autres. 7 Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les corps tubulaires ( 21, 22) sont reliés entre- eux en étant mobiles relativement les uns par rapport aux autres dans la direction transversale aux axes des conduites de collecte ( 1, 2). 8 Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que le corps tubulaire ( 13) présente une forme ovale allongée à section transversale elliptique, de manière à ce que son grand axe de l'ellipse soit orienté dans la direction du fluide chaud (H') délivrant de la chaleur et s'écoulant au travers de la matrice ( 3).