Brevet FR2699264A1 — publié le 19940617

La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur, et plus particulièrement à un échangeur muni d'un système anti-érosion. Un échangeur de chaleur comprend une ou plusieurs zones d'échange thermique, à l'intérieur de chacune desquelles un fluide"chaud", provenant par exemple d'une chambre de combustion, transmet une partie de sa chaleur à un autre fluide dit"caloporteur". En général, le fluide chaud s'écoule à travers chaque zone d'échange essentiellement suivant une direction prédéterminée dite"principale", tandis que le fluide caloporteur circule dans un faisceau de tubes. De préférence, ces tubes sont sensiblement rectilignes et s'étendent dans la zone d'échange, à peu près parallèlement ou perpendiculairement à la direction principale d'écoulement du fluide chaud. Toutefois, il n'est pas rare qu'à l'intérieur d'une zone d'échange, les tubes comportent des parties coudées ou cintrées. De mme, on peut prévoir dans un échangeur des déviations locales de l'écoulement du fluide chaud. Or, si le fluide chaud est chargé de particules abrasives, comme par exemple s'il provient d'une chaudière dont le combustible est sous forme solide et comporte donc des cendres, on observe sur la surface externe des tubes, au niveau de leur partie coudée ou bien des déviations locales du fluide chaud, une érosion précoce. Cette érosion réduit considérablement la durée de vie de l'échangeur, et faute d'effectuer des interventions et des réparations coûteuses, peut entrainer la perforation prématurée des tubes. Dans l'art antérieur, on a déjà prévu des systèmes visant à réduire l'érosion prématurée des parties coudées des tubes d'échangeur de chaleur, sous l'effet des particules abrasives en suspension dans le fluide chaud. La plupart des systèmes anti-érosion connus sont constitués par des déflecteurs, notamment disposés en amont des tubes par rapport au sens d'écoulement du fluide chaud, et perpendiculairement à la direction principale de celui-ci. Ainsi, ces systèmes cherchent à éviter le"bombardement"des tubes par les particules abrasives, en interposant un obstacle ou déflecteur, en amont des parties coudées. Mais, de tels obstacles ou déflecteurs provoquent un accroissement de la concentration en particules abrasives ainsi que leur accélération transversale, à proximité des parties protégées, de sorte que l'érosion des tubes y est plus localisée et donc plus rapide encore. Autrement dit, les systèmes anti-érosion connus ont souvent un résultat opposé au but recherché. Il existe également des systèmes anti-érosion constitués par des caillebotis. Ces caillebotis, interposés entre les nappes de tubes afin de freiner l'écoulement du fluide chaud sont lourds et donc difficiles à mettre en place. Aussi, la présente invention a pour but de proposer un échangeur de chaleur muni d'un système anti-érosion, qui pallie notamment les inconvénients énoncés plus haut de l'art antérieur. A cet effet, l'invention a notamment pour objet un échangeur de chaleur du type comprenant au moins une zone d'échange à l'intérieur de laquelle un fluide"chaud"s'écoule essentiellement suivant une direction principale, afin de transférer une partie de son énergie thermique à un fluide caloporteur qui circule dans un faisceau de tubes s'étendant à l'intérieur de la zone d'échange et comportant au moins une partie coudée, ainsi qu'un système anti-érosion protégeant les parties coudées des tubes contre l'usure provoquée par des particules abrasives en suspension dans le fluide chaud, caractérisé en ce que le système anti-érosion est constitué par au moins un volet, disposé à l'intérieur du faisceau au niveau des parties coudées, et orienté suivant la direction principale d'écoulement du fluide chaud. En outre, l'invention se caractérise en ce que le volet ou plat précité s'étend suivant un plan sensiblement perpendiculaire au plan de cintrage des tubes, à proximité du milieu des parties coudées correspondantes. Par ailleurs, l'invention a également pour objet un échangeur de chaleur du type comportant au moins une zone d'échange à l'intérieur de laquelle un fluide chaud s'écoule essentiellement suivant une direction principale, afin de transférer une partie de son énergie thermique à un fluide caloporteur qui circule dans un faisceau de tubes rectilignes s'étendant à l'intérieur de la zone d'échange et au niveau duquel l'écoulement du fluide chaud est localement dévié, des particules abrasives étant en suspension dans le fluide chaud, caractérisé en ce que l'échangeur comporte en outre un système anti-érosion constitué par au moins un volet disposé à l'intérieur du faisceau de tubes au niveau de la déviation d'écoulement du fluide chaud et orienté suivant la direction principale d'écoulement de ce fluide. Dans ce cas, le volet s'étendra de préférence suivant un plan perpendiculaire à un plan ou nappe défini par les tubes au niveau de la déviation précitée. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le volet précité est un plat métallique, solidaire d'au moins un tube du faisceau. Suivant encore une autre caractéristique, l'une des extrémités au moins du volet ou plat, est fixée par soudage sur un tube du faisceau. L'invention se caractérise également en ce que l'une des extrémités au moins du volet ou plat est monté sur un tube, par l'intermédiaire d'une coquille permettant un débattement prédéterminé de ladite extrémité du volet suivant la direction principale d'écoulement du fluide chaud. Mais d'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée de modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemple, qui suit et se réfère aux dessins annexés et dans lesquels : -la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un échangeur de chaleur muni d'un système anti-érosion de l'art antérieur ; -la figure 2 est une vue schématique en coupe partielle, d'un échangeur conforme à un mode de réalisation de l'invention ; et -la figure 3 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation de l'invention. Sur les figures 1 à 3, le chiffre de référence 1 désigne de manière générale un échangeur de chaleur. Dans chaque échangeur 1, la température d'un fluide caloporteur est augmentée par transfert d'une partie de l'énergie thermique d'un autre fluide dit"chaud". Ce type d'échangeur 1 peut notamment constituer un récupérateur ou économiseur d'énergie, par exemple dans une installation de chauffage ou de production d'électricité. Fréquemment, le fluide chaud est un gaz provenant d'une chambre de combustion, chaudière ou analogue, et le fluide caloporteur est un liquide tel que de l'eau ou de la vapeur. Pour chaque échangeur 1, le transfert d'énergie entre le fluide caloporteur et le fluide chaud s'effectue à l'intérieur d'une ou plusieurs zones d'échange thermique. Le fluide chaud traverse chaque zone d'échange essentiellement suivant une direction prédéterminée dite"principale", et indiquée sur les figures par les flèches FC. Dans chaque zone d'échange, le fluide chaud balaye une pluralité de tubes disposés en nappes et/ou en faisceaux, à l'intérieur desquels le fluide caloporteur circule, suivant le sens indiqué sur les figures par les flèches FD. Ces zones d'échange sont notamment délimitées par une enveloppe externe 2 de l'échangeur 1 correspondant. De plus, sur la figure 2, des cloisons internes 21 et 22 séparent les différentes zones de transfert thermique de l'échangeur 1. Sur les figures, les chiffres de référence 30 à 38 désignent les tubes où le fluide caloporteur circule. Chaque tube 30 à 38 comporte au moins une partie cintrée ou coudée, telle que celle respectivement désignée par les références 30P à 38P. Ces parties sont coudées suivant un plan dit de"cintrage", confondu avec le plan de la feuille sur les figures. On remarque sur la figure 1 que l'échangeur 1 est pourvu d'un déflecteur en forme de caillebotis 4 qui constitue un système anti-érosion conventionnel tel qu'expliqué plus haut. Ce caillebotis 4 est fixé sur l'enveloppe externe 2 de l'échangeur 1, avec son déflecteur d'attaque 41 situé en amont des parties coudées à protéger 30P à 33P de tubes 30 à 33 respectivement suivant le sens d'écoulement FC et perpendiculaire à la direction de cet écoulement. Par contre, comme illustré sur la figure 2, un échangeur 1 conforme à l'invention est équipé de systèmes anti-érosion 5, constitués par au moins un volet disposé à l'intérieur du faisceau (ou de la nappe) formé par les tubes où circule le fluide caloporteur, au niveau des parties coudées 30P à 38P à protéger, et orienté suivant la direction principale FC d'écoulement du fluide chaud. On comprend aussi qu'au niveau de l'extrémité libre de la cloison interne 22, 1'écoulement du fluide chaud, subit une déviation locale, tandis que les tubes 30 à 34 sont rectilignes. Par conséquent, à cet endroit, le fluide chaud ne s'écoule pas suivant FC, mais suivant une courbe ou saut, dont l'orientation forme un angle donné inférieur à 90 avec l'axe longitudinal des tubes 30 à 34. Aussi, on a prévu conformément à l'invention de disposer à l'intérieur du faisceau constitué par les tubes 30 à 34, au moins un volet anti-érosion 6, s'étendant au niveau de la déviation de l'écoulement du fluide chaud suivant la direction principale FC d'écoulement de ce fluide. Plus précisément, les volets 6 illustrés sur la figure 2 sont montés sur le faisceau, suivant un plan à peu près perpendiculairement au plan défini par la nappe des tubes 30 à 34, c'est-à-dire au plan dans lequel s'effectue la déviation de l'écoulement. En disposant ainsi les volets 6, au niveau d'une partie rectiligne des tubes et où le fluide chaud est dévié et s'écoule donc localement suivant une direction défavorable du point de vue de l'érosion, il sera possible de limiter mme sur une partie rectiligne des tubes, l'érosion de ceux-ci. Le montage et le fonctionnement des volets anti-érosion 6 pour tubes rectilignes et écoulement dévié est similaire à celui des volets 5, et 51 à 56 qui vont tre décrits maintenant. Similairement, l'échangeur 1 de la figure 3 comporte plusieurs systèmes anti-érosion conformes à l'invention et désignés par les chiffres de référence 51 vas6. Ici, on a représenté six tubes 30 à 35 où le fluide caloporteur circule suivant FD, et qui comportent respectivement des parties cintrées ou coudées 30P à 35P, de manière à présenter, dans un plan parallèle à celui de la feuille, sensiblement à la forme d'un"Z". Les tubes 30 à 35 sont disposés parallèlement à l'intérieur de l'enveloppe 2, et forment une nappe dans un plan parallèle à celui de la feuille. Il va de soi que l'échangeur 1 peut comporter plusieurs nappes de tubes similaires à celle qui est constituée par les tubes 30 à 35, et de préférence dont les tubes s'étendent parallèlement entre eux et d'une nappe à l'autre. Suivant le mode de réalisation illustré, les volets anti-érosion 5,6 et 51 à 56 qui équipent l'échangeur 1 sont constitués par des tronçons de bande en métal ou plat. Chaque tronçon ou plat 51 à 56 comporte deux rebords longitudinaux parallèles ou champs, deux extrémités longitudinales ainsi que deux faces parallèles à FC. Pour chaque volet 51 à 56, l'extrémité située la plus en amont suivant FC sera appelée arte d'attaque, tandis que l'extrémité située la plus en aval suivant FC sera dite arte de fuite. On remarque que les volets ou plats anti-érosion 51 à 56 ont une longueur suivant FC, inférieure à la dimension correspondante du faisceau constitué par les tubes 30 à 35. De fait, l'arte d'attaque de chaque volet antiérosion 51 à 56, ainsi que de préférence l'arte de fuite correspondante, seront situés à l'intérieur de la nappe ou faisceau de tube. Ainsi, l'arte d'attaque ou supérieure du plat 51 est située en aval suivant FC de la génératrice d'attaque correspondante du tube 30, tandis que l'arte de fuite de ce volet 51 est située en amont suivant FC de la génératrice de fuite du tube 35. Avantageusement, les volets anti-érosion 51 à 56 seront disposés de manière à s'étendre entre deux nappes parallèles de tube, et suivant un plan perpendiculaire à celui qui est défini par cette nappe. Ainsi, si l'on considère le volet anti-érosion 54, celui-ci s'étend suivant un plan sensiblement perpendiculaire au plan de cintrage, à proximité du milieu des parties courbées 30P à 35P. Par ailleurs, contrairement aux caillebotis de l'art antérieur, les volets anti-érosion 5,6 et 51 à 56 sont solidaires d'au moins l'un des tubes du faisceau, et ne sont donc pas reliés directement à l'enveloppe 2 de l'échangeur 1 correspondant. Ainsi, les volets anti-érosion 51 à 56 pourront tre simplement soudés directement ou indirectement sur les tubes 30 à 35 correspondants. Toutefois, étant donné les variations dimensionnelles provoquées par les changements de température à l'intérieur de l'échangeur 1, il est extrmement avantageux de permettre une certaine dilatation différentielle des plats soudés 51 à 56, ou encore des volets 5 et 6 de la figure 2. Par exemple, l'une des extrémités de ces plats anti-érosion 51 à 56 pourra tre fixée par soudage à un ou plusieurs des tubes 30 à 35 correspondants, tandis que l'autre sera rendue solidaire d'au moins un des autres tubes par l'intermédiaire d'une coquille, ellemme montée sur l'un de ces tubes avec un débattement prédéterminé, sensiblement suivant la direction principale FC. On notera également ici, comme ceci ressort bien de la figure 3, que plusieurs volets orientés suivant la direction d'écoulement du fluide chaud peuvent tre utilisés pour éviter l'érosion *une série de parties coudées. Ainsi, les parties coudées 30P à 35P sont protégées à la fois par le plat 53 qui s'étend suivant FC du tube 35 au tube 30, ainsi que par un volet 54 qui est disposé de façon à s'étendre depuis la partie coudée 35P jusqu'à une autre partie coudée du tube 35 qui forme à cet endroit un U. Quand à lui, le volet anti-érosion 52 s'étend quasiment de part en part d'une partie en"U"comportant deux zones coudées des tubes 30 à 35. Lorsqu'un tube comporte deux parties coudées reliées par un tronçon rectiligne, on pourra prévoir deux volets alignés tels que 52a et 52b et séparés l'un de l'autre au niveau du tronçon rectiligne. Les volets conformes à l'invention agissent comme suit. Puisque ces volets 5,6 et et 51 à 56 s'étendent suivant FC à l'intérieur du faisceau de tubes correspondant, ceux-ci ne dévient pas le fluide chaud, mais au contraire le "canalisent"suivant cette direction. Autrement dit, les systèmes anti-érosion conformes à l'invention limitent et étranglent le plus que possible les écoulements transverses (c'est-à-dire s'écoulant suivant une direction différente de FC), et agissent donc de façon fondamentalement différente que les déflecteurs de l'art antérieur. Or, des recherches récentes ont démontré que l'érosion par les particules abrasives des tubes d'échangeur de chaleur étaient d'une part fonction de la vitesse d'écoulement du fluide chaud (à une puissance comprise entre 3 et 4) et provoquaient l'usure de ces tubes par un phénomène comparable à de la "friction". D'autre part, cette érosion dépend de la concentration en particules abrasives, ainsi que de la nature de celles-ci. De fait, si la vitesse d'écoulement du fluide chaud dans un échangeur 1 est correctement choisie, le paramètre déterminant essentiellement l'érosion des tubes est la direction suivant laquelle les particules abrasives les"bombardent". Plus précisément, une érosion maximale est obtenue lorsque les particules abrasives heurtent les tubes avec un angle de l'ordre de 45 C par rapport à la direction principale FC du fluide chaud. Aussi, en agissant sur les écoulements de fluide chaud non pas en les freinant dans un plan perpendiculaire à son déplacement principal comme c'était le cas de l'art antérieur, mais en les canalisant suivant un plan parallèle à la direction principale, on évite les déviations transverses à l'intérieur des faisceaux, ce qui a pour effet une réduction efficace de la"friction"expliquée plus haut. En outre, on comprend que les systèmes anti-érosion conformes à l'invention sont non seulement particulièrement simples et légers, et donc faciles à installer au sein d'un faisceau, mais augmentent la rigidité de ce dernier, ce qui est particulièrement avantageux d'un point de vue anti-vibratoire. De plus, étant donné que les volets anti-érosion sont disposés à peu près parallèlement à l'intérieur d'une zone d'échange, ceux-ci canalisent le passage des fumées et des particules abrasives et contribuent à la conservation de la répartition des concentrations en particules abrasives dans le fluide chaud. Alors, il est clair qu'en conservant dans le faisceau, la mme concentration que celle qui existait en amont, les surconcentrations locales générées par les systèmes de l'art antérieur sont évitées et l'érosion sera moins rapide. Contrairement aux dispositifs communs, les systèmes conformes à l'invention n'engendrent pas de pertes de charge additionnelles à l'intérieur de la zone d'échange correspondante. Similairement, l'effet de"canalisation"du fluide chaud réduira les survitesses de ce fluide, et donc limitera l'effet érosif des particules abrasives sur les tubes. Evidement, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation qui viennent d'etre décrits, et peut s'appliquer à de nombreux types d'échangeur de chaleur. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur (1) du type comportant au moins une zone d'échange à l'intérieur de laquelle un fluide chaud s'écoule essentiellement suivant une direction principale (FC), afin de transférer une partie de son énergie thermique à un fluide caloporteur qui circule (FD) dans un faisceau de tubes (30-38) s'étendant à l'intérieur de la zone d'échange et comportant au moins une partie coudée (30P-38P), ainsi qu'un système anti-érosion protégeant les parties coudées (30P-38P) des tubes contre l'usure provoquée par des particules abrasives en suspension dans le fluide chaud, caractérisé en ce que le système anti-érosion est constitué par au moins un volet (5 ; 51-56) disposé à l'intérieur du faisceau de tubes (30-38 ; 30-35) au niveau des parties coudées de ceux-ci, et orienté suivant la direction principale (FC) d'écoulement du fluide chaud. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volet ou plat (5 ; 51-56) précité s'étend suivant un plan sensiblement perpendiculaire au plan de cintrage des tubes à proximité du milieu des parties coudées (30P-38P) correspondantes. 3. Echangeur de chaleur (1) du type comportant au moins une zone d'échange à l'intérieur de laquelle un fluide chaud s'écoule essentiellement suivant une direction principale (FC), afin de transférer une partie de son énergie thermique à un fluide caloporteur qui circule (FD) dans un faisceau de tubes rectilignes (30-38) s'étendant à l'intérieur de la zone d'échange et au niveau duquel l'écoulement du fluide chaud subit une déviation locale, des particules abrasives étant en suspension dans le fluide chaud, caractérisé en ce que l'échangeur comporte un système anti-érosion constitué par au moins un volet (6) disposé à l'intérieur du faisceau de tubes (30-34) au niveau de la déviation d'écoulement du fluide chaud, et orienté suivant la direction principale (FC) d'écoulement de ce fluide. 4. Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le volet (6) s'étend suivant un plan perpendiculaire à un plan ou nappe défini par les tubes (30-34) au niveau de la déviation précitée. 5. Echangeur selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que le volet précité (5 ; 6 ; 51-56) est un tronçon de bande métallique ou plat solidaire d'au moins un tube (30-38) du faisceau. 6. Echangeur selon l'une des revendications 1 ou 5, caractérisé en ce que l'une des extrémités au moins du volet ou plat (5 ; 6 ; 51-56) est fixée par soudage à un tube (30-38) du faisceau. 7. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'une au moins des extrémités du volet ou plat (5 ; 51-56) est montée sur un tube (30-38) par l'intermédiaire d'une coquille permettant un débattement prédéterminé de ladite extrémité suivant la direction principale (FC) d'écoulement du fluide chaud.