Brevet FR2726354A1 — publié le 19960503

La présente invention concerne un dispositif tubulaire d'échange de chaleur ou de l'énergie est transférée entre deux milieux : le milieu chaud fournisseur de chaleur dit le côté primaire, et le milieu froid récepteur de chaleur dit le côté secondaire.Les milieux seront soit deux fluides pour le cas des échangeurs de chaleur,soit un fluide pour le côté secondaire et des résistances électriques (par effet joule) - du type élément blindé-pour le côté primaire dans le cas des chaudières électriques ;dans ce cas,suivant la classification des chaudières-tubes d'eau / tubes de gaz- on obtiendra une chaudière électrique à tubes d'eau Généralement les échangeurs rencontrés sont soit du type surfacique,soit du type par pont thermique;;les premiers se caractérisant par le fait que le côté primaire et le côté secondaire ont une paroi commune au travers de laquelle s'effectue l'échange,les seconds par le fait que les parois sont en contact de façon pontuelle et sont solidaires entre elles , généralement par soudure.Pour les chaudières électriques à résistances ,les modèles les plus courants sont constitués d'un élément chauffant-dit thermoplongeurqui est immergé dans le milieu à chauffer contenu dans une calandre. Les inconvénients majeurs de ces équipements d'échange sont les suivants: -les parois d'échange étant soit communes ,soit solidaires entre elles il est impossible d'agir sur un côté de l'échangeur indépendamment de l'autre :par exemple la dépose d'un élement d'un côté ou de l'autre pour nettoyage ou remplacement impliquera l'arrêt de l'échangeur des deux côtés et vidange. -il y a mélange entre les deux côtés en cas de rupture de la paroi commune pour les échangeurs surfacique et les chaudiéres électriques; ceci pouvant entrainer de très graves conséquences (pollution voire explosion ou risques graves dus par exemple à une brusque montèe de température ou de pression). -la limitation de la surface d'échange dans le cas des échangeurs par pont thermique entraine des surcoûts très importants et donc limite ses applications. La présente invention résoud avantageusement tous ces inconvénients et propose un système d'échange- dit indirect-ou le transfert d'énergie s'effectue sans qu'il y ait contact direct entre les deux parois du primaire et du secondaire et sans que celles çi ne soient solidaires entre elles;chaque milieu est contenu dans sa propre enceinte afin d'avoir un échangeur dont les côtés soient strictement séparés;;les parois des enceintes sont -le plus généralement-de section circulaire pour résister aux effets de pression.L'échange de chaleur s'effectue pour l'essentiel par conduction thermique au travers d'une pièce intermédiaire - bonne conductrice de la chaleur formant moule sur tout ou partie des parois, et qui est pincée entre les deux parois distinctes au moyen d'un dispositif mécanique de serrage-du type à ressort-ou au moyen de la dilatation différentielle sous l'effet de la chaleur ou par la combinaison des deux moyens à la fois (voir plus après dans le texte l'explicitation du serrage par dilatation différentielle ). La pression exercée par le serrage permet ainsi de plaquer les parois contre la pièce intermédiaire et de réduire très fortement la résistance thermique de contact et d'obtenir ainsi un très bon échange de chaleur;avantageusement un produit dit thermopate peut être disposé sur les parois afin d'obstruer les rugosités et de favoriser encore l'échange. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront plus apparents dans la description détaillée qui suit et qui se réfère aux schémas annexés (donnés seulement à titre d'exemple) et dans lesquels: -les figures 1,2,3 et 4 représentent en coupe les échangeurs et chaudières conformes à l'état antérieur;la figure 1 represente un échangeur surfacique monotubulaire coaxial,la figure 2 un échangeur surfacique multitubulaire (à tubes et calandre),la figure 3 un échangeur par pont thermique et la figure 4 une chaudière électrique à thermoplongeur cintré en forme de "U". -la figure 5 représente en coupe un cas d'échangeur tubulaire conforme à une réalisation particulière de l'invention;c'est à partir de cette figure que sera explicitèe l'invention et plus particulièrement la réalisation de l'auto-serrage par dilatation différentielle. -la figure 6 représente en coupe une disposition particulière de l'invention dans le cas de tubes à surface étendue (ou tubes ailettés). -la figure 7 représente en coupe une variante de l'invention destinée à accroitre l'auto-serrage par dilatation différentielle en positionnant de facon particulière une enveloppe isolante (8). Nota:les notations P pour coté primaire , S pour coté secondaire , C pour calandre et R pour résistance électrique sont utilisées sur les schémas ;la position relative du primaire et du secondaire étant arbitraire;les figures 5,6 et 7 représentent un jeu de deux tubes seulement mais l'invention s'applique à tous échangeurs constitués de plusieurs jeux de tubes (1) et (2) , pincés par des pièces intermédiaires (3) et le tout tenu par des tirants (4) et des pièces d'appui (6) et (7). Suivant la figure 5 le dispositif comporte deux tubes notés (1) et (2) qui sont les côtés primaire et secondaire de l'échangeur et une pièce intermédiaire (3) épousant la forme des parois;celle çi est pincée par l'ensemble tirants (4),ressorts (5) et deux pièces d'appui (6) et (7).L'ensemble de ces pièces peut être disposé à l'intérieur d'une enveloppe isolante (8) destinée principalement à limiter les échanges calorifiques avec l'ambiance;alternativement la pièce (7) peut être solidaire des tirants (4) et former ainsi un étrier ayant la même fonction; Il existe un jeu (j) destiné à la libre dilatation des pièces et qui sert aussi à faciliter l'évacuation d'une éventuelle fuite en cas de rupture d'une paroi. Le serrage par dilatation différentielle est le suivant(voir fig 5 pour repères): si à température égale-ce qui est une hypothèse au pire dans le cas de la position de l'enveloppe isolante (8) suivant la figure 5-le coéfficient de dilatation moyen de l'ensemble des pièces (1),(2),(3),(6) et (7) est supérieur à celui des tirants (4) il y aura serrage par dilatation différentielle lors de la mise en service;ceci sera vrai dans la plupart des cas industriels ou les tirants(4) seront en acier carbone tandis que les pièces (3),(6) et (7) seront de préférence en aluminium ou en cuivre et les tubes (1) et (2) en cuivre, aluminium ou acier inox ,tous ces matériaux se dilatant généralement plus que l'acier carbone; le dispositif tend donc naturellement vers une augmentation du serrage lors de la mise en service par montèe en température entrainant la croissance du serrage et ainsi tendant à réduire la résistance thermique de contact entre pièce intermédiaire et parois ,ce qui est bien sûr le but recherché et la condition essentielle d'un fonctionnement correct de l'échangeur;il y a donc autoserrage en service jusqu'a atteinte d'un équilibre thermique;;cet particularité n'est bien sur réservé qu'aux seuls dispositifs fonctionnant à température moyenne supérieure à la température ambiante (échangeurs de chauffage) ce qui exclut les échangeurs pour l'industrie du froid pour lesquels le serrage par système à ressort devra compenser l'effet négatif de dilatation différentiel -le.L'auto serrage en service sera particulièrement intéressant pour les dispositifs à flux de chaleur constant -telles les chaudières électriques à résistances -dans lesquels un défaut d'échange tendant à augmenter l'écart de température,accroîtra le serrage qui tendra à diminuer la résistance thermique de contact tendant ainsi à réduire ce même écart de température,et par conséquent assurant ainsi une auto-limitation du défaut. Par une variante de l'invention -suivant figure 7-en positionnant les tirants (4) à l'extérieur de l'enveloppe (8) on obtient une dilatation différentielle supplémentaire du fait de l'écart négatif de température obtenu entre les tirants (4) et l'intérieur du dispositif. Cette invention s'applique donc de facon générale à tous les échangeurs de chaleur (tels le réchauffage d'eau sani -taire,le chauffage central,le chauffage de tout fluide industriel ou la récupération de chaleur dans tous domaines).On peut en noter les principaux avantages suivants: -les parois étant strictement séparées il n'y a plus de risque de mélange entre primaire et secondaire en cas d'avarie d'une paroi;ceci revêt une importance capitale dans le cas par exemple ou l'un des fluides est un produit alimentaire ou dans le cas ou le mélange présenterait des dangers graves tels une explosion ou contamination. -il y a possibilité d'intervention (pour inspection ou maintenance par exemple) sur un côté sans répercussion sur l'autre;par exemple on peut remplacer un tube d'un côté sans avoir à vidanger l'autre côté ;ceci est un avantage décisif pour la maintenance en évitant les risques dus à la manipulation de fluides polluants et/ou dangereux. -chaque côté de l'échangeur est conçu pour répondre aux seules exigences de ce même côté indépendamment de l'autre (choix métallurgie,conditions de pression et température,etc....). -les pièces intermédiaires forment un bloc compact avec les parois et annulent ainsi tout risque de vibration mécanique des parois dû aux écoulements des fluides,même à grande vitesse. -les parois étant distinctes et non solidaires entre elles il y a possibilité de remplacer les tubes du primaire-en totalité ou partiellement- par des résistances électriques ou inversement; ceci permet donc une évolution de l'appareil et facilite la réalisation d'appareils mixtes. -il y a possibilité de réaliser un échangeur-monotubulaireà partir d'une tuyauterie existante ,celle çi restant en service. Bien entendu ,l'invention n'est en aucun cas limitèe aux réalisations particulières donnèes à titre d'exemple dans le présent document;bien au contraire l'invention comprend toutes réalisations ou combinaisons de réalisations techniquement équivalentes dans leur esprit à celles décrites. REVENDICATIONS ************** l.Dispositif d'échange de chaleur caractérisé par des parois distinctes et non solidaires comprenant des tubes primaire (l),des tubes secondaire (2) et pièces intermédiaires (3) pinçèes par système de pression mécanique comprenant des tirants (4),système du type à ressort (5) et pièces d'appui (6) et (7) 2.Dispositif selon revendication 1 caractérisé par la présence des tirants (4) à l'extérieur d'une enveloppe isolante (8) 3.dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé par des tirants (4) ayant un plus faible coéfficient de dilatation que l'ensemble des pièces (l),(2),(3),(6) et (7) destiné à augmenter le pincement des pièces (3) entre les tubes (1) et (2) par effet de dilatation différentielle en service sous l'effet de l'augmentation de température. 4.dispositif selon l'une des revendications précédentes ou le primaire (1) est constitué de résistances électriques par effet Joule du type élément blindé ou similaire. 5.dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel un produit pateux dit thermopate est disposé sur l'extérieur des parois afin de favoriser le contact thermique entre les tubes (1) et (2) et les pièces intermédiaires (3). 6.dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la pièce (6) est solidaire des tirants (4) et forment ainsi un étrier. 7.dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel les tubes primaire (1) et/ou les tubes secondaire (2) sont du type tubes à surface étendue (ailettés longitudinalement).