Brevet FR2743615A1 — publié le 19970718

I INSERT FLEXIBLE POUR PROTEGER UN TUBE DE CHAUFFE CONTRE LE GEL La présente invention concerne des échangeurs de chaleur à tubes de chauffe en général et plus particulièrement une manière d'empêcher la rupture du tube de chauffe dans le cas o le fluide de travail en son sein gèle. Les échangeurs de chaleur à tubes de chauffe sont bien connus et sont généralement utilisés pour chauffer et refroidir à la fois des gaz et des liquides. Ils fonctionnent en faisant passer un fluide chaud par un ensemble de tubes de chauffe qui contiennent un fluide de travail en leur sein. Ce fluide de travail sert de moyen caloporteur qui absorbe la chaleur du côté chaud de l'échangeur de chaleur et la transporte jusqu'au côté froid o elle est refroidie. Après ce refroidissement le fluide de travail est de nouveau disponible pour l'absorption de chaleur depuis le côté chaud de l'échangeur de chaleur. Le cycle peut alors se répéter. Un des principaux inconvénients des échangeurs de chaleur à tubes de chauffe est la congélation du fluide de travail lorsque l'échangeur ne fonctionne pas. Cette congélation entraîne une dilatation du fluide de travail (généralement de l'eau), ce qui risque d'aboutir à une rupture du tube de chauffe et une panne catastrophique de l'échangeur de chaleur ou au moins d'une partie de celui-ci. Par le passé, trois procédés généraux ont visé à pallier cet inconvénient. Dans le premier, l'épaisseur de paroi du tube de chauffe a été augmentée pour résister aux forces appliquées par l'eau gelant. Cependant, comme on peut l'imaginer, cela accroît considérablement le coût de l'échangeur de chaleur. Dans le deuxième, des additifs chimiques sont ajoutés au fluide de travail pour abaisser la température de congélation du fluide de travail en dessous de la température de fonctionnement la plus basse prévue. Malheureusement, ces additifs chimiques sont souvent dangereux et ils ne peuvent abaisser suffisamment le point de congélation pour certaines applications dans lesquelles la température d'exposition ou température ambiante est considérablement inférieure au point de congélation ajusté. En outre, avec le temps, ces produits chimiques ont tendance à se dégrader, ce qui diminue leur capacité à abaisser le point de congélation comme cela est nécessaire (ladite dégradation étant inconnue du technicien jusqu'à ce qu'un tube de chauffe soit rompu). De plus, l'utilisation de produits chimiques dans le fluide de travail aboutit à la formation d'un revêtement sur la paroi interne du tube de chauffe qui tapisse le tube de chauffe et réduit son efficacité. Les additifs chimiques peuvent également entraîner une corrosion sur les surfaces de paroi du tube de chauffe et peuvent réagir défavorablement avec le fluide de travail ou les gaz en son sein. Le troisième procédé utilise une source de chaleur contrôlée, par exemple un dispositif de chauffage électrique, pour maintenir le fluide de travail dans le tube de chauffe à une température supérieure aux températures de congélation. De tels dispositifs de chauffage externes augmentent considérablement le coût de l'échangeur de chaleur puisqu'ils ajoutent de la complexité et doivent être protégés des éléments tout en étant capables de fournir de la chaleur au tube de chauffe exposé. En outre, ces dispositifs de chauffage n'offrent pas de protection pendant le transport lorsqu'il n'y a plus d'alimentation en courant ou en cas de coupure d'électricité (généralement due à la brusque survenue de températures froides ou glaciales). La présente invention a donc pour objet de proposer une autre manière de protéger un tube de chauffe d'une détérioration en conséquence du gel du fluide de travail dans les échangeurs de chaleur à tubes de chauffe. Un autre objet de la présente invention est de proposer une telle protection contre le gel sans que des connexions électriques ou externes soient nécessaires de manière que la protection contre le gel soit permanente, même durant le transport et la construction de l'échangeur de chaleur, durant les pannes de courant, et lorsque l'échangeur de chaleur est mis hors fonction lors d'une réparation ou d'un entretien. Un autre objet de la présente invention est de proposer une protection contre le gel qui ne gêne pas l'échange de chaleur se produisant dans le tube de chauffe. Un autre objet de la présente invention est de proposer une protection contre le gel qui n'est ni interrompue ni réduite avec le temps. Un autre objet de la présente invention est de proposer une telle protection contre le gel à faible prix et avec des coûts de matériaux et de fabrication que très légèrement accrus. Ces objets et avantages de la présente invention, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement dans la description qui suit. La présente invention a trait à un procédé pour empêcher des tubes de chauffe inclinés, tels que ceux que l'on trouve généralement dans un échangeur de chaleur à tubes de chauffe, de se rompre dans le cas o le fluide de travail qu'ils contiennent gèle. Le procédé consiste à placer généralement centralement un insert au sein du côté chaud du tube de chauffe o le fluide de travail se concentre généralement. Ledit insert est immergé au sein dudit fluide de travail et s'étend jusqu'au niveau au repos du fluide de travail dans le tube de chauffe ou légèrement au-dessus de ce niveau. Un mélange gaz/liquide est contenu au sein de l'insert avec ledit mélange étant à une pression supérieure à la pression du fluide de travail non gelé (c'est-à-dire la pression régnant généralement dans le tube de chauffe). L'insert est généralement fait d'un matériau à parois minces ou d'un coussin à feuilles de métal qui peut fléchir et se déformer sans détérioration. Par conséquent, lorsque le fluide de travail se dilate quand il gèle, I'insert contenu en son sein est comprimé par les forces plus élevées exercées par le fluide de travail gelé. Une telle compression de l'insert empêche donc une surpressurisation ou détérioration du tube de chauffe en raison de la dilatation du fluide de travail. La compression de l'insert est réalisée en outre par la pressurisation du mélange gaz/liquide en son sein. Lors du dégel du fluide de travail, I'insert pressurisé retrouve élastiquement sa forme normale parce que la pression dans l'insert est à présent plus élevée que celle du fluide de travail non gelé. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante de ses modes de réalisation préférés, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est une vue d'un tube de chauffe type d'un échangeur de chaleur à tubes de chauffe avec l'invention illustrée en son sein. La figure 2 est une vue en coupe prise le long des lignes 2-2 de la figure 1 et illustrant l'emplacement et le fonctionnement de l'invention au sein du tube de chauffe. Les figures 3a à 3c sont des vues en coupe similaires à celle de la figure 2 mais illustrant différents modes de réalisation ou configurations de l'invention. En se référant tout d'abord à la figure 1, est illustré par une vue un tube de chauffe 10 que l'on trouve généralement dans un échangeur de chaleur 12 à tubes de chauffe. Un tel échangeur de chaleur 12 comprend généralement une plaque séparatrice 14 qui sépare le côté chaud ou d'absorption de chaleur 16 du côté froid ou de rejet de chaleur 18. Comme indiqué, le tube de chauffe 10 s'étend en travers desdits côtés 16 et 18 dans un plan incliné, montant du côté chaud 16 vers le côté froid 18. Le but de cette inclinaison du tube de chauffe est que le fluide de travail 20 (généralement de l'eau, mais également du méthanol, de l'ammoniac ou analogue) gravite ou se concentre naturellement vers le côté chaud 16 de l'échangeur de chaleur 12. Par conséquent, si l'échangeur de chaleur 12 ne fonctionne pas (par exemple parce qu'il est réparé, entretenu ou fabriqué), le fluide de travail 20 concentré dans le côté chaud 16 peut geler si ledit fluide 20 est exposé à des températures de congélation. Pour éviter une détérioration du tube de chauffe en conséquence de ce gel, un insert flexible 22 est idéalement placé en une position centrale à l'intérieur du tube de chauffe 10 et s'étend le long de la longueur mouillée par le fluide de travail 20 qui se concentre au sein du tube de chauffe incliné 10, comme représenté. L'insert 22 s'étend, de préférence, jusqu'au niveau au repos 24 du fluide de travail 20 ou légèrement au-dessus de ce niveau, comme représenté. La figure 2 illustre une telle position centrale de l'insert 22 à l'intérieur du tube de chauffe 10. Cette figure indique également que l'insert 22 est un tube à parois minces, par exemple un coussin à feuilles de métal, en forme de sablier. L'insert 22 est en outre parfaitement hermétique sur toutes ses faces et ses extrémités. D'autres configurations possibles d'insert 22 sont illustrées sur la figure 3. Bien évidemment, I'insert 22 peut avoir n'importe quelle forme souhaitée et n'est pas nécessairement limité aux formes décrites ici. La caractéristique importante de I'insert 22 est qu'il doit être fait d'un matériau hermétique, mince, imperméable, facilement déformé, par exemple d'une feuille de métal ou analogue. Quelle que soit sa configuration, I'insert 22 est rempli d'une petite quantité de liquide 26 qui est généralement le même que le fluide de travail 20. Un gaz inerte sous pression 28 remplit le volume plus élevé restant de l'insert 22 de manière à pressuriser davantage l'insert 22 que le reste du tube de chauffe 10 (c'est-à-dire qu'un différentiel de pression positif existe dans l'insert 22). Autrement dit, la pressurisation interne de l'insert 22 est plus élevée que les forces externes agissant sur l'insert lorsque le fluide de travail 20 n'est pas gelé. Cependant, lorsque le fluide de travail 20 gèle, ledit fluide 20 se dilate, ce qui crée des pressions de congélation plus élevées que la pression interne de I'insert 22. Par conséquent, plutôt que d'entraîner une rupture du tube de chauffe 10, ces pressions de congélation/dilatation du fluide de travail 20 sont facilement absorbées par la compression de l'insert 22. Un objectif d'une telle pressurisation positive à l'intérieur de l'insert 22 lorsque le fluide de travail 20 n'est pas gelé est que l'insert 22 "retrouve élastiquement" sa forme originale une fois que les pressions de congélation agissant sur l'insert n'existent plus ou sont réduites. Si l'insert 22 n'était pas en surpression, I'insert 22 resterait probablement déformé après le premier cycle de congélation et ne pourrait donc pas offrir la protection (ou "élasticité") nécessaire exigée lors des cycles de congélation suivants. La section transversale de l'insert 22 a une forme de manière à permettre la flexion de l'insert 22 sous les pressions de congélation externes exercées sur lui durant la congélation et la dilatation du fluide de travail 20. Cette forme est telle qu'elle permet une déformation plastique et/ou élastique ou une flexion sans dommage ou rupture. Par conséquent, I'insert 22 fléchit et se comprime durant la congélation (c'est-à-dire la dilatation) du fluide de travail 20 de sorte que le tube de chauffe externe 10 ne soit pas soumis à ces forces et risque donc un dommage. Autrement dit, I'insert 22 absorbe une quantité suffisante des pressions de congélation produites de sorte que toute pression restante soit insuffisante pour endommager le tube de chauffe externe 10. La configuration en sablier de l'insert 22 est conçue pour une contraction à sa section "rétrécie" afin d'absorber toute pression de glace externe à laquelle il pourrait être soumis. Cette forme de sablier peut en outre résulter d'une déformation plastique après le premier cycle de congélation d'un insert ovale 22 tel qu'illustré sur la figure 3a. Comme mentionné précédemment, I'insert 22 ne s'étend à l'intérieur du tube de chauffe 10 qu'au sein du côté chaud 16 de manière à être immergé dans le fluide de travail 20. Il est inutile que l'insert 22 s'étende sur toute la longueur du tube de chauffe 10 puisqu'une protection contre le gel n'est nécessaire qu'à l'emplacement o le fluide de travail 20 se concentre. Durant toute congélation du fluide de travail 20, la dilatation du fluide de travail 20 entraîne une compression de l'insert 22. Cela évite toute accumulation de pressions de congélation contre les parois du tube de chauffe 10, ce qui supprime tout risque de rupture dudit tube de chauffe 10 en raison du gel du fluide de travail 20. Au contraire, lesdites pressions de congélation sont absorbées par l'insert 22. Cependant, une fois que le fluide de travail 20 dégèle, la surpressurisation de l'insert 22 redonne à l'insert 22 sa forme originale, et il est prêt pour les pressions de congélation ultérieures. Tandis que les figures 3a à 3c illustrent des configurations supplémentaires de l'insert 22 (ovale sur la figure 3a, en forme de croix sur la figure 3b, et en forme de goutte sur la figure 3c), d'autres configurations sont également possibles. Les caractéristiques importantes d'un insert 22 de n'importe quelle forme sont les suivantes: (a) une construction en un matériau à parois minces, flexible, imperméable, hermétique, par exemple un coussin à feuilles de métal ou analogue, (b) une surpressurisation par rapport à la pression du fluide de travail (c'est-à-dire à l'intérieur du tube de chauffe 10) dans un état non gelé, (c) la capacité de l'insert 22 à fléchir et à se déformer élastiquement lorsque le fluide de travail 20 gèle, et à retrouver cependant sa forme originale une fois la menace de congélation écartée, (d) le confinement d'une petite quantité de liquide 26 (généralement le même que le fluide de travail 20) à l'intérieur de l'insert 22 avec le reste de l'insert 22 étant rempli d'un gaz inerte sous pression, et (e) une extension de l'insert 22 dans le fluide de travail 20 qu'au sein du côté chaud 16 du tube de chauffe 10. Un tel insert 22 est maintenu dans sa position généralement centrale à I'intérieur du tube de chauffe 10 au moyen d'attaches ou supports (non représentés) qui supportent l'insert 22 sur toute sa longueur. De préférence, de tels supports ou attaches ne sont pas continus mais intermittents ou espacés sur la longueur de l'insert 22 afin de ne pas gêner le flux ou mouvement du fluide de travail 20 à l'intérieur du tube de chauffe 10. La construction même de l'insert 22 peut consister en acier au carbone ou acier inoxydable mince, cependant d'autres matériaux sont également envisageables, pourvu qu'ils soient suffisamment flexibles et résistants pour supporter des applications répétées de pressions de congélation (c'est-à-dire des déformations répétées) et qu'ils ne réagissent pas avec le fluide de travail 20 ou le tube de chauffe 10. Tandis que l'insert 22 est décrit ci-dessus relativement à un échangeur de chaleur 12 à tubes de chauffe, il est entendu que l'insert peut également être appliqué à n'importe quel conduit ou tube renfermant un liquide qui est soumis à un gel et/ou une rupture s'il est exposé à des températures de congélation. REVENDICATIONS 1. Insert pour protéger du gel un tube allongé (10) contenant un fluide de travail (20) en son sein, consistant en un insert (22) allongé, hermétique, à parois minces, flexible, s'étendant au sein du fluide de travail (20) du tube (10) et renfermant un mélange liquide/gaz (26, 28) en son sein, ledit insert (22) ayant une pression interne supérieure à celle du fluide de travail (20) dans son état non gelé, ledit insert (22) étant comprimé lors de la congélation du fluide de travail (20), ce qui permet la dilatation du fluide de travail (20) à l'intérieur du tube (10) sans surpressurisation du tube (10), ledit insert (22) augmentant de volume lorsque les forces de congélation produites par le fluide de travail (20) diminuent. 2. Insert selon la revendication 1, dans lequel le liquide (26) dudit mélange liquide/gaz (26, 28) au sein dudit insert (22) est le même que le fluide de travail (20) et dans lequel le gaz (28) dudit mélange liquide/gaz (26, 28) au sein dudit insert (22) est inerte. 3. Insert selon la revendication 2, dans lequel ledit insert (22) est généralement positionné centralement à l'intérieur du tube (10) et se termine au niveau (24) du fluide de travail (20) dans le tube (10) ou légèrement au-dessus de ce niveau. 4. Insert selon la revendication 3, dans lequel l'axe longitudinal dudit insert (22) est généralement parallèle à l'axe longitudinal du tube (10). 5. Insert selon la revendication 4, dans lequel ledit axe longitudinal dudit insert (22) est dans le même axe que l'axe longitudinal du tube (10). 6. Insert selon la revendication 4, dans lequel ledit insert (22) est fait d'une feuille de métal. 7. Insert selon la revendication 4, dans lequel ledit fluide de travail (20) est de l'eau ou est à base d'eau. 8. Tube de chauffe protégé contre le gel comprenant: (a) un tube de chauffe (10) fermé, allongé, contenant un fluide de travail (20) en son sein, ledit tube de chauffe (10) étant à une première pression; et, (b) un insert (22) allongé, fermé, à parois minces, flexible, s'étendant au sein dudit fluide de travail (20) dudit tube de chauffe (10) et renfermant un liquide (26) et un gaz (28) en son sein, ledit insert (22) étant à une pression supérieure à ladite première pression, ledit insert (22) étant comprimé lors de la congélation du fluide de travail (20), ce qui permet la dilatation du fluide de travail (20) à l'intérieur du tube (10) sans surpressurisation du tube (10), et dans lequel ledit insert (22) retrouve généralement sa forme originale lors du dégel du fluide de travail (20). 9. Insert selon la revendication 8, dans lequel ledit liquide (26) au sein dudit insert (22) est le même que le fluide de travail (20) et dans lequel ledit gaz (28) au sein dudit insert (22) est inerte. 10. Insert selon la revendication 9, dans lequel ledit insert (22) est généralement positionné centralement à l'intérieur dudit tube de chauffe (10) et se termine au niveau (24) dudit fluide de travail (20) dans ledit tube de chauffe (10) ou légèrement au-dessus de ce niveau. 11. Insert selon la revendication 10, dans lequel l'axe longitudinal dudit insert (22) est généralement parallèle à l'axe longitudinal du tube (10). 12. Insert selon la revendication 11, dans lequel ledit axe longitudinal dudit insert (22) est dans le même axe que l'axe longitudinal du tube (10). 13. Insert selon la revendication 11, dans lequel ledit insert (22) est fait d'une feuille de métal. 14. Insert selon la revendication 11, dans lequel ledit fluide de travail (20) est de l'eau ou est à base d'eau. 15. Echangeur de chaleur (12) à tubes de chauffe protégé contre le gel comprenant: (a) une pluralité de tubes de chauffe (10) allongés, inclinés, s'étendant d'un côté chaud inférieur (16) de l'échangeur de chaleur (12) à un côté froid supérieur (18), ledit tube de chauffe (10) contenant un fluide de travail (20) dans ledit côté chaud (16) à une première pression; et, (b) un insert (22) allongé, fermé, à parois minces, flexible, immergé dans ledit fluide de travail (20) dans ledit côté chaud (16) dudit tube de chauffe (10), ledit insert (22) renfermant un liquide (26) et un gaz (28) en son sein à une pression supérieure à ladite première pression, ledit insert (22) étant comprimé lors de la congélation du fluide de travail (20), ce qui permet la dilatation du fluide de travail (20) à l'intérieur du tube (10) sans surpressurisation du tube (10), et dans lequel ledit insert (22) retrouve généralement sa forme originale lors du dégel du fluide de travail (20). 16. Insert selon la revendication 15, dans lequel ledit liquide (26) au sein dudit insert (22) est le même que le fluide de travail (20) et dans lequel ledit gaz (28) au sein dudit insert (22) est inerte. 17. Insert selon la revendication 16, dans lequel ledit insert (22) est généralement positionné centralement à l'intérieur dudit tube de chauffe (10) et se termine au niveau (24) dudit fluide de travail (20) dans ledit tube de chauffe incliné (10) ou légèrement au-dessus de ce niveau. 18. Insert selon la revendication 17, dans lequel l'axe longitudinal dudit insert (22) est généralement parallèle à l'axe longitudinal du tube (10). 19. Insert selon la revendication 18, dans lequel ledit axe longitudinal dudit insert (22) est dans le même axe que l'axe longitudinal du tube (10). 20. Insert selon la revendication 18, dans lequel ledit insert (22) est fait d'une feuille de métal. 21. Insert selon la revendication 18, dans lequel ledit fluide de travail (20) est de l'eau ou est à base d'eau.