Brevet FR2747052A1 — publié le 19971010

ÉLÉMENT DE GARNISSAGE AMÉLIORÉ Arrière-plan de l'invention L'invention concerne des éléments de garnissage utilisés dans des applications de transfert de masse et de transfert direct de chaleur, et spécifiquement des éléments de garnissage présentant une forme globalement cylindrique, tels que des anneaux de Lessing. De tels éléments sont utilisés dans des réacteurs dans lesquels des liquides et des gaz sont mis en contact de façon à provoquer une réaction, un transfert de chaleur, des opérations de solution ou dissolution, en mettant en contact intime deux fluides en écoulement. En conséquence, ils ont des formes conçues pour augmenter de façon maximum la zone de surface tout en conservant une stabilité dimensionnelle telle qu'ils ne plient pas ou qu'ils ne soient pas écrasés pendant leur utilisation. L'un des moyens d'obtenir un tel résultat est de former des anneaux à partir de cartouches ("blanks") métalliques cylindriques, et pourvues d'une structure interne par un grand nombre de techniques appropriées. II est cependant souhaitable de disposer d'une structure qui soit facilement produite selon un modèle standard et en grande quantité. Afin de satisfaire à ces conditions, les éléments sont souvent découpés (estampage) à partir d'une feuille métallique plate qui sera pliée en une forme cylindrique. Un type d'anneau de ce type est l'anneau dit anneau de Lessing, dans lequel une bande de métal est pliée en une forme cylindrique et une extrémité de la bande est pliée vers l'intérieur le long d'une corde ("chord") de la section transversale du cylindre. Afin que l'anneau conserve sa forme après qu'il ait été formé, il doit être fabriqué en un matériau ayant des propriétés de malléabilité élevée, d'allongement ("elongation") élevé à la rupture (qui est supérieur à environ 30 %) et une résistance au cisaillement ("yield stress") relativement faible et/ou un module d'élasticité élevé. Des exemples de tels matériaux comprennent l'acier au carbone doux, I'acier inoxydable 304 et des équivalents. Les caractéristiques d'allongement, la résistance au cisaillement et le module d'élasticité sont tous mesurés par une technique décrite dans ASTM E8 . Dans le contexte de cette invention, une résistance au cisaillement élevée est comprise comme correspondant à une valeur de 290 mPa ou plus, alors qu'une résistance faible correspond à 260 mPa ou moins. De même, un module ou coefficient d'élasticité élevé correspond à une valeur de 170 GPa ou plus, et une faible valeur est inférieure à 170 GPa. Si on essaie de réaliser un anneau à partir d'un matériau présentant une faible malléabilité i faibles caractéristiques d'allongement (c'est-à-dire, inférieures à environ 20 %) et forte résistance, L'anneau va se redresser après formation en laissant un large intervalle dans l'anneau. Des exemples de tels matériaux sont le zirconium et le titane. Dans le but de maintenir une structure en anneau fermé, il est possible d'utiliser des bandes de métal de calibre supérieur. Cependant, ceci peut devenir très coûteux et augmenter les inconvénients liés à un poids élevé du produit. Alternativement, il est nécessaire de mettre au point un modèle avec une fermeture mécanique. Un tel modèle est décrit dans le brevet américain 5,304,328. Une solution mécanique a été d'utiliser une paire d'éléments de raccordement ou entretoise pour maintenir ensemble deux pièces semicylindriques coopérantes, telle que décrite dans le brevet américain 4,197,264. Ceci présente un inconvénient significatif, en ce que le procédé de production nécessite la combinaison de quatre composants séparés pour obtenir le produit final. Telle qu'indiquée ci-dessus, une autre solution proposée dans le brevet américain 5,304,328 décrit une bande de métal ayant des zones d'extrémités première et seconde adjacentes aux extrémités correspondantes, adaptée de façon à être pliée en une forme globalement cylindrique pour produire un élément de garnissage dans laquelle la zone d'extrémité première est pourvue d'une pliure telle que, lorsque l'élément est formé, I'extrémité de la bande se trouve à l'intérieur du cylindre, et la zone d'extrémité première est pourvue de plus, à proximité de la pliure, d'une ou plusieurs fente(s) ; et dans laquelle la zone d'extrémité seconde est pourvue de une ou plusieurs patte(s) saillante(s) à partir de l'extrémité de la bande et adaptée(s) de façon à coopérer par engagement avec les fentes de la zone d'extrémité première de façon à fixer les extrémités ensemble lorsque la bande est formée en un élément de garnissage cylindrique. Bien qu'il soit efficace dans de nombreuses applications, le modèle ci-dessus est relativement difficile à produire de façon uniforme. La présente invention propose un élément de garnissage adapté à une utilisation dans des conditions impliquant des conditions extrêmes de chaleur et de pression sans qu'il subisse de distorsion ou dislocation tout en continuant à remplir efficacement ses fonctions de transfert de masse, et qui est comparativement facile à produire. Description de l'invention La présente invention propose un élément de garnissage ayant la forme d'un anneau métallique comprenant a) une bande de métal ayant des extrémités première et seconde opposées, pliée de façon à rapprocher les extrémités première et seconde, chacune desdites extrémités étant pourvue de prolongements et d'évidements coopérant de façon à ce que, lorsque la bande est pliée pour rapprocher les extrémités première et seconde, les prolongements de chaque extrémité s'adaptent chacun dans les évidements coopérants de l'autre extrémité, la bande étant de plus pourvue d'au moins une fente centrale à un point situé approximativement à mi-chemin de chacune des extrémités, et de fentes d'extrémités dans au moins certains desdits prolongements ; et b) une entretoise d'ancrage ayant des extrémités première et seconde, pourvue de pattes au niveau de ladite extrémité première conçues de façon à s'adapter dans les fentes centrales et des pattes à ladite extrémité seconde conçues de façon à s'adapter dans les fentes d'extrémités, les pattes étant déformées après insertion dans les fentes de façon à maintenir les extrémités de la bande ensemble et à résister à la déformation. La bande présente de préférence le même nombre de fentes que l'entretoise d'ancrage a de pattes, et les pattes et les fentes ont de préférence des dimensions telles que les pattes sont suffisamment longues pour donner un ancrage solide tout en s'adaptant facilement dans les fentes. La bande présente de préférence le même nombre de prolongements et d'évidements à chaque extrémité, avec les prolongements et évidements ayant les mêmes dimensions spatiales. Le modèle le plus simple comprend un prolongement et un évidement à chaque extrémité proportionnés de façon à ce que le prolongement et l'évidement de l'extrémité première ont exactement les dimensions respectivement de l'évidement et de la projection de l'extrémité seconde de façon à ce que, lorsqu'ils sont rapprochés, un anneau sensiblement continu est obtenu. Des paires coopérantes d'évidements et de prolongements supplémentaires peuvent être ajoutées si on le souhaite mais ce n'est généralement pas nécessaire. Dans ce modèle préféré, les prolongements opposés ont chacun au moins une fente adaptée pour accueillir les pattes présentes sur l'entretoise d'ancrage coopérante qui sera utilisée pour maintenir les extrémités ensemble lorsque les pattes sont repliées après insertion au travers des fentes. La bande est également pourvue d'au moins une fente centrale et l'entretoise d'ancrage a un nombre correspondant de pattes coopérantes adaptées de façon à saillir au travers de la(les) fente(s) centrale(s) et repliées pour fixer en place cette extrémité de l'entretoise d'ancrage. La position centrale de la fente peut être déplacée d'une faible distance par rapport au point central exact sans qu'on s'écarte de l'invention. II est cependant nécessaire qu'elle soit efficace en prévenant de façon substantielle l'aplatissement de l'anneau dans des conditions opératoires normales. L'entretoise d'ancrage peut présenter toute configuration appropriée adaptée au maintien de la forme de l'anneau, notamment une forme en H avec les membres verticaux portant les pattes et le membre transversal présentant une longueur approprié au diamètre de l'anneau. De préférence, l'entretoise d'ancrage est une feuille dont la longueur est approximativement égale au diamètre de l'anneau et qui présente des pattes situées aux extrémités de la bande et dont la largeur est approximativement égale à la longueur axiale de l'anneau. Le métal à partir duquel l'anneau, y compris l'entretoise d'ancrage, est formé, est de préférence très résistant à la corrosion. II est de préférence également formé d'un métal ayant une faible malléabilité et un faible allongement à la rupture de façon à être très difficile à déformer à partir de la forme en anneau une fois que celle-ci a été formée et fixée en place. Des métaux appropriés incluent le titane et le zirconium. Les dimensions de l'anneau peuvent être sélectionnées avec un grand degré de flexibilité selon l'application. En général, cependant, des anneaux ayant un diamètre de 0,6 à 10 cm, et particulièrement de 0,9 à 3,8 cm, sont les plus utiles. Les longueurs axiales des anneaux sont de façon habituelle comparables au diamètre, et des longueurs préférentielles de 0,6 à environ 10, et encore préférentiellement de 0,9 à 3,8 cm, sont utilisées. Le calibre de la bande de métal et de l'entretoise d'ancrage peut être choisi pour correspondre à l'application. D'habitude cependant, le calibre est d'environ 0,1 mm à environ 3,0 mm, et de façon encore préférentielle de 0,25 à 1,3 mm. L'anneau selon l'invention est de préférence fabriqué en coupant une bande de métal selon la forme appropriée, et en l'enroulant en un cylindre ou anneau initial ayant un rayon de courbure très inférieur à celui de l'anneau voulu, puis en le laissant se redresser jusqu'au point où seul un faible recouvrement persiste. L'anneau est ensuite mécaniquement élargi pour former la forme en anneau finale, qui est ensuite fixée en place en utilisant une entretoise d'ancrage ayant des pattes situées dans une fente au point central de la bande de métal, et dans des fentes situées dans les prolongements à chaque extrémité de la bande de métal. Les pattes peuvent être maintenues en position en pliant ou tordant les pattes de façon à éviter une libération facile des fentes. Le faible allongement du métal évite une déformation supplémentaire de l'anneau. Figures Les figures annexées sont décrites ci-dessous - La figure 1A est une vue en plan d'une bande de métal adaptée pour la production d'un anneau de Lessing (avant qu'il ne soit plié en une forme cylindrique, et montrant les prolongements, évidements et fentes), - La figure 1B est une vue en plan d'une entretoise d'ancrage avec des pattes saillantes adaptées pour l'utilisation avec la bande de la fig. 1A lorsque celle-ci est pliée pour former un anneau, - La figure 2 est une vue en perspective d'un anneau de Lessing formé à partir de la combinaison de la bande et de l'entretoise de la présente invention telles que décrites en fig. 1 A et 1 B. Description de modes de réalisation préférés L'invention va maintenant être décrite plus en détail en faisant référence au mode de réalisation illustré dans les figures, qui n'est donné qu'à titre illustratif et qui n'implique pas une limitation de la portée essentielle de l'invention. Dans les figures, et en se référant au départ aux figures 1A et 1B, une bande de métal (1) est munie à ses extrémités opposées de prolongements (2). Dans chaque prolongement est située une fente (3). Une fente est également prévue dans le corps de la bande à un point à distance égale de chaque extrémité portant les prolongements. Une deuxième bande (4) est prévue comme entretoise d'ancrage pourvue de pattes (5). La figure 2 décrit les bandes illustrées en figures 1A et 1B, assemblées en un anneau de Lessing selon l'invention. La bande de métal (1) est pliée en une structure en anneau avec les prolongements (2) de chaque extrémité situés adjacents l'un par rapport à l'autre. L'entretoise d'ancrage est placée à l'intérieur de la structure en anneau de façon à ce qu'une patte de l'entretoise s'ancre dans la fente centrale de la bande de métal pliée pour fixer cette extrémité de l'entretoise en position, et les deux pattes à l'extrémité opposée de l'entretoise sont logées dans des fentes dans les prolongements adjacents et repliées de façon à ancrer cette extrémité de l'entretoise et les prolongements de la bande pliée en position. D'autres types de bandes de métal appropriées pour la production d'autres types d'éléments de garnissage cylindriques pourraient être mises au point avec des moyens pour maintenir les extrémités ensemble tel que cela est décrit dans l'invention ci-dessus. Les bandes de métal pour produire de tels éléments de garnissage cylindriques et les éléments de garnissage formés à partir de ces bandes, sont compris dans les limites de cette invention. REVENDICATIONS 1. - Elément de garnissage ayant la forme d'un anneau de métal comprenant a) une bande de métal ayant des extrémités première et seconde opposées, pliée de façon à rapprocher les extrémités première et seconde, chacune desdites extrémités étant pourvues de prolongements et d'évidements coopérant de façon à ce que, lorsque la bande est pliée pour rapprocher les extrémités première et seconde, les prolongements de chaque extrémité s'adaptent chacun dans les évidements correspondants de l'autre extrémité, la bande étant de plus pourvue d'au moins une fente centrale à un point situé approximativement à michemin de chacune des extrémités, et des fentes d'extrémités dans au moins un prolongement à chaque extrémité de la bande ; et b) une entretoise d'ancrage ayant des extrémités première et seconde, pourvue de pattes à ladite extrémité première conçues de façon à s'adapter dans les fentes centraies, et des pattes à ladite extrémité seconde conçues de façon à s'adapter dans les fentes d'extrémités, les pattes étant déformées après insertion dans les fentes de façon à maintenir les extrémités de la bande ensemble et à résister à la déformation. 2. - Élément de garnissage selon la revendication 1, dans lequel la bande de métal présente un prolongement et un évidement au niveau de chacune des extrémités première et seconde. 3. - Élément de garnissage selon la revendication 1, dans lequel le métal à partir duquel l'anneau est fabriqué présente un allongement à la rupture inférieur à 20 %. 4. - Élément de garnissage selon la revendication 1, dans lequel le métal est sélectionné dans le groupe consistant en le titane et le zirconium.