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Echangeur de chaleur à faisceaux tubulaires.
La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur à faisceaux tubulaires dans lequel un fluide circulant longitudinalement tout autour des tubes de l'échangeur de cha- leur entre dans celui-ci par une chambre de distribution et en sort par une chambre collectrice en un courant perpendiculaire aux dits tubes.
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L'objet de l'invention est de réaliser un échangeur de chaleur à faisceaux tubulaires de ce genre convenant en par- ticulier pour des installations thermiques de force motrice dans lesquelles au moins la majeure partie d'un fluide gazeux de tra- vail décrit un circuit fermé, ce fluide étant ramené au cours de ce circuit à nouveau à une pression supérieure dans un compres- seur, puis chauffé par apport de chaleur de l'extérieur et ensui- te détendu dans au moins une turbine avec fourniture de puissance à l'extérieur.
L'invention vise en outre à réaliser un échangeur de chaleur à faisceaux tubulaires dans lequel le fluide qui s'écoule tout autour des tubes longitudinaux se répartit aussi uniformément que possible sur l'ensemble de la section du faisceau tubulaire tout en rencontrant le minimum de résistance à l'écoule- ment dans les chambres d'écoulement transversal. Dans le cas de telles installations thermiques de force motrice une perte de pression minimum est particulièrement importante pour des consi- dérations de rendement global. On parvient à ces résultats, sui- vant l'invention, du fait qu'entre les groupes de tubes dans les- quels ceux-ci sont répartis il existe des espaces libres de tubes, qui toutefois ne peuvent pas être traversés par du fluide balayant extérieurement les tubes dans la partie à écoulement longitudinal de l'échangeur de chaleur.
Les espaces libres de tubes peuvent alors utilement être occupés entre les groupes de tubes dans la partie à écoulement longitudinal par des éléments de barrage étanche aux gaz et ne pénétrant pas dans les chambres extrêmes (chambre de distribution et chambre collectrice).
Diverses formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées à titre d'exemple aux dessins ci-annexés où:-
La fig. 1 montre partiellement en coupe et partiellement en élévation une première forme d'exécution.
La fig. 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la fig.l
La fig. 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la fig. 1.
La fig. 4 montre partiellement en coupe longitudinale et partiellement en élévation une seconde forme de réalisation.
La fig. 5 est une coupe suivant la ligne V-V de la fig.4.
La fig. 6 est une coupe d'une troisième forme d'exécu- tion perpendiculairement à l'axe des tubes.
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La fig. 7 est 'une coupe de l'une des chambres extrêmes d'une autre forme de réalisation, faite perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'échangeur de chaleur.
L'échangeur de chaleur représenté aux figs. 1 à 3 com- porte des tubes 1 qui sont disposés en deux groupes A et B.
L'ensemble du faisceau de tubes 1 est entouré par une enveloppe 2 dont la section est circulaire et qui comporte deux chambres extrêmes 3 et 4. Les extrémités des tubes sont fixées dans celle des parois des chambres extrêmes 3 et 4, qui, considérant le sens longitudinal des groupes de tubes, délimite vers l'extérieur la chambre considérée. L'une de ces parois porte sur la fig. 1 le numéro de référence 5. Les tubes 1 des groupes A et B sont par- courus intérieurement par un fluide d'échange de chaleur qui af- flue par un raccord 6 et s'écoule par un raccord 7.
A la chambre extrême 7 afflue perpendiculairement à l'axe longitudinal des tubes 1 un second fluide d'échange de chaleur qu'il s'agit de répartir avec une résistance minimum aussi uniformément que pos- sible sur l'ensemble de la section des groupes A et B de tubes 1, afin qu'il balaye extérieurement d'une façon aussi uniforme que possible les tubes 1 dans la partie à écoulement longitudinal de l'échangeur de chaleur, c'est-à-dire dans la partie située entre les chambres extrêmes 3 et 4. A cet effet, des espaces libres de tubes sont prévus en 8 et 9 entre les groupes A et B.
Dans la partie de l'espace libre de tubes de l'échangeur de chaleur située entre les chambres extrêmes 3, 4 est monté entre les groupes de tubes A et B un élément de barrage creux 10 qui, dans ledit espace libre de tubes, fait obstacle au passage du fluide longeant les tubes 1 et qui ne pénètre pas dans les chambres extrêmes 3, 4.
Les espaces 8 et 9, libres de tubes, des chambres extrêmes 3 et 4 contribuent à ce que le fluide d'échange de chaleur, qui doit lon- ger extérieurement les tubes 1, se répartisse aussi uniformément et avec aussi peu de pertes de pression que possible sur l'ensemble de la section des groupes de tubes A et B, pour se rassembler en- suite dans la chambre 4; de son côté, l'élément de barrage 10 empêche qu'un "écoulement en court-circuit" puisse se produire dans la partie à écoulement longitudinal dans l'espace libre de tubes situé entre les groupes A et B.
Ai lieu d'être un corps creux, ainsi qu'on l'a représen- té, l'élément de barrage peut également être massif.
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De même, dans le cas de la forme d'exécution représen- tée aux figs. 4 et 5, les tubes 11 de l'échangeur de chaleur sont répartis en deux groupes C et D entourés chacun sur la majeure partie de sa longueur par une enveloppe 14 ou 15 suivant le cas.
13 désigne la chambre extrême à laquelle afflue le fluide d'échan- ge de chaleur qui doit longer extérieurement les tubes 11. Les parois formant enveloppe 14 et 15 se terminent à distance des pla- ques extrêmes 24 de l'échangeur de chaleur. Les espaces 12 exempts de tubes qui existent' entre les enveloppes 14, 15 des groupes de tubes C et D sont divisés par une cloison transversale 16 étanche aux gaz, de sorte que le fluide d'échange de chaleur qui afflue sous forme d'un courant transversal à la chambre extrême 13 est obligé de traverser les intervalles existant entre les enveloppes 14, 15 et les tubes 11 des groupes C, D.
Le mode de construction ainsi décrit assure que dans la partie à écoulement longitudinal des groupes C et D, les tubes 11 sont disposés pour être balayés par l'un des fluides d'échange de chaleur, et que la cloison transversale 16 s'oppose µ, ce que dans les espaces libres de tubes compris entre les enveloppes 14, 15 se produise un "écoulement en court-circuit" qui passerait au large des tubes 11.
Comme on peut le voir d'après les figs. 2, 3 et 5 qui représentent des coupes, les espaces libres de tubes prévus entre les groupes tubulaires ont utilement une section rectangulaire, les grands côtés du rectangle étant orientés perpendiculairement à la direction du fluide affluant à l'une des chambres extrêmes.
Si c'est nécessaires,dans la partie à écoulement longitudinal de l'échangeur de chaleur on peut prévoir plusieurs cloisons trans- versales étanches aux gaz et empêchant que des écoulements longi- tudinaux se produisent.
La fig. 6 représente une coupe transversale d'une cham- bre extrême d'un échangeur de chaleur de section circulaire et comportant trois groupes de tubes E, F et G entourés chacun d'une enveloppe étanche aux gaz indiquée respectivement en 17, 18 et 19.
Dans le cas de cette forme d'exécution les espaces 20 libres de tubes formés entre les parois enveloppantes 17, 18, 19 des groupes E, F et G se rétrécissent dans le sens radial de l'extérieur vers l'intérieur.
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La fig. 7 représente enfin une coupe transversale de l'une des chambres extrêmes d'un échangeur de chaleur dont la section est également circulaire dans sa partie à écoulement lon- gitudinal. Dans le cas de cette forme d'exécution les tubes sont répartis en cinq groupes H,J,K,L et M dont chacun comporte une paroi enveloppante 21 étanche aux gaz. L'enveloppe 22 de la cham- bre par laquelle le fluide balayant extérieurement les tubes de l'échangeur de chaleur entre dans celui-ci, se rétrécit en spirale, tandis que l'enveloppe'de chambre extrême (non figurée) située à la sortie de ce fluide de l'échangeur s'évase en spirale.
De plus, les espaces 23 libres de tubes compris dans les deux chambres extrêmes entre les cloisons enveloppantes 21 des divers groupes de tubes H, J, K, L et M, sont orientés en spirale du pourtour de ces groupes vers le centre des dites chambres extrêmes, de sorte que la section des espaces 23 diminue de l'extérieur vers l'intérieur.
On conçoit aisément que dans le cas des constructions suivant les figs. 6 et 7 il faut également prévoir des cloisons transversales étanches aux gaz afin qu'aucun écoulement longitu- dinal ne puisse se produire dans la partie à écoulement longitu- dinal de l'échangeur de chaleur dans les espaces libres de tubes compris entre les groupes de tubes.
On construira avantageusement les échangeurs de chaleur de manière que chacun des groupes de tubes ensemble avec la cloi- son qui 1 .enveloppe, puisse être monté séparément. On peut aussi tirer parti des cloisons enveloppantes pour tenir ensemble les divers groupes. En combinaison avec des organes d'espacement mon- tés sur les tubes, de telles cloisons enveloppantes peuvent égale- ment empêcher que les tubes se dérangent en service ou lors d'un démontage, surtout dans le cas de tubes de grande longueur par rapport à leur diamètre.
Le nombre des groupes de tubes que présente un échangeur de chaleur ne joue aucun rôle quant à la possibilité d'application de l'invention, non plus que la position dans laquelle l'échangeur de chaleur est monté.
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Tube bundle heat exchanger.
The present invention relates to a tube bundle heat exchanger in which a fluid circulating longitudinally all around the tubes of the heat exchanger enters the latter through a distribution chamber and leaves it through a collecting chamber in one. current perpendicular to said tubes.
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The object of the invention is to provide a tube bundle heat exchanger of this type suitable in particular for motive force thermal installations in which at least the major part of a gaseous working fluid describes a closed circuit, this fluid being returned during this circuit again to a higher pressure in a compressor, then heated by supply of heat from the outside and then expanded in at least one turbine with supply of power to the 'outside.
The invention further aims to provide a tube bundle heat exchanger in which the fluid flowing all around the longitudinal tubes is distributed as uniformly as possible over the entire section of the tube bundle while meeting the minimum of resistance to flow in cross flow chambers. In the case of such motive power plants a minimum pressure loss is particularly important for considerations of overall efficiency. These results are achieved, according to the invention, owing to the fact that between the groups of tubes in which they are distributed there are free spaces of tubes, which, however, cannot be crossed by sweeping fluid. externally the tubes in the longitudinal flow part of the heat exchanger.
The free spaces of tubes can then usefully be occupied between the groups of tubes in the longitudinal flow part by gas-tight barrier elements which do not penetrate into the end chambers (distribution chamber and collecting chamber).
Various embodiments of the object of the invention are shown by way of example in the accompanying drawings where: -
Fig. 1 shows partially in section and partially in elevation a first embodiment.
Fig. 2 is a section taken along line II-II of fig.l
Fig. 3 is a section taken along line III-III of FIG. 1.
Fig. 4 shows partially in longitudinal section and partially in elevation a second embodiment.
Fig. 5 is a section taken along the line V-V of fig.4.
Fig. 6 is a section of a third embodiment perpendicular to the axis of the tubes.
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Fig. 7 is a section of one of the end chambers of another embodiment, taken perpendicular to the longitudinal axis of the heat exchanger.
The heat exchanger shown in figs. 1 to 3 has tubes 1 which are arranged in two groups A and B.
The entire bundle of tubes 1 is surrounded by a casing 2 whose section is circular and which has two end chambers 3 and 4. The ends of the tubes are fixed in that of the walls of the end chambers 3 and 4, which, considering the longitudinal direction of the groups of tubes, outwardly delimits the considered chamber. One of these walls relates to FIG. 1 the reference number 5. The tubes 1 of groups A and B are internally routed by a heat exchange fluid which flows through a connector 6 and flows through a connector 7.
At the end chamber 7 flows perpendicularly to the longitudinal axis of the tubes 1 a second heat exchange fluid which has to be distributed with a minimum resistance as uniformly as possible over the entire section of the groups. A and B of tubes 1, so that it sweeps outwards as uniformly as possible the tubes 1 in the longitudinal flow part of the heat exchanger, that is to say in the part located between the end chambers 3 and 4. For this purpose, free spaces for tubes are provided at 8 and 9 between groups A and B.
In the part of the free space of tubes of the heat exchanger located between the end chambers 3, 4 is mounted between the groups of tubes A and B a hollow barrier element 10 which, in said free space of tubes, forms obstacle to the passage of the fluid along the tubes 1 and which does not enter the end chambers 3, 4.
The spaces 8 and 9, free of tubes, of the end chambers 3 and 4 contribute to the fact that the heat exchange fluid, which must run along the outside of the tubes 1, is also distributed evenly and with as little pressure loss. as possible on the whole section of the groups of tubes A and B, to then assemble in chamber 4; For its part, the barrier element 10 prevents a "short-circuiting flow" from occurring in the longitudinal flow part in the free space of tubes located between groups A and B.
Instead of being a hollow body, as has been shown, the barrier element can also be solid.
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Likewise, in the case of the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the tubes 11 of the heat exchanger are divided into two groups C and D each surrounded over the major part of its length by a casing 14 or 15 as appropriate.
13 designates the end chamber to which the heat exchanging fluid flows which is to run along the outside of the tubes 11. The casing walls 14 and 15 terminate at a distance from the end plates 24 of the heat exchanger. The tube-free spaces 12 which exist between the shells 14, 15 of the tube groups C and D are divided by a transverse gas-tight partition 16, so that the heat exchange fluid which flows in the form of a gas-tight. current transverse to the end chamber 13 is forced to cross the gaps existing between the envelopes 14, 15 and the tubes 11 of groups C, D.
The construction method thus described ensures that in the longitudinal flow part of groups C and D, the tubes 11 are arranged to be swept by one of the heat exchange fluids, and that the transverse partition 16 is opposed. , that in the free spaces of tubes between the envelopes 14, 15 a "short-circuiting flow" occurs which would pass off the tubes 11.
As can be seen from figs. 2, 3 and 5 which represent sections, the free spaces of tubes provided between the tubular groups usefully have a rectangular section, the long sides of the rectangle being oriented perpendicular to the direction of the fluid flowing to one of the end chambers.
If necessary, in the longitudinal flow part of the heat exchanger there can be several transverse partitions which are gas-tight and prevent longitudinal flows from occurring.
Fig. 6 shows a cross section of an end chamber of a heat exchanger of circular section and comprising three groups of tubes E, F and G each surrounded by a gas-tight casing indicated respectively at 17, 18 and 19.
In the case of this embodiment, the free spaces 20 of tubes formed between the enveloping walls 17, 18, 19 of groups E, F and G narrow in the radial direction from the outside to the inside.
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Fig. 7 finally shows a cross section of one of the end chambers of a heat exchanger, the cross section of which is also circular in its part with longitudinal flow. In the case of this embodiment, the tubes are divided into five groups H, J, K, L and M, each of which has an enveloping wall 21 sealed against gases. The casing 22 of the chamber through which the fluid sweeping the outside of the heat exchanger tubes enters it, tapers into a spiral, while the outer chamber casing (not shown) located at the bottom. outlet of this fluid from the exchanger widens in a spiral.
In addition, the free spaces 23 of tubes included in the two end chambers between the enveloping partitions 21 of the various groups of tubes H, J, K, L and M, are oriented in a spiral from the periphery of these groups towards the center of said chambers. extremes, so that the section of the spaces 23 decreases from the outside to the inside.
It can easily be seen that in the case of constructions according to FIGS. 6 and 7, transverse gas-tight partitions must also be provided so that no longitudinal flow can occur in the longitudinal flow part of the heat exchanger in the free spaces of tubes between the groups of tubes. tubes.
The heat exchangers will advantageously be constructed so that each of the groups of tubes together with the surrounding wall can be mounted separately. We can also take advantage of enveloping partitions to hold the various groups together. In combination with spacers mounted on the tubes, such enveloping partitions can also prevent the tubes from disturbing in service or during dismantling, especially in the case of tubes of great length in relation to the tube. their diameter.
The number of groups of tubes that a heat exchanger has does not play any role as regards the applicability of the invention, nor does the position in which the heat exchanger is mounted.