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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION la. Société dite: BABCOCK & WILCOX LIMITED Perfectionnements aux échangeurs de chaleur tubulaires.
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Demande de brevet aux Etats-Unis d AmrirLe du 15 Octobre 194ë en faveur de L4. I.L. LAUGVAND et B.H.MILLER
Cette invention se rapporte à des échangeurs de chaleur tubulpires et plus particulièrement eux modérateurs de temprature du genre comportant un faisceau de tubes en forme de U disposé à l'intérieur d'une enveloppe et dont les extrémités d'entrée et de sortie des tubes sont montres dans une plaque tubulaire commune séparée de l'enveloppe par un joint étanche aux fluides.
Lorsque dans un tel modérateur de température un fluide est amené à une température déterminée dans la chambre intérieure de l'enveloppe autour des tubes en U et qu'un fluide à une température beaucoup plus élevée circule dans ces tubes en U, on se trouve devant de sérieux problèmes soulevés dans la zone de la. plaque tubulaire par les efforts développés sous l'action de la température. Ces problèmes acquièrent aussi une grande importance, lorsque la pression du fluide à l'intérieur de l'enveloppe s'écarte considérablement de celle du fluide à l'extérieur de celle-ci ou de l'autre côté de la plaque tubulaire.
Les conditions résultant de l'existence de ces efforts se compliquent davantage lorsqu'il est fait usage d'une plaque tubulaire de grande épaisseur, et une plaque tubulaire d'épaisseur notable peut être nécessaire pour assurer une résistance d'assem- blage appropriée lorsque le nombre de tubes en U est important.
L'un des buts de l'invention est d'éviter les efforts inopportunément élevés dus aux différences de température du fluide dans le voisinage des plaques tubulaires des modérateurs de température du genre considéré.
La présente invention concerne un modérateur de température comportant un faisceau de tubes en forme de U disposé à l'intérieur d'une enveloppe et dont les extrémités d'entrée et de sortie des tubes sont reliées à une plaque tubulaire commune, caractérisé en ce que la plaque tubulaire présente un diamètre inférieur au diamètre interne de l'enveloppe et est raccordée à celle-ci par un joint étanche au fluide comprenant une pièce s'étendant dans une direction axiale et reliant la périphérie de la plaque tubulaire à l'enveloppe, mais de manière à permettre en fléchissant les mouvements relatifs dus à la dilatation ou la contraction thermiques entre la plaque tubulaire et l'enveloppe. ¯¯¯..¯ ¯¯¯.¯¯.,¯-
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L'invention concerne aussi un modérateur de température comportant une enveloppe, une plaque tubulaire divisant l'enve- loppe en une chambre principale et une chambre auxiliaire et pourvue d'orifices d'entrée et d'orifices de sortie, un faisceau de tubes groupes, en forme de U, disposa dans la chambre principale, dont les tubes sont raccordas à la plaque tubulaire aux orifices d'entée et de sortie, un compartiment d'arrivée disposé à l'intérieur de la chambre auxiliaire et renfermant une plaque 'tubulaire supplémentaire établissant une délimitation entre le compartiment d'arrivée et la chambre auxiliaire et disposée à distance convenable de la plaque tubulaire,
et des viroles en connexité avec la plaque tubulaire supplémentaire d'or elles s'étendent à travers des orifices d'entrée correspon- dants de la plaque tubulaire pour pénétrer dans les extrémités des tubes qui aboutissent à ces orifices.
L'invention est décrite ci-après à titre d'exemple avec référence aux dessins annexés, dans lesquels:
Figure 1 est une coupe verticale à travers un échangeur de chaleur susceptible d'être employé comme modérateur de température;
Figure 2 est une coupe verticale de 7.'échangeur de chaleur, suivant un plan perpendiculaire à celui de la figure 1 et suivant la ligne 2-2 de la figure 1;
Figure 7 est une coupe transversale suivant la ligne brisée 7-7, de la figure l;
Figure 4 est une coupe transversale suivant la ligne 4-4 de la figure 1 ;
Figure 5 est une coupe transversale suivant la ligne 5-5 de la figure 1;
Figure 6 est une vue de détail montrant à une plus grande échelle que la figure 1, une partie d'une plaque tuhulaire supplémentaire et des parties connexes ;
Figure 7 est une coupe verticale d'une utre forme d'échbangeur de chaleur susceptible de servir comme modérateur de température;
Figure 8 est une coupe transversale suivant la ligne 8-8 de la figure 7;
FigurE 9 est une coupe verticale suivant la ligne 9-9 de la figure 7;
Figure 10 est une vue partielle à plus grande Echelle que les figure's 7,8 et 9, en coupe verticale sujvant la ligne 10-10 de la figure 8;
Figure 11 est une coupe verticale d'une autre forme d'exécution d'échangeur de chaleur susceptible d'être utilisé
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comme modérateur de tempratures; et
Figure 12 est une coupe transversale suivant la ligne 12-12 de la figure 11.
Les figures 1 à 6 des dessins représentent un échangeur de chaleur susceptible d'être utilisa comme modérateur pour régler la température de la. vapeur surchauffée provenant d'une chaudière. L'échangeur de chaleur comporte une enveloppe ver-
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ticale 102 comprenant une chambre principale dans laquelle est disposé un faisceau de tubes en forme de U renversé 103 à 106 au travers desquels la vapeur surchauffée (en quantités réglées par des dispositifs à soupapes non représentés) circule en période de marche.
A leurs extrémités inférieures les tubes sont fixésà une tôle ou une plaque tubulaire 108,soit par dudgeonnage, soit par soudage, ou par ces deux procédés, et la plaque tubula.ire est fixée transversalement à la partie inférieure de l'enveloppe 102 par une pièce en forme de jante ou de bride circonférentielle 110. Ce mode de construction particulier est représenté en détail sur la figure 6. Le corps principal de la plaque tubulaire 108 est plus petit que l'enveloppe 102 de manière à laisser entre ces deux pièces un espace circonférentiel tel que celui indiqué en "a" sur la figure 6. Cette jante ou bride 110 est venue d'une pièce avec la plaque tubulaire 108 mais est de plus faible épaisseur que cette dernière dont elle s'étend de haut en bas, sa partie inférieure 112 étant soud4e à l'enveloppe 102 comme c'est indiqué en 114.
La disposition décrite permet à la plaque tubulaire 108 de se déplacer par rapport à l'enveloppe 102, sous l'effet de sa dilatation ou de sa contraction radiales, sans résistance appréciable, en raison de la flexibilité de la jante ou bride 110. Les efforts développés d.ans la plaque tubulaire par suite de la résistance offerte par la fixation de la plaque tubulaire à l'enveloppe sont par conséquent réduits à un minimum.
L'espace entre cette bride 110 et l'enveloppe 102 sert de collecteur de boues d'où la boue est retirée périodi- quement à travers un tuyau de purge 154 muni d'une soupape.
L'enveloppe 102 est raccordée au système de circulation d'eau d'un générateur de vapeur par le tube d'entrée 116 et les tubes de sortie 118 et 120. Le tube 116 aboutit à la partie inférieure de l'enveloppe juste au-dessus de la plaque tubulaire 108 et à son autre extrémité il est de préférence raccordé au tube de descente du générateur de vapeur, qui amène l'eau à la température de saturation. Ce raccord permet à l'eau d'arriver dans l'enveloppe et de s'y élever autour des tubes en U 103 à 106, tandis que les tubes 118 et 120 assurent le départ de l'eau (ou du mélange de vapeur et d'eau) du sommet de l'enveloppe 102.
L'enveloppe 102 du modérateur se prolonge d'une faible quantité en-dessous de la plaque tubulaire 108 de manière à constituer une chambre auxiliaire pour l'entrée et la sortie de la vapeur. La partie inférieure de l'enveloppe qui constitue cette cha.mbre comporte deux branchements ou raccordements 130 et 134 dont le premier est soudé au tube 74 comme c'est indiqué, tandis que le second est soudé au tube d'évacuation de la vapeur 78 conduisant à une section à haute température du surchauffeur ou à des appareils d'utilisation de la vapeur.
On comprendra que par suite du montage ci-dessus décrit de l'enveloppe du modérateur dans le circuit de circulation, la température du fluide à l'intérieur de l'enveloppe puisse être de plusieurs centaines de degrés inférieure à celle de la température de la vapeur surchauffée amenée au modérateur par le tube 74. Dans ces conditions il y a tendance à la production d'efforts inopportuns sous l'action de la température dans la plaque tubulaire 108 et le danger que ces efforts deviennent nuisibles au fonctionnement continu du modérateur augmente à mesure que l'épaisseur de la plaque tubulaire croit.
Pour maintenir l'épaisseur de la plaque tubulaire aussi faible que possible, on emploie par conséquent un raidisseur de plaque tubulaire 140 disposé diamétralement par rapport à la pla-
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que tubulaire comme c'est indiqué. sur la figure 4 et perpendi- culairement à celle-ci comme le montre la figure 1. La partie médiane 141 de ce raidisseur est soudée à la plaque tubulaire, au centre de cette dernière, et pour éviter des efforts supplémentaires créés par la température, les pieds 143 et 145 à l'extrémité inférieure du reidisseur ne sont pas soudas à la plaque tubulaire, mais sont uniquement en contact ou s'appuient sur la surface de celle-ci.
Par suite de cette construction et lorsaue la pression qui règne dans l'enveloppe au-dessus de la plaque tubulaire est plus grande que celle qui y règne endessous de celle-ci, le joint soud de la plaque de raidissage à la plaaue tubulaire se trouve sous tension, tandis que les extrémités externes du raidisseur travaillent à la compression.
Il se produit par suite de la différence de température un dpla- cenent entre la plaque tubulaire et la plaque de raidissage, du fait aue celle-ci est maintenue approximativement à la tem- pérature du liouide à basse température à l'intérieur de l'enveloppe, tandis que la température de la plaque tubulaire varie suivent la température et la quantité de vapeur à haute tempé- rature passant dans les tubes en U.
On réduit notablement l'effet des efforts dans le métal de la plaoue tubulaire qui se produireient sans cela par suite des différences de températures engendrées, en empêchant la vapeur surchauffée qui entre;de frapper la plaoue tubulaire.
Ce résultat est atteint au moyen d'un dispositif comportant une plaoue tubulaire supplémentaire ou chicane 146, qui ferme l'extrémité supérieure d'un capot 144 raccordé au conduit 74 par un prolongement tubulaire 143 du conduit.
Comme c'est indiqué sur les figures 1 et 6 une série de viroles 148, dont le nombre correspond au nombre de tubes en U 103 à 106, sont fixées à la plaque tubulaire supplémentaire, chacune des viroles s'étendent verticalementà travers ua orifi-
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ce d'entrée de la plaque tubulnire 108 pour s'anF ger . l'intP- rieur de l'extrémité d'entrée d'un tube en U comme c'est indiqué clairement sur les dessins.
Lorsque la vapeur circule dans les tubes en U (refroidis par l'eau à la température de satura- tien) sa température tombe notablement, et pour cette r?ison, les extrémités de sortie des tubes en U communiquent directement avec la chambre 152 d'où la vapeur passe dans le tube 73 et de là à la seconde section du surchauffeur ou ru point d'utilisa- tion.
Des tuyaux de purge à soupapes 156 et 158 sont disposés comme c'est indiqué sur la figure 1, et .les tubes en U à l'intérieur de l'enveloppe du modérateur 102 peuvent être maintenus
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dans leurs positions relatives de fonctionne ient p r des plaques d"c[1rt(:;'lent 160 à 163.
On peut avoir accès à le partie du î'10a/retAur qui se trouve juste tu-dessus de 1- plaque t1..Jbul"'i::, ll) par les orifices Jl,,,ccès 170 à 177 cui sont normalement ier.>i<s par des ootur-leurs de trous de poing ou des fermetures autoclaves 17± à 170, c.j;#i<e c'et in1¯t.nu sur 1"' figure 4 des dessins.
Les figures 7 ,1 10 reprrserltent un rlo<1"=T.>t>vr C0'11portant une enveloppe ou carcasse verticale 102, divisée par une plaque tubulaire troonsve1'3('le 108 en une chambre principale supérieure ;76 et une ch',brc:: auxiliaire inf'-'rieure 73. La pin- que tubuleirs est pourvue d'une bride périphérique 110 dont une partie 112 est soudée en 114 à l'enveloppe 102 et l'espace
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annulaire entre 1."' bride et l'enveloppe est l"uni d'un r"'cCQ7'r1 de décharge 154, le tout comme il a été décrit dans l'exemple des figures 1 à 6.
Les tubesverticaux et en forme de U renversé 280 à 287 sont fixés à des distances convenables les uns des autres à l'intérieur de la chambre supérieure 276 et leurs extrémités
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inférieures sont assujetties dans la plaque tubulaire 108 comme c'est clairement indiqué. L'espace de la chambre supérieure 276 autour des tubes en U est raccordé au système circulatoire de l'eau d'une chaudière par les raccords 290 à 294.
La partie inférieure de l'enveloppe est pourvue d'une entrée latérale de vapeur surchauffée 296 et d'une sortie de vapeur 298 disposée dans son prolongement, et un compartiment de dérivation central 302 raccordé, du côté de son entre, à l'arrivée de vapeur surchauffée 296 par le tube 304 et du côté de sa sortie au départ de vapeur 298 par le tube 306.
Au centre de cette construction compartimentée se trouve un clapet de dérivation 308 qu'on peut actionner pour permettre à des quantités variables de vapeur surchauffée de passer dans le modérateur et réciproquement détourner des quantités variables de vapeur de ce dernier. Au-dessus de la partie centrale inférieure du compartiment 302 se trouve une membrane ou cloison 310 disposée diamétralement dans un capot circulaire 312 )qui s'élève à l'intérieur de la bride descendante 110 de la plaque tubulaire 108 et en juxtaposition étroite avec cette bride.
Le capot 312 est divisé en une section d'entrée 320 et une section de sortie 322. La première de celles-ci est fermée à son sommet par une plaque tubulaire auxiliaire 146 espacée de la plaque tubulaire 108 et portant des tubulures verticales 148 de diamètre tel qu'elles s'ajustent facilement à l'intérieur des extrémités d'entrée des tubes en U 280 à 287. De cette manière, la vapeur surchauffée commence à venir en contact avec les tubes en U en un point suffisamment éloigné de la plaque tubulaire 108 pour éviter une forte absorption de chaleur directement par cette dernière.
La plaque tubulaire 108 est renforcée par une épaisse plaque de raidissage diamétrale 140 de construction quelque peu semblable à celle du raidisseur des figures 1 et 2. Comme c'est indiqué plus particulièrement sur la figure 9, le raidisseur 140 est pourvu de quatre pieds 350 à 353 entrant en contact avec la surface supérieure de la plaque tubulaire. Pour renforcer la plaque tubulaire sans nuire sensiblement à sa flexibilité, les extrémités inférieures des deux pieds internes 351 et 352 sont fixées au centre de la plaque tubulaire par soudage, tandis nue les pieds extérieurs 350 et 353 s'appliquent simplement sur la surface supérieure de cette plaque, de telle sorte que des déplacements relatifs peuvent se produire entre les pieds extérieurs 350 et 353 et la plaque tubulaire 108.
Un espace est ménagé entre les deux pieds 351 et 352 de telle sorte qu'on peut avoir accès directement des deux côtés du raidisseur 140 à l'extrémité inférieure ouverte d'un tube 360 qui, comme c'est représenté sur la figure 7, constitue une chasse communiquant avec la partie inférieure de la chambre supérieure 276 du modérateur en un point directement au-dessus de la plaque tubulaire 108 et d'un côté du raidisseur 340.
Figure 9 montre un arbre de commande 303 monté dans des paliers 305 et 307e ce dernier traversant l'enveloppe 102. Au moyen de cette construction et de l'assemblage 309 l'axe de pivotement 311 du clapet 308 (figure 7) peut être actionné par un méca.nisme comprenant un élément sous contrôle de la température de la vapeur.
Comme c'est indiqué sur la figure 10, la répartition des tubes sur la plaque tubulaire auxiliaire 146 peut nécessiter
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un décalage ou le recourbèrent d'un certain nombre de tubulures ou viroles, telles aue celle indiquée en 386 qui correspond à un tube 375 raccorde à la plaque tubulaire 108 en un orifice d'entrée situé au bord de la plaque tubulaire.
Dans la forme de construction de modérateur représentée sur l,a figure 11 des dessins, la plaque tubul?ire, nui divise l'enveloppe 102 en une chambre de refroidissement principale 240 et une chambre auxiliaire ou de départ 250, est formée de deux pièces semi-circulaires 188 et 184 pourvues de brides diamétrales descendantes 186 et 188 juxtaposées face à face et relises par une soudure diamétrale 190. La section 184 est pourvue d'une bride semi-circulaire descendante 192 et la section 182 d'une bride similaire 194.
Ces deux brides semicirculaires sont disposées à l'intérieur d'un manchon ou d'une bague cylindrique 196 plus mince que la partie de la plaque tubulaire pourvue de trous à tubes et dont la majeure partie est légèrement écartée vers l'intérieur de la paroi de l'enveloppe 102, comme c'est représenté. La bague 196 s'étend de bas en haut à partir de la plaque tubulaire et son bord supérieur est soudé à l'enveloppe comme c'est indiqué en 200. Le manchon est fixé aux brides descendantes 192 et 194 par une soudure 402.
Sauf à son extrémité supérieure, le manchon 196 présente un diamètre externe inférieur au diamètre interne de l'enveloppe 102, en sorte que par suite de la flexibilité de la bague et de la présence de l'espace annulaire entre la bague et l'enveloppe, la plaque tubulaire formée par les segments 182 et 184 peut se dilater radialement par rapport à l'enveloppe.
A l'intérieur de l'enveloppe 102 est monté un faisceau de tubes en U groupés dont quelques-uns sont montrés en 202-204.
Les extrémités d'entrée des branches de gauche 206 à 280 de ces tubes en U sont fixées à l'intérieur des sièges de tubes ménagés dans la section 182 de la plaque tubulaire, comme c'est représenté, et les extrémités de sortie 210 à 212 des autres branches de ces tubes en U sont fixées à l'intérieur des sièges de tubes de la section 184 de la plaque tubulaire.
Lorsque le modérateur est employé en combinaison avec un générateur de vapeur et un surc ha.uffeur, la vapeur surchauffée est amenée par un tube 220 dans un compartiment d'arrivée 222 disposé à l'intérieur de la chambre de départ 250. Elle passe alors par les viroles 148 fixées à l'intérieur de la plaque tubulaire auxiliaire 146 formant la paroi supérieure du compartiment 222 et convenablement espacée de la section 182 de la plaque tubulaire. Ces viroles pénètrent de bas en haut à une faible profondeur à l'intérieur des extrémités d'entrée des branches 206 à 208 des tubes en U en vue d'empêcher le choc de la vapeur surchauffée à haute température sur le métal à température plus basse de la plaque tubulaire.
La chambre de refroidissement 240 reçoit l'eau d'un circulateur 242 et l'eau s'élève à travers la chambre de refroidissement et ensuite à travers les circulateurs 240 et 246 pour se rendre dans un corps cylindrique à vapeur et eau d'un générateur de vapeur.
A mesure que la vapeur circule dans les tubes en U la température diminue par suite de transmission de chaleur à l'eau dans la chambre de refroidissement 240, et la vapeur refroidie quitte les tubes en U par les branches de sortie 210 à 212 pour pénétrer dans la chambre de départ 250. De cette dernière elle est envoyée par un tube 252 dans une section à haute température du surchauffeur ou en un point d'utilisation.
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Le métal de l'enveloppe 102 du modérateur, dans la zone du tube d'arrivée 220 se trouvant à une température considérablement moins élevée que la température de la vapeur qui circule dans le tube 220, on réunit ce dernier à l'enveloppe par une virole ou un manchon externe 260 dont le corps principal est d'un diamètre quelque peu plus grand que le tube 220. L'extrémité externe du manchon 260 est repoussée par emboutissage au diamètre externe du tube 220, auquel on la soude comme c'est indiqué en 262.
La partie inférieure de l'enveloppe 102 du modérateur est pourvue d'une tubulure d'évacuation 266 au travers de laquelle on peut effectuer la vidange de la chambre de sortie 250 du modérateur.