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Perfectionnements aux échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire
Dans les échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire on réalise une transmission de chaleur entre un courant de fluide circulant à l'intérieur des tubes et un autre courant de fluide circulant à l'extérieur des tubes. Les tubes cons- tituant le faisceau tubulaire sont fixés d'une manière étan- che dans des plaques tubulaires au moyen de mandrinages ou de bourrages.
Dans beaucoup d'applications, il est indis- pensable que les tubes constituant le faisceau tubulaire puissent être remplacés individuellement en cas de détério- ration; ce remplacement aisé de chaque tube individuellement n'est possible que si l'axe des tubes est à courbure et à torsion constantes, c'est-à-dire qu'au point de vue technique cet axe doit être, soit rectiligne, soit courbé en arc de @ cercle .
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Dans ces échangeurs, il est en outre souhaitable que le coefficient de transmission calorifique soit le plus éle- vé possible afin qu'on puisse diminuer la surface de trans- mission de chaleur et, par conséquent, le coût de l'appareil On doit tendre également à ce que les courants de fluide parcourant l'appareil subissent la moindre parte de charge possible de façon que la puissance mécanique dissipée dans l'appareil soit minimum. Enfin il est souhaitable que les inégalités de température des différentes parties de l'appa- reil ne fassent pas apparaître des tensions importantes dans le métal.
Jusqu'à présent, on n'est pas encore parvenu à réali- ser simultanément tous les desiderata mentionnés ci-dessus.
La présente invention a pour but principal de fournir un mode de construction d'échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire -qui réalise simultanément une bonne transmission calorifique, une faible perte de charge pour chacun des cou- rants de fluides, de faibles tensions dues aux dilatations thermiques et le remplacement individuel aisé des tubes constituant le faisceau.
En vue de la réalisation de ce but, cet échangeur de chaleur est caractérisé essentiellement en ce que les tubes constituant le faisceau sont disposés dans des nappes coaxiales cylindriques de révolution comprenant deux tron- çons terminaux évasés et éventuellement un tronçon médian cylindrique droit ou sensiblement tel.
D'atres buts et d'autres caractéristiques de l'in- vention ressortiront de la description détaillée et purement exemplative qui sera donnée-- ci-après, à l'aide des dessins ci-joints, de quelques formes de réalisation d'échangeurs de chaleur conformes à l'invention.
La figure 1 représente schématiquement le contour
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extérieur du faisceau tubulaire d'un échangeur de chaleur suivant la présente invention.
La surface, enveloppe de ce faisceau tubulaire, est une surface cylindrique de révolution autour de l'axe a, la génératrice de cette surface cylindrique étant la ligne b.
Le volume dans lequel est contenu le faisceau tubulaire se compose de trois parties distinctes : la première partie, comprise entre les sections 1 et 2, a une allure générale tronconique convergente de la section 1 à la section 2; la deuxième partie, comprise entre les sections 2 et 3, a l'allure générale d'un cylindre droit, de révolution, à sec- tion constante;la troisième partie, comprise entre les sections 3 et 4, a une allure générale divergente de la section 3 à la section 4.
La figure 2 représente un cylindre droit identique à celui de la figure 1, compris entre les sections 2 et 3, ce cylindre étant prolongé dans la figure 2 jusqu'aux sec- tions 1 et 4 de la figure 1. La section 10 est la section médiane des figures 1 et 2.
Le segment rectiligne c de la figure 2 représente la trace, dans le plan du dessin, d'un semi-plan orthogonal au plan du dessin, passant par les points 5 et 6 et par le point de percée de l'axe a dans la section 10, l'inter- section de ce semi-plan avec le cylindre de la figure 2 étant la demi-ellipse d représentée à la figure 2 après rabattement dans le plan du dessin. Ires points 7', 8' et S' de la demi-ellipse rabattue d sont les rabattements des points de percée respectifs 7, 8 et 9 de la demi-ellipse dans les sections respectives 2, 10 et 3. La courbe e de la figure 2 représente un arc de cercle en vraie grandeur, défini par les trois points 7', 8' et 9', et limité en 11' et 12'.
Le segment c de la figure 2 représente également
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la projection dans le plan du dessin de l'arc de cercle ? ramené dans le plan sécant de trace c. La rotation, autour de l'axe a, de l'arc de cercle e, placé dans cette dernière position, engendre la surface cylindrique représentée à la figure 1 et définit, avec précision, la génératrice b, étant entendu que le tronçon ainsi obtenu de la génératrice b, compris entre les sections 2 et 3, n'est qu'approximati- vement et non rigoureusement rectiligne. Au point de vue technique, cette dernière approximation est sans importance pratique, car la différence entre le cylindre droit et le cylindre réel, compris entre les sections 2 et 3, sera com- prise dans les tolérances de fabrication .
Si on adopte une tolérance déterminée pour les dimensions du cylindre réel compris entre les sections 2 et 3, on peut tenir compte de cette tolérance dans le tracé de l'arc de cercle e, de sorte que celui-ci ne doit pas être défini rigoureusement par les points 7', 8' et S' mais peut s'en écarter dans les limites définies par la tolérance admise.
Le mode de génération de la surface représentée à la figure 1, par la rotation d'un arc de cercle autour d'un axe, constitue le principe de réalisation des échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire suivant l'invention. Dans les appareils suivant l'invention, les diverses nappes de tubes sont réalisées de façon que tous les axes des tubes cons- tituant.une nappe soient contenus dans une surface cylin- drique obtenue de la manière représentée aux figures 1 et 2, ces diverses nappes ayant un même axe a et un même plan médian 10.
La figure 3 représente la coupe, par un plan axial, des diverses surfaces cylindriques contenant les nappes de tubes constituant le faisceau tubulaire suivant l'invention; les lignes f représentent la trace de ces surfaces dans le plan du dessin. Les sections 1, 2, 3, 4 de la figure 3 @ sont celles définies aux figures l et 2.
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La figure 4 représente la disposition des tubes 13 dans une nappe, suivant l'invention, ces tubes étant centrés suivant l'arc de cercle e défini à la figure 2 et les sec- tions terminales 1 et 4 étant celles définies aux figures 1 et 2.
Le mode de construction des faisceaux tubulaires suivant l'invention, peut s'adapter à des dimensions très diverses d'appareils, grâce à la liberté de choix qui existe pour les emplacements respectifs des sections 1, 2, 3, 4, et 10,et des points 5 et 6, définis à la figure 2. En particulier, on peut réaliser un faisceau tubulaire dans lequel la partie cylindrique droite comprise entre les sec- tions 2 et 3 a une longueur nulle.
Ce dernier cas particulier peut s'obtenir des deux manières suivantes:
Dans la première manière, les tubes ont une courbu- re très faible ou nulle et chaque nappe de tubes a alors la forme d'un hyperboloïde de révolution, ainsi que le re- présente la figure 6 dans laquelle les lignes h représentent les axes des tubes constituant une nappe. Dans la deuxiè- me manière, tous les tubes composant une nappe ont une cour- bure déterminée et leurs axes sont disposés dans des plans axiaux du faisceau. La figure 5 montre l'aspect d'une telle nappe de tubes, les lignes g représentant les axes des tu- bes constituant cette nappe.
D'autres réalisations de faisceaux tubulaires, sui- vant l'invention, peuvent âtre obtenues par juxtaposition d'éléments partiels empruntés aux réalisations ci-dessus décrites. Par exemple, on peut disposer les tubes courbés en arc de cercle de façon que leurs axes g soient contenus dans un plan, ainsi que le représente la figure 5, et plu- sieurs plans tubulaires de ce genre peuvent être juxtaposés
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de façon à réaliser un faisceau tubulaire de section arbi' traire variant arbitrairement.
Les faisceaux tubulaires, suivant l'invention, réa- lisés comme ci-dessus décrit, sont fixés d'une manière con- nue par mandrinage ou par des bourrages dans des plaques tubulaires. Les plaques tubulaires sont le plus souvent planes mais elles peuvent être bombées. Dans le cas des échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire devant résister à une pression élevée, les faisceaux tubulaires, suivant l'invention, se prêtent particulièrement bien à la réalisa- tion de plaques tubulaires bombées, car la surface de ces plaques tubulaires bombées peut être sensiblement orthogo- nale aux axes des tubes, comme l'indique schématiquement la figure 7 dans laquelle les lignes i représentent les axes des tubes et j représente une plaque tubulaire bombée.
La figure 8 représente,à titre descriptif, et nul- lement limitatif un échangeur de chaleur perfectionné à faisceau tubulaire suivant la présente invention. Les li- gnes 1 et les plaques tubulaires m délimitent l'emplacement du faisceau tubulaire suivant l'invention, duquel un tube k est représenté. L'enveloppe n se compose d'un tronçon mé- dian cylindrique droit et de deux tronçons terminaux tron- coniques dans lesquels l'arrivée et le départ du fluide en circulation à l'extérieur des tubes se font par les tubulu- res p et q.
Le fluide circulant à l'intérieur des tubes est guidé par les tubulures r et s boulonnées d'une manière connue aux plaques tubulaires planes m . L'axe a de l'appa- reil est également l'axe du faisceau tubulaire suivant l'invention. Le détail de la disposition des tubes dans les sections respectives AA et BB de la figure 8 montre que la section de passage du fluide extérieur aux tubes du faisceau est notablement plus grande dans les tronçons d'en- trée et de sortie de ce fluide que dans le tronçon cylin- drique médian.
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Les avantages des échangeurs de chaleur à faisceau tabulaire perfectionnés suivant l'invention, découlent de la description ci-dessus. En effet, il est connu que le rapport du coefficient de transmission calorifique à la per- te de charge inhérente à la transmission calorifique est le meilleur lorsque les surfaces de transmission de chaleur ne présentent pas de résistance de forme à l'écoulement du fluide. Cette condition de transmission optimum de la cha- leur est réalisée dans le tronçon médian des échangeurs de chaleur suivant l'invention, dans lequel l'écoulement du fluide extérieur se fait parallèlement aux tubes à une vi- tesse voulue, celle-ci étant obtenue par l'adoption d'une section de passage déterminée à cet effet.
Les pertes de charge du fluide extérieur dues à la résistance de forme des tubes dans les tronçons d'entrée et de sortie sont mini- mes grâce au grand écartement des tubes dans ces sections et à la grande section de passage réalisable. En outre, la divergence des tubes dans la section de sortie du fluide extérieur permet une bonne recompression du fluide extérieur à partir de son énergie cinétique au sortir du tronçon central à faible section de passage. Dans l'ensemble, les conditions d'écoulement du fluide circulant à l'extérieur des tubes sont les meilleures, tant en ce qui concerne le coefficient de transmission calorifique élevé qu'en ce qui concerne la faible perte de charge.
Les conditions d'écou- lement du fluide circulant à l'intérieur des tubes ne pré- sentent pas d'intérêt particulier par rapport à celles réa- lisées dans les échangeurs de chaleur de types connus; il est connu que ces conditions d'écoulement sont satisfaisant tes. Au point de vue de la dilatation thermique, le fait que les tubes peuvent avoir une courbure appréciable dans les faisceaux tubulaires, suivant l'invention, entraine l'avantage de la limitation des contraintes d'origine thermi que, ainsi qu'il est connu.