EP0462903B1 - Echangeur de chaleur tubulaire pour fluides respectivement chaud et froid à grandes différences respectivement de température et de pression - Google Patents

Echangeur de chaleur tubulaire pour fluides respectivement chaud et froid à grandes différences respectivement de température et de pression Download PDF

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EP0462903B1
EP0462903B1 EP19910401674 EP91401674A EP0462903B1 EP 0462903 B1 EP0462903 B1 EP 0462903B1 EP 19910401674 EP19910401674 EP 19910401674 EP 91401674 A EP91401674 A EP 91401674A EP 0462903 B1 EP0462903 B1 EP 0462903B1
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shell
flexible connection
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annular part
heat exchanger
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Pierre Georges Rey
Gilbert Charles Duponteil
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Babcock Entreprise
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Babcock Entreprise
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0236—Header boxes; End plates floating elements
    • F28F9/0241—Header boxes; End plates floating elements floating end plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0075—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for syngas or cracked gas cooling systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/26—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for allowing differential expansion between elements

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for cooling or reheating fluids in particular at high temperature, in particular for at least two fluids, respectively hot and cold, between which there are large differences in temperature and pressure respectively, of the substantially body type.
  • cylindrical grille forming containing at least one bundle of straight fluid passage tubes, preferably of great length, fixed, at its opposite ends, respectively to two notably thin tubular plates connected by a calender, attached to at least one of the plates tubular by a flexible connection.
  • One known means for this purpose consists in shaping the shell so as to form or incorporate therein, at any location along its longitudinal extent, at least one coaxial annular bellows for thermal expansion which absorbs the difference in total elongation between the shell and the tubes, which results from the pressure effect on the shell and on the tubes and the temperature difference between shell and tubes.
  • at least one of the two tubular plates or each of them is provided with a flexible connection to the grille which can have any shape and this solution is particularly used when the construction comprises thin tubular plates supported by the tubes or by tie rods connecting them together or by both.
  • the main object of the invention is to avoid or overcome these difficulties by reducing the deformation undergone by the part forming the expansion bellows or flexible connection when it is directly attached to one or to each of the two tubular plates.
  • this technical problem is solved in accordance with the invention by the fact that between the aforementioned flexible connection, providing at least one or each of the two aforementioned two tubular plates, and the end adjacent to the grille is interposed a rigid coaxial annular piece of junction connected respectively to said grille and to said flexible connection, said annular piece projecting radially internally and of sufficient cross section to limit, on the one hand, the increase in diameter of the grille and, on the other hand, the displacement of the attachment point of the flexible connection on said annular part under the effect of internal pressure.
  • this annular element has the effect of considerably reducing the stresses undergone by the flexible connection of the grille to the tube plate, this effect being all the more sensitive as the pressure exerted in the grille is higher and , incidentally, to decrease the stresses in the tube plate itself.
  • This reduction in stresses, obtained by the presence of the abovementioned annular element makes it possible, under equal operating conditions, to build the device with longer tubes and therefore to reduce the cost thereof.
  • the invention also makes it possible to use the type of heat exchanger with thin tubular plates flexibly connected to the shell forming a shell, under more severe conditions of use, that is to say at a pressure or difference of very important temperature.
  • the presence of this part reduces the aforementioned disadvantageous effects by the fact that the annular part then has sufficient rigidity to considerably reduce the increase in diameter of the calender and also to reduce its shortening.
  • the traction exerted by the pressure force applied to the lateral face of the internal shoulder formed by this annular piece which force induces a tension in the grille.
  • the annular part, joining the radiator grille to one or to each of the two tubular plates have a mechanical resistance in particular to sufficient bending to constitute an assembly with a very rigid structure with respect to this tubular plate.
  • the difference, between the internal radii of the grille respectively and of the annular part is approximately equal to the thickness of the aforementioned ferrule forming a grille while the thickness of said annular part (in the axial or longitudinal direction) is at least equal to twice the thickness of the corresponding tubular plate.
  • the heat exchanger comprises a substantially circular hollow cylindrical body 1 forming a grille constituting its lateral enclosure wall defining the interior space 2 of the exchanger in which the one of the two heating or cooling fluids entering the shell through the inlet pipe 3 and leaving it through the outlet pipe 4 of the shell.
  • the grille is connected, at its opposite ends, respectively to two relatively thin tubular plates 5 in which are fixed and which are traversed by substantially rectilinear tubes 6 extending through the interior space 2 and intended for the circulation of the other fluid in correlation of heat transmission with the first fluid which bathes these tubes constituting a tubular bundle.
  • At least one of the two tubular plates 5 and, preferably, each of them is connected, at the neighboring end of the shell 1, by a peripheral part 7 constituting a flexible connection forming for example an expansion bellows or having a equivalent effect.
  • the shell 1 is connected at its opposite ends respectively to each flexible connection 7 of the corresponding tube plate 5 by a coaxial annular element 8 much thicker radially than the shell 1 and much thicker longitudinally than the associated tube plate 5.
  • Each annular element 8 is integral with or forms an integral part of the shell 1 forming a grille or is optionally attached thereto.
  • Each annular element 8 constitutes a radially internal projection, for example in the form of a shoulder on the grille 1, having a substantially cylindrical configuration.
  • Each annular element 8 is attached to the neighboring flexible connection 7 advantageously by welding or the like.
  • the fluid, circulating in the tubes 6, is a hot gas at a temperature of 850 ° C. which is to be lowered to 400 ° C. by heat exchange with a liquid coolant which is water at a pressure of 130 bar, circulating in the shell 1.
  • the tubes 6 have a length of 14 meters between the two tube plates 5.
  • Each tube plate 5 has a thickness of 20 mm to 25 mm while the shell 1 has a thickness of 90 mm and each element or portion annular 8 has a radial height or thickness of 200 mm, therefore a radial projection of 110 mm and a thickness in the longitudinal direction of 100 mm.
  • These dimensions are only indicative because they must be determined by a precise calculation of the stresses. They are in particular a function of the quality of the materials chosen which may be of different shades respectively for the radiator grille, each annular element, the tubular plates and the other component parts of the exchanger.

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Description

  • La présente invention concerne un échangeur de chaleur pour le refroidissement ou le réchauffage de fluides en particulier à haute température, notamment pour au moins deux fluides respectivement chaud et froid entre lesquels existent de grandes différences respectivement de température et de pression, du type à corps sensiblement cylindrique formant calandre contenant au moins un faisceau de tubes droits de passage de fluide de préférence de grande longueur, fixé, à ses extrémités opposées, respectivement à deux plaques tubulaires notamment relativement minces reliées par une calandre, attachée à au moins l'une des plaques tubulaires par un raccordement flexible.
  • Dans des échangeurs thermiques connus de ce genre par exemple par le FR-A-695 595, FR-A-2 253 999 ou US-A-4 434 840, lorsqu'il existe une grande différence de température entre le fluide circulant à l'intérieur des tubes et le fluide s'écoulant à l'intérieur de la calandre en baignant les tubes ainsi que dans le cas d'une grande différence de pression entre ces deux fluides, il se produit une différence d'allongement importante entre la calandre et les tubes, voire même un raccourcissement de la calandre et un allongement des tubes. A cause de la haute température du fluide s'écoulant dans les tubes, il se produit une dilatation différentielle entre ceux-ci et la calandre, qui contraint les plaques tubulaires et leur raccordement à la calandre.
  • Lorsque l'échangeur de chaleur est soumis à la pression s'exerçant à l'intérieur de la calandre et aux températures de service, on constate les déformations mécaniques suivantes résultant de l'application des principes de la résistance des matériaux aux constructions en métal:
    • la pression, exercée à l'intérieur de la calandre, créé une augmentation du diamètre de la calandre et un raccourcissement de sa longueur ; l'augmentation de diamètre accroît la contrainte de membrane dans la plaque tubulaire et dans son raccord à la calandre tandis que le raccourcissement accroît la différence d'allongement entre tubes et calandre et augmente donc les sollicitations exercées sur le raccordement entre plaques tubulaires et calandre ;
    • la pression, à l'intérieur de la calandre, allonge les tubes par effet de flambement et, de ce fait, accroît les contraintes dans les plaques tubulaires et dans leur liaison à la calandre.
  • Dans la technique antérieure, diverses solutions ont déjà été utilisées pour pallier ces inconvénients d'origine thermique et mécanique. Un moyen connu à cet effet consiste à façonner la calandre de façon à y former ou incorporer, en un emplacement quelconque de son étendue longitudinale, au moins un soufflet annulaire coaxial de dilatation thermique qui absorbe la différence d'allongement totale entre la calandre et les tubes, laquelle provient de l'effet de pression sur la calandre et sur les tubes et de la différence de température entre calandre et tubes. Dans une variante de calandre avec soufflet de dilatation, au moins l'une des deux plaques tubulaires ou chacune d'elles est pourvue d'un raccordement flexible à la calandre qui peut avoir une forme quelconque et cette solution est particulièrement employée quand la construction comprend des plaques tubulaires minces étayées par les tubes ou par des tirants les reliant entre elles ou par les deux.
  • Ce système à soufflet de dilatation ou sa variante de réalisation précitée, qui permet de résister à de plus hautes pressions, est limité en pratique et ne peut s'appliquer aux échangeurs de chaleur qui fonctionnent avec de grands allongements différentiels entre les tubes et la calandre sans entraîner de très importants surcoûts causés par ses grandes dimensions.
  • L'invention a principalement pour but d'éviter ou de surmonter ces difficultés en diminuant la déformation subie par la partie formant le soufflet de dilatation ou raccordement flexible lorsqu'elle est directement attachée à l'une ou à chacune des deux plaques tubulaires.
  • Dans un échangeur de chaleur du type mentionné au début, ce problème technique est résolu conformément à l'invention par le fait qu'entre le raccordement flexible précité, munissant au moins l'une ou chacune des deux plaques tubulaires précitées, et l'extrémité adjacente de la calandre est interposée une pièce annulaire coaxiale rigide de jonction reliée respectivement à ladite calandre et audit raccordement flexible, ladite pièce annulaire étant en saillie radialement interne et de section suffisante pour limiter au maximum, d'une part, l'accroissement du diamètre de la calandre et, d'autre part, le déplacement du point d'attache du raccordement flexible sur ladite pièce annulaire sous l'effet de la pression interne.
  • La présence de cet élément annulaire a pour effet de diminuer considérablement les contraintes subies par le raccordement flexible de la calandre à la plaque tubulaire, cet effet étant d'autant plus sensible que la pression, s'exerçant dans la calandre, est plus élevée et, accessoirement, de décroître les contraintes dans la plaque tubulaire elle-même. Cette réduction des contraintes, obtenue par la présence de l'élément annulaire précité, permet, à conditions de service égales, de construire l'appareil avec des tubes plus longs donc d'en réduire le coût. L'invention permet aussi d'utiliser le type d'échangeur thermique à plaques tubulaires minces raccordées de manière flexible à la virole formant calandre, dans des conditions d'utilisation plus sévères, c'est-à-dire à une pression ou différence de température très importante.
  • En donnant des dimensions convenables à la pièce annulaire précitée, la présence de cette pièce diminue les effets désavantageux précités par le fait que la pièce annulaire présente alors une rigidité suffisante pour réduire considérablement l'augmentation de diamètre de la calandre et également pour réduire son raccourcissement par la traction exercée par la force de pression appliquée sur la face latérale de l'épaulement interne formé par cette pièce annulaire, laquelle force induit une tension dans la calandre.
  • Il est important que la pièce annulaire, joignant la calandre à l'une ou à chacune des deux plaques tubulaires, ait une résistance mécanique notamment à la flexion suffisante pour constituer un ensemble à structure très rigide par rapport à cette plaque tubulaire. A cet effet et selon une autre caractéristique de l'invention, la différence, entre les rayons intérieurs respectivement de la calandre et de la pièce annulaire, est égale environ à l'épaisseur de la virole précitée formant calandre tandis que l'épaisseur de ladite pièce annulaire (en direction axiale ou longitudinale) est au moins égale au double de l'épaisseur de la plaque tubulaire correspondante.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres buts et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative qui va suivre en se reportant au dessin schématique annexé donné uniquement à titre d'exemple non limitatif illustrant un mode de réalisation spécifique actuellement préféré de l'invention et dans lequel la figure unique représente une vue en coupe longitudinale d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention.
  • Par souci de simplification, on a omis de représenter, sur la figure du dessin, le couvercle ou fond normalement prévu à l'une des extrémités de l'échangeur thermique, la boîte de circulation à l'extrémité opposée de l'échangeur de chaleur, avec les tubulures respectivement d'entrée et de sortie du fluide destiné à circuler dans les tubes, les chicanes à l'intérieur de la calandre.
  • Selon l'exemple de réalisation de l'invention représenté, l'échangeur de chaleur comprend un corps sensiblement cylindrique circulaire creux 1 formant calandre constituant sa paroi latérale d'enceinte délimitant l'espace intérieur 2 de l'échangeur dans lequel doit circuler l'un des deux fluides chauffant ou refroidisseur pénétrant dans la calandre par la tubulure d'entrée 3 et la quittant par la tubulure de sortie 4 de la calandre. La calandre est reliée, à ses extrémités opposées, respectivement à deux plaques tubulaires relativement minces 5 dans lesquelles sont fixés et qui sont traversées par des tubes sensiblement rectilignes 6 s'étendant à travers l'espace intérieur 2 et destinés à la circulation de l'autre fluide en corrélation de transmission calorifique avec le premier fluide qui baigne ces tubes constituant un faisceau tubulaire.
  • Au moins l'une des deux plaques tubulaires 5 et, de préférence, chacune d'elles est reliée, à l'extrémité voisine de la calandre 1, par une partie périphérique 7 constituant un raccordement flexible formant par exemple soufflet de dilatation ou ayant un effet équivalent.
  • La calandre 1 est reliée à ses extrémités opposées respectivement à chaque raccordement flexible 7 de la plaque tubulaire correspondante 5 par un élément annulaire coaxial 8 beaucoup plus épais radialement que la calandre 1 et beaucoup plus épais longitudinalement que la plaque tubulaire associée 5.
  • Chaque élément annulaire 8 est solidaire ou fait partie intégrante de la virole 1 formant calandre ou est éventuellement rapporté sur celle-ci. Chaque élément annulaire 8 constitue une saillie radialement interne par exemple en forme d'épaulement sur la calandre 1 en présentant une configuration sensiblement cylindrique.
  • Chaque élément annulaire 8 est attaché au raccordement flexible voisin 7 avantageusement par soudage ou analogue.
  • A titre de simple exemple non restrictif, le fluide, circulant dans les tubes 6, est un gaz chaud à une température de 850°C qui est à abaisser à 400°C par échange thermique avec un fluide refroidisseur liquide qui est de l'eau à une pression de 130 bar, circulant dans la calandre 1. Les tubes 6 ont une longueur de 14 mètres entre les deux plaques tubulaires 5. Chaque plaque tubulaire 5 a une épaisseur de 20 mm à 25 mm tandis que la calandre 1 a une épaisseur de 90 mm et chaque élément ou portion annulaire 8 a une hauteur ou épaisseur radiale de 200 mm donc une saillie radiale de 110 mm et une épaisseur en direction longitudinale de 100 mm. Ces dimensions ne sont qu'indicatives car elles doivent être déterminées par un calcul précis des contraintes. Elles sont notamment fonction de la qualité des matériaux choisis qui peuvent être de nuances différentes respectivement pour la calandre, chaque élément annulaire, les plaques tubulaires et les autres parties composantes de l'échangeur.

Claims (3)

  1. Echangeur de chaleur à corps sensiblement cylindrique formant calandre (1) contenant au moins un faisceau de tubes droits de passage de fluide (6), fixé, à ses extrémités opposées, respectivement à deux plaques tubulaires (5) reliées à ladite calandre (1) qui est attachée à au moins l'une des plaques tubulaires par un raccordement flexible (7), caractérisé en ce qu'entre ledit raccordement flexible (7) et l'extrémité adjacente de ladite calandre (1) est interposée une pièce annulaire coaxiale rigide de jonction (8) reliée respectivement à ladite calandre (1) et audit raccordement flexible (7), ladite pièce annulaire étant en saillie radialement interne et de section suffisantes pour limiter au maximum, d'une part, l'accroissement du diamètre de la calandre (1) et, d'autre part, le déplacement du point d'attache du raccordement flexible (7) sur ladite pièce annulaire (8) sous l'effet de la pression interne.
  2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence, entre les rayons intérieurs respectivement de la calandre (1) et de la pièce annulaire (8) précitées, est égale environ à l'épaisseur de ladite calandre (1) tandis que l'épaisseur de ladite pièce annulaire (8) en direction longitudinale ou axiale est au moins égale au double de l'épaisseur de la plaque tubulaire correspondante (5).
  3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque pièce annulaire précitée (8) est solidaire ou fait partie intégrante de la calandre précitée (1) et est attachée par soudage au raccordement flexible voisin précité (7).
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