Echangeur de chaleur La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur.
Dans le brevet Np 352755, on a décrit une torche de soudure comprenant une électrode pour la sou dure à l'arc, par exemple en tungstène, disposée dans une pièce tubulaire et dont la pointe est en re gard d'une ouverture ménagée dans la paroi latérale de ladite pièce, un corps dans lequel ladite pièce tubulaire est montée, des moyens pour disposer la dite pièce tubulaire et l'électrode de soudure co- axialement dans un tube à souder, et une connexion d'amenée d'un gaz inerte dans la pièce tubulaire, ce gaz étant de préférence de l'argon.
Cette torche permet de fixer des tubes de faible diamètre et présentant un pas étroit sur le collecteur d'un échangeur de chaleur par une soudure interne de ces tubes à des tronçons tubulaires préalablement soudés au collecteur ou à des anneaux cylindriques formés dans la surface du collecteur en taillant des rainures autour des ouvertures ménagées dans la paroi du collecteur.
La technique de soudure des tubes de faible dia mètre et présentant un pas étroit à une paroi de col lecteur, rendue possible par cette torche, peut être utilisée pour fabriquer les échangeurs de chaleur en visagés ici.
L'échangeur de chaleur faisant l'objet de la pré sente invention est caractérisé en ce qu'il comprend des collecteurs tubulaires connectés entre eux par au moins une série de tubes de faible diamètre sou dés par leurs extrémités, depuis l'intérieur, à des tronçons tubulaires que présentent les collecteurs, lesdits tronçons tubulaires présentant un pas non supérieur à 1,5 fois le diamètre extérieur desdits tubes.
Si les tubes doivent être soudés directement à la paroi d'un collecteur, celle-ci peut être préparée en formant des anneaux cylindriques d'une épaisseur pratiquement identique à celle des parois des tubes et obtenus en taillant une rainure annulaire autour des ouvertures de la paroi du collecteur. Cette opé ration peut être nécessaire pour éviter une surchauffe des parois relativement minces des tubes et un en dommagement de la matière constituant la paroi rela tivement épaisse du collecteur quand on atteint la température de soudure.
Si les tubes doivent être soudés à des tronçons tubulaires s'étendant depuis la paroi du collecteur, ces tronçons sont de préférence fixés au collecteur par soudure sur la surface extérieure du collecteur autour d'ouvertures de même diamètre que le dia mètre intérieur des tubes.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'échangeur de cha leur objet de l'invention.
Les fig. 1 et 2 sont des coupes partielles d'une première et d'une seconde forme d'exécution respec tivement.
La fig. 3 est une coupe d'une troisième forme d'exécution.
La fig. 4 est une coupe selon IV-IV de la fig. 3. Les fig. 5, 6, 7, 8 et 9 sont respectivement des coupes d'une quatrième, cinquième, sixième, sep tième et huitième forme d'exécution.
La fig. 10 est une coupe selon X-X de la fig. 9. La fig. 1 montre comment est soudé intérieure ment un tube 100 sur un tronçon de tube 120 s'éten dant depuis la paroi d'un collecteur 102. Le tronçon 120 est soudé à la paroi autour d'une ouverture 124 de cette paroi présentant un diamètre égal au dia mètre intérieur du tronçon 120.
L'extrémité du tronçon 120 qui doit être soudée à la paroi du collecteur est biseautée extérieurement et la soudure est effectuée avec un métal d'apport et une technique de soudure extérieure connue. Le tronçon 120 peut avoir 32 mm de longueur.
Le tube 100 est soudé à l'extrémité extérieure du tronçon 120 à l'aide de la torche décrite dans le brevet No 352755. Avant d'insérer la torche dans l'ouverture 124 de la paroi du collecteur 102, il peut être nécessaire d'éliminer le bourrelet produit par la soudure du tronçon 120 sur ladite paroi. Cela peut être fait à l'aide d'une fraise d'une dimension légèrement supérieure au diamètre intérieur du tron çon et au diamètre de l'ouverture.
La fig. 2 montre une forme d'exécution dans la quelle les tronçons tubulaires sont formés autour des ouvertures de la paroi du collecteur par formation de rainures annulaires 122. Celles-ci sont concentriques aux ouvertures 124 et laissent subsister des anneaux cylindriques 126 de même épaisseur que les parois des tubes 100. Si les tubes 100 ont un diamètre in térieur de 9,5 mm et une épaisseur de paroi de 1,6 mm, les rainures 122 peuvent avoir une largeur de 1,6 mm et une profondeur de 9,5 mm, bien qu'on puisse obtenir des résultats satisfaisants avec une profondeur de 1,6 mm. Les fonds des rainures sont arrondis pour éviter des tensions dangereuses et le rayon de courbure peut être égal à la largeur des rainures.
L'échangeur représenté aux fig. 3 et 4 comprend une série de tubes en U 100 disposés entre un col lecteur d'entrée 102 et un collecteur de sortie 104. Les collecteurs 102 et 104 sont parallèles l'un à l'autre et sont placés horizontalement dans la partie inférieure d'une enveloppe cylindrique 106.
L'enveloppe 106 comprend une conduite d'entrée 108 et une conduite de sortie<B>110.</B>
Les collecteurs 102 et 104 sont fixés intérieure ment à l'enveloppe 106 au moyen de connexions d'entrée 112 et de sortie 114.
Les tubes 100 peuvent avoir un diamètre inté rieur de 9,5 mm, une épaisseur de paroi de 1,6 mm et être répartis avec un pas de 19 mm.
Cet échangeur peut être fabriqué en soudant les tubes 100 à des tronçons tubulaires préalablement soudés aux collecteurs 102 et 104 de manière à for mer un ensemble de tubes complet qui est inséré dans l'enveloppe 106 avant de mettre en place l'ex trémité inférieure de celle-ci. Ce procédé de fabrica tion peut être simplifié en disposant les connexions d'entrée et de sortie 112 et 114 parallèlement l'une à l'autre, et non comme représenté à la fig. 3.
Quatre portes d'accès 116 sont ménagées dans l'enveloppe et sont alignées avec quatre couvercles amovibles 118 placés sur les extrémités des collec teurs 102 et 104. En retirant les portes d'accès 116 et les couvercles 118, on peut accéder à l'intérieur des collecteurs 102 et 104 pour l'inspection et, si nécessaire, pour boucher des tubes défectueux.
Dans un échangeur destiné à supporter une pres sion de 140 kg/cm2, les collecteurs 102 et 104 peuvent présenter une longueur de 122 cm, un dia- mètre intérieur de 305 mm et une épaisseur de paroi d'environ 76 mm.
L'échangeur représenté à la fig. 5 est semblable à celui décrit ci-dessus sauf qu'il comprend deux cir cuits parallèles pour le fluide dans les tubes inté rieurs. Il comprend deux séries de tubes 150 et 152 disposées côte à côte dans une enveloppe 154. Les tubes 150 joignent un premier collecteur d'entrée 156 à un collecteur de sortie 160 tandis que les tubes 152 joignent un second collecteur d'entrée 158 au même collecteur de sortie. L'enveloppe 154 comprend une conduite d'entrée 162 et une conduite de sortie 164.
L'échangeur représenté à la fig. 6 est très sem blable à celui représenté aux fig. 3 et 4 et n'en diffère que par la présence de tubes rectilignes à la place des tubes en U. Une série de tubes 200 est montée entre un collecteur d'entrée 202 et un collecteur de sortie 204 aux extrémités opposées d'une enveloppe cylindrique 206 qui comprend une conduite d'entrée 208 et une conduite de sortie 210. Les collecteurs 202 et 204 sont fixés dans l'enveloppe 206 par des connexions d'entrée 212 et de sortie 214.
L'échangeur représenté à la fig. 7 comprend deux séries de tubes rectilignes 250 et 251 remplaçant les tubes en U 100 des fig. 3 et 4. Les séries de tubes 250 et 251 sont disposées côte à côte dans une en veloppe 252. Les tubes 250 joignent un collecteur d'entrée 254 à un premier collecteur intermédiaire 256 et les tubes 251 joignent un second collecteur intermédiaire 258 à un collecteur de sortie 260. Les collecteurs intermédiaires 256 et 258 sont reliés par un tuyau 262.
L'enveloppe 252 comprend une conduite d'entrée 264 et une conduite de sortie 266. Elle est divisée en deux compartiments par une paroi longitudinale 268 et le fluide dans l'enveloppe est dirigé sur les tubes 250 et 251 par de courtes parois transversales 270.
L'échangeur représenté à la fig. 8 est destiné à être utilisé dans le cas où il est absolument nécessaire d'éviter le risque de mélange des deux fluides de l'échangeur. Deux séries de tubes 300 et 302 sont disposées par rangs alternés dans une enveloppe 304. Les tubes 300 relient un collecteur d'entrée 306 à un collecteur de sortie 308 tandis que les tubes 302 relient un collectur d'entrée<B>310</B> à un collecteur de sortie 312. L'enveloppe 304, quand l'échangeur fonc tionne, est remplie d'un troisième fluide présentant une bonne conductibilité thermique et grâce auquel la chaleur peut être transmise entre les deux séries de tubes 300 et 302.
L'enveloppe 304 peut être équipée d'un appareil de détection des fuites de fluide de l'une ou l'autre série de tubes dans le fluide intermédiaire. On pourrait insérer plus de deux cir cuits d'échange dans l'enveloppe.
L'échangeur représenté aux fig. 9 et 10 diffère de ceux décrits précédemment en ce que les collecteurs sont disposés parallèlement à l'axe longitudinal d'une enveloppe cylindrique. Cet échangeur comprend une série de tubes 350 relativement courts joignant un collecteur d'entrée 352 à un collecteur de sortie 354 fixés dans l'enveloppe 356 par des connexions d'en trée 358 et de sortie 360. L'enveloppe comprend une conduite d'entrée 362 et une conduite de sortie 364 à ses extrémités opposées de manière que le fluide dans l'enveloppe s'écoule entre les tubes 350.
La construction décrite ci-dessus présente l'avan tage qu'il n'est pas nécessaire de tenir compte de l'expansion thermique différente des tubes 350 et de la matière constituant l'enveloppe 356 quand les dif férences de température du côté chaud et du côté froid sont grandes. Cette construction présente le léger inconvénient de nécessiter des collecteurs 352 et 354 presque aussi longs que l'enveloppe 356, de sorte que l'inspection et le bouchage des tubes 350 vers le milieu de l'enveloppe sont plus difficiles que dans les constructions présentant des collecteurs courts.
Dans toutes les formes d'exécution décrites plus haut, on peut prévoir des voies d'accès aux collec teurs comme décrit dans l'échangeur représenté aux fig. 3 et 4.
La soudure des tubes à l'extérieur des collecteurs et l'emploi de collecteurs disposés entièrement dans l'enveloppe éliminent beaucoup des inconvénients rencontrés dans les échangeurs de chaleur usuels à enveloppes et à tubes dans lesquels les tubes s'éten dent entre des plateaux tubulaires.
En effet, la soudure des tubes à l'extérieur des collecteurs élimine la possibilité de corrosion au ni veau des crevasses qui peuvent exister à l'intérieur d'un tube dilaté ; il n'y a aucun risque de dépôt de sédiment sur les joints des tubes ni par conséquent de corrosion inhérente à un tel dépôt ; dans le cas d'un échangeur de grand diamètre et dont les tubes sont à haute pression, l'épaisseur des collecteurs peut être très réduite comparativement à celle qui estnéces- saire pour un plateau tubulaire, avec allégement des très fortes contraintes thermiques comparativement à celles associées à un plateau tubulaire épais. et à l'enveloppe adjacente ;
les portes d'accès et les cou- vercles relativement petits donnent accès aux collec teurs pour l'inspection et le bouchage des tubes beau coup plus facilement que les grandes portes d'accès ordinairement utilisées dans les échangeurs connus ; le pas étroit des tubes et l'élimination des boîtes d'eau permet de réduire notablement les dimen sions de l'échangeur pour la même performance thermique ; enfin l'échangeur de chaleur décrit peut être construit de manière que toutes ses parties puis sent être vidées.
Heat exchanger The present invention relates to a heat exchanger.
In patent Np 352755, a welding torch has been described comprising an electrode for hard arc welding, for example made of tungsten, arranged in a tubular part and the tip of which is facing an opening formed in the side wall of said part, a body in which said tubular part is mounted, means for placing said tubular part and the welding electrode coaxially in a tube to be welded, and a connection for supplying an inert gas in the tubular part, this gas preferably being argon.
This torch makes it possible to fix tubes of small diameter and having a narrow pitch on the collector of a heat exchanger by an internal welding of these tubes to tubular sections previously welded to the collector or to cylindrical rings formed in the surface of the collector by cutting grooves around the openings in the manifold wall.
The technique of welding small diameter tubes with a narrow pitch to a drive neck wall, made possible by this torch, can be used to fabricate the heat exchangers shown here.
The heat exchanger forming the subject of the present invention is characterized in that it comprises tubular collectors connected to each other by at least one series of small diameter tubes welded by their ends, from the inside, to tubular sections presented by the collectors, said tubular sections having a pitch not greater than 1.5 times the outside diameter of said tubes.
If the tubes are to be welded directly to the wall of a manifold, this can be prepared by forming cylindrical rings of a thickness almost identical to that of the walls of the tubes and obtained by cutting an annular groove around the openings of the manifold. collector wall. This operation may be necessary to prevent overheating of the relatively thin walls of the tubes and damage to the material constituting the relatively thick wall of the manifold when the welding temperature is reached.
If the tubes are to be welded to tubular sections extending from the wall of the manifold, these sections are preferably attached to the manifold by welding on the outer surface of the manifold around openings of the same diameter as the inner diameter of the tubes.
The appended drawing shows, by way of example, several embodiments of the heat exchanger which is the subject of the invention.
Figs. 1 and 2 are partial sections of a first and a second embodiment respectively.
Fig. 3 is a section of a third embodiment.
Fig. 4 is a section along IV-IV of FIG. 3. Figs. 5, 6, 7, 8 and 9 are sections of a fourth, fifth, sixth, seventh and eighth embodiment, respectively.
Fig. 10 is a section along X-X of FIG. 9. FIG. 1 shows how a tube 100 is internally welded to a tube section 120 extending from the wall of a manifold 102. The section 120 is welded to the wall around an opening 124 of this wall having an equal diameter. inside diameter of section 120.
The end of the section 120 which is to be welded to the wall of the manifold is bevelled on the outside and the welding is carried out with a filler metal and a known external welding technique. The section 120 may be 32 mm in length.
Tube 100 is welded to the outer end of section 120 using the torch disclosed in Patent No. 352755. Before inserting the torch into opening 124 in the wall of manifold 102, it may be necessary to 'eliminate the bead produced by the welding of the section 120 on said wall. This can be done using a cutter with a dimension slightly larger than the inside diameter of the section and the diameter of the opening.
Fig. 2 shows an embodiment in which the tubular sections are formed around the openings in the wall of the manifold by forming annular grooves 122. These are concentric with the openings 124 and leave cylindrical rings 126 of the same thickness as the openings. walls of the tubes 100. If the tubes 100 have an inside diameter of 9.5 mm and a wall thickness of 1.6 mm, the grooves 122 may have a width of 1.6 mm and a depth of 9.5 mm , although satisfactory results can be obtained with a depth of 1.6 mm. The bottoms of the grooves are rounded to avoid dangerous stresses and the radius of curvature can be equal to the width of the grooves.
The exchanger shown in fig. 3 and 4 comprises a series of U-tubes 100 disposed between an inlet reading neck 102 and an outlet manifold 104. The manifolds 102 and 104 are parallel to each other and are placed horizontally in the lower part of the body. 'a cylindrical envelope 106.
The envelope 106 includes an inlet pipe 108 and an outlet pipe <B> 110. </B>
The collectors 102 and 104 are fixed internally to the casing 106 by means of inlet 112 and outlet 114 connections.
The tubes 100 can have an internal diameter of 9.5 mm, a wall thickness of 1.6 mm and be distributed with a pitch of 19 mm.
This heat exchanger can be manufactured by welding the tubes 100 to tubular sections previously welded to the collectors 102 and 104 so as to form a complete set of tubes which is inserted into the casing 106 before placing the lower end of the tube. this one. This manufacturing process can be simplified by arranging the inlet and outlet connections 112 and 114 parallel to each other, and not as shown in FIG. 3.
Four access doors 116 are provided in the enclosure and are aligned with four removable covers 118 placed on the ends of the manifolds 102 and 104. By removing the access doors 116 and the covers 118, one can access the. interior of manifolds 102 and 104 for inspection and, if necessary, to plug defective tubes.
In an exchanger intended to withstand a pressure of 140 kg / cm2, the manifolds 102 and 104 may have a length of 122 cm, an internal diameter of 305 mm and a wall thickness of about 76 mm.
The exchanger shown in fig. 5 is similar to that described above except that it includes two parallel circuits for the fluid in the inner tubes. It comprises two series of tubes 150 and 152 arranged side by side in a casing 154. The tubes 150 join a first inlet manifold 156 to an outlet manifold 160 while the tubes 152 join a second inlet manifold 158 to the same. outlet manifold. The envelope 154 comprises an inlet pipe 162 and an outlet pipe 164.
The exchanger shown in fig. 6 is very similar to that shown in FIGS. 3 and 4 and differs only by the presence of rectilinear tubes instead of U-shaped tubes. A series of tubes 200 is mounted between an inlet manifold 202 and an outlet manifold 204 at the opposite ends of a casing. cylindrical 206 which comprises an inlet pipe 208 and an outlet pipe 210. The manifolds 202 and 204 are fixed in the casing 206 by inlet 212 and outlet 214 connections.
The exchanger shown in fig. 7 comprises two series of rectilinear tubes 250 and 251 replacing the U-shaped tubes 100 of FIGS. 3 and 4. The series of tubes 250 and 251 are arranged side by side in a casing 252. The tubes 250 join an inlet manifold 254 to a first intermediate manifold 256 and the tubes 251 join a second intermediate manifold 258 to a. outlet manifold 260. Intermediate manifolds 256 and 258 are connected by a pipe 262.
The casing 252 comprises an inlet pipe 264 and an outlet pipe 266. It is divided into two compartments by a longitudinal wall 268 and the fluid in the casing is directed to the tubes 250 and 251 by short transverse walls 270 .
The exchanger shown in fig. 8 is intended to be used in the event that it is absolutely necessary to avoid the risk of mixing the two exchanger fluids. Two series of tubes 300 and 302 are arranged in alternate rows in an envelope 304. The tubes 300 connect an inlet manifold 306 to an outlet manifold 308 while the tubes 302 connect an inlet manifold <B> 310 </ B> to an outlet manifold 312. The casing 304, when the exchanger is operating, is filled with a third fluid having good thermal conductivity and thanks to which the heat can be transmitted between the two series of tubes 300 and 302 .
The casing 304 may be equipped with an apparatus for detecting fluid leaks from either series of tubes in the intermediate fluid. More than two exchange circuits could be inserted in the envelope.
The exchanger shown in fig. 9 and 10 differs from those described above in that the collectors are arranged parallel to the longitudinal axis of a cylindrical casing. This exchanger comprises a series of relatively short tubes 350 joining an inlet manifold 352 to an outlet manifold 354 fixed in the casing 356 by inlet 358 and outlet 360 connections. The casing comprises a pipe. inlet 362 and an outlet line 364 at its opposite ends so that the fluid in the casing flows between the tubes 350.
The construction described above has the advantage that it is not necessary to take into account the different thermal expansion of the tubes 350 and the material constituting the shell 356 when the temperature differences on the hot side and on the cold side are great. This construction has the slight disadvantage of requiring manifolds 352 and 354 almost as long as the casing 356, so that the inspection and plugging of the tubes 350 towards the middle of the casing is more difficult than in constructions having short collectors.
In all the embodiments described above, it is possible to provide access routes to the collectors as described in the exchanger shown in FIGS. 3 and 4.
The welding of the tubes on the outside of the collectors and the use of collectors arranged entirely in the casing eliminate many of the drawbacks encountered in conventional heat exchangers with casings and tubes in which the tubes extend between the tube trays. .
Indeed, the welding of the tubes to the outside of the collectors eliminates the possibility of corrosion at the level of the crevices which may exist inside an expanded tube; there is no risk of sediment deposition on the joints of the tubes or consequently of corrosion inherent in such a deposit; in the case of a large-diameter heat exchanger whose tubes are at high pressure, the thickness of the collectors can be very reduced compared to that necessary for a tubular plate, with very high thermal stresses reduced compared to those associated with a thick tubular tray. and to the adjacent envelope;
the relatively small access doors and covers give access to the manifolds for inspection and plugging of the tubes much more easily than the large access doors ordinarily used in known exchangers; the narrow pitch of the tubes and the elimination of the water boxes makes it possible to considerably reduce the dimensions of the exchanger for the same thermal performance; finally, the heat exchanger described can be constructed in such a way that all its parts can then feel emptied.