CH633879A5 - Echangeur de chaleur comprenant un dispositif d'accouplement. - Google Patents

Description

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REVENDICATIONS

■ Echat. icur de chaleur, comprenant un dispositif d'accouplement entre les différentes sections de réchangeur, caractérisé en ce qu'il comprend deux passages d'air formés dans des organes (24,28) en matériau en feuille, les organes étant adjacents l'un à l'autre et soumis à la dilatation thermique, un élément d'étanchéité métallique annulaire en U (40; 50) situé entre deux organes (24,28), et des moyens de fixation (42,52) des extrémités de l'élément d'étanchéité de manière étanche par rapport aux bords adjacents des deux organes.

2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier organe (28) comprend une plaque terminale d'une section de l'échangeur de chaleur délimitant un collecteur d'air ( 12a, 12b), en ce que le second organe (24) consiste en une conduite d'air de connexion au collecteur ( 12a, 12b) et en ce que l'élément en U (40) s'étend autour des ouvertures correspondantes dans la conduite (24,24a, 24b) et la plaque (28) d'échangeur de chaleur et est soudé à la conduite et à la plaque.

3. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une bride (32) attaché à la conduite (24) et des pattes d'attache (38) montées autour de la circonférence de la bride (32) et fixées à la plaque (28) d'échangeur de chaleur pour assurer la fixation de la bride (32) sur la plaque (28).

4. Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les pattes d'attache (38) ont une forme en T et la bride (32) est pourvue de fentes radiales pour engager la base des pattes d'attache (38) entre la plaque (28) et la partie des pattes d'attache éloignées de la plaque, les fentes ayant une forme qui permet de compenser le mouvement radial de la bride (32) par rapport aux pattes d'attache (38).

5. Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bride (32) comprend une partie principale coudée par rapport à la conduite (24) et fixée à celle-ci à une extrémité de la partie majeure, et comprend une partie de base s'étendant vers l'extérieur et parallèle à la plaque (28) et présentant les fentes radiales.

6. Echangeur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une pluralité de sections (10', 10") espacées les unes des autres et ayant des parties de collecteurs d'air (12', 12") alignées de chaque côté opposé, plusieurs éléments d'étanchéité en U (50) s'étendant entre les sections (10', 10") adjacentes et entourant les parties de collecteurs (12', 12"), chaque élément d'étanchéité étant fixé à des plaques terminales (28) des sections adjacentes (10', 10").

7. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux organes comprennent des plaques adjacentes terminales (28) des sections ( 10', 10" ) de l'échangeur de chaleur, les côtés opposés de l'élément en U (50) étant attachées respectivement aux plaques terminales (28) autour des ouvertures des collecteurs ( 12', 12").

8. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le côté ouvert de l'élément en U (50) regarde radialement vers l'intérieur.

9. Echangeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les extrémités de l'élément en U (50) sont fixées par soudage aux plaques terminales (28) des sections adjacentes (10', 10").

10. Echangeur selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une conduite d'air (24) reliant l'entrée du collecteur ( 12a) à une plaque terminale (28), un élément en U (40) assurant l'étanchéité entre la conduite d'air (24) et la plaque terminale adjacente (28) autour de l'ouverture (12a) de collecteur, et comprenant de plus une bride (32) attaché à la conduite (24) et plusieurs pattes d'attache (38) montées autour de la circonférence de la bride (32) et fixées à

la plaque terminale (28) pour fixer la bride (32) à la plaque (28).

11. Procédé de fabrication de l'échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par l'assemblage du collecteur d'une section d'un échangeur de chaleur (10) à un passage d'air adjacent, cette section (10a) et ce passage adjacent étant soumis à des différences de températures, comprenant les étapes de fixation d'un élément d'étanchéité flexible (40) sur la section de l'échangeur de chaleur et le passage, respectivement, de fixation d'une bride annulaire ( 40 ) au passage sur un côté de l'élément d'étanchéité (28) et d'assujettissement de la bride (32) par coulissement à la section ( 10a) de l'échangeur de chaleur du côté opposé de l'élément d'étanchéité (40).

12. Procédé selon la revendication 11,1a bride (32) comprenant des fentes radiales, caractérisé en ce que l'on fixe plusieurs pattes d'attache (38) montées respectivement dans les fentes sur une plaque terminale (28) d'une section (10).

Des échangeurs de chaleur sont utilisés avec de grandes turbines à gaz de manière à améliorer leur rendement et leur performance tout en réduisant les coûts de fonctionnement. Les échangeurs de chaleur du type, dont il est question dans l'exposé qui suit, sont parfois appelés des récupérateurs ou régénérateurs. Une application particulière de telles unités se fait conjointement avec les turbines à gaz utilisées pour l'entraînement des compresseurs dans les de gazoducs.

Plusieurs centaines de turbines à gaz avec régénération ont été instalées au cours des vingt dernières années. La plupart des régénérateurs dans ces unités étaient limités par leur température de fonctionnement et ne pouvaient dépasser 540°C en vertu des matériaux employés pour leur fabrication. De tels régénérateurs sont du type à plaques et ailettes conçu pour un fonctionnement continu. Cependant les hausses, des prix des carburants de ces dernières années ont vendu nécessaire d'atteindre un rendement thermique élevé, et les nouvelles méthodes de fonctionnement nécessitent un régénérateur qui fonctionne avec un meilleur rendement à des températures plus élevées et pouvant supporter des milliers de cycles de démarrage et d'arrêt sans fuite et sans frais d'entretien élevés. Un régénérateur à plaques et ailettes en acier inox a été développé pour supporter des températures de 590°C à 650°C dans des conditions de fonctionnement comprenant des cycles répétés et ininterrompus de démarrage et d'arrêt.

La conception à ailettes utilisée antérieurement produisait des forces non équilibrées importantes dans des zones de pression internes, généralement dépassant 450 000 kg dans un régénérateur de dimensions appropriées. Ces forces déséquilibrées tendant à casser en deux la structure du régénérateur sont reprises par un bâti externe sous forme d'une carcasse renforcée. Par contraste, la conception moderne soudée électriquement équilibre les forces de pression internes et il n'est plus nécessaire d'avoir une carcasse renforcée qui est donc éliminée.

Les échangeurs de chaleur du type dont il est question ici sont décrits dans un article de K.O. Parker intitulé «Plate Regenerator Boosts Thermal and Cycling Efficiency» (le régénérateur à plaque augmente le rendement thermique et cyclique), publié dans The Oil & Gas Journal du 11 avril 1977.

Plusieurs arrangements sont connus dans l'art antérieur pour permettre différents degrés de dilatation thermique entre des éléments adjacents qui doivent être isolés ou joints. Le brevet Bevino 3.398.787 décrit un joint de dilatation pour un échangeur de chaleur du type à coquille et tube pour absorber le déplacement d'un tube par rapport à la coquille,

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déplacement dû aux différences de température entre le fluide dans les tubes et le fluide dans la coquille entourant les tubes. Le modérateur de températures du brevet Bailey 2.416.674 incorpore des anneaux d'étanchéité en U entre les tubes internes et les tubes externes pour permettre la dilatation ou la contraction thermique due aux changements de températures. Le brevet Ticknor 3.547.202 décrit un assemblage comprenant des soufflets et une pluralité d'éléments crochets pour supporter une paire de tubes coaxiaux l'un par rapport à l'autre, ces tubes étant soumis à différentes températures de gaz dans un récupérateur de gaz de fumée d'échappement. Le brevet Chartet 3.960.210 décrit un repli en U connecté par des oreilles aux brides d'un échangeur de chaleur pendant la phase d'assemblage en préparation du bra-sage du noyau. J.W. Brown, Jr. dans le brevet 3.078.919 décrit un récupérateur ayant des dispositifs de retenue en T mobiles dans des fentes longitudinales pour procurer un support par coulissement aux différents éléments de structure ayant des températures de fonctionnement différentes. Le brevet italien 311.249, le brevet suédois 178.363 et le brevet britannique 1.454.260 montrent diverses configurations de joints et d'assemblages flexibles pour des corps sous pression et à variation thermique. Cependant, aucun des arrangements décrits n'incorpore une structure combinée d'assemblage et d'étanchéité pour l'accouplement d'une conduite à la plaque du noyau d'un échangeur de chaleur du type ci-décrit, ni un joint en U monté entre des sections adjacentes d'un échangeur de chaleur à structure multiple.

Le problème à résoudre est le suivant: Puisque la carcasse renforcée est éliminée suite à l'équilibrage des forces de pression internes, les changements de dimensions de toute l'unité dus à la dilatation et à la contraction thermique deviennent importants. La dilatation thermique doit être absorbée et le problème est amplifié par le fait que le régénérateur doit supporter dans sa vie des milliers de cycles de chauffage et refroidissement avec le mode actuel de fonctionnement du moteur associé à la turbine à gaz qui est démarré et arrêté de manière répétée.

La limitation des hautes températures extrêmes au dessus de 540°C appliquée au régénérateur actuel et l'isolation thermique et dimensionnelle du régénérateur séparé de l'enveloppe et de la structure de support associées pour réduire ainsi au minimum les matériaux les plus chers et maintenir les coûts des échangeurs de chaleur de conception moderne comparables à ceux des échangeurs de chaleur du type à plaque utilisés antérieurement, ont conduit vers divers montages, accouplements et dispositions du support qui, ensemble, rendent possible l'incorporation d'un noyau de régénérateur soudé électriquement dans un échangeur de chaleur pratique du type décrit.

L'échangeur de chaleur selon l'invention est défini par la revendication 1.

L'on comprendra mieux la présente invention en considérant à titre d'exemple la description détaillée suivant conjointement avec les dessins annexés dans lesquels:

Fig. 1 est une vue en perspective d'une section de l'échangeur de chaleur dans laquelle la présente invention est utilisée.

Fig. 2 est une vue partielle en perspective d'un éclatement d'un module d'échangeur de chaleur comprenant plusieurs des sections de la fîg. 1.

Fig. 3 est une vue partielle d'une coupe d'une partie du module de la fi g. 2 illustrant le dispositif de retenue de la bride de conduite.

Fig. 4 est une vue en coupe d'une partie du dispositif de la fig. 3, prise d'après la ligne 4-4.

Fig. 5 est une vue en coupe d'après la ligne 5-5 de la fig. 3.

Fig. 6 est une vue, partiellement ouverte, d'une partie du module de la fig. 2 illustrant un joint.

Fig. 7 est une vue en coupe d'après la ligne 7-7 de la fig. 6.

La fig. 1 illustre une section de régénérateur brasé comme ceux qui sont utilisés dans les échangeurs de chaleur du type décrits ci-dessus. L'unité 10 de la fig. 1 n'est autre qu'une section parmi une pluralité de sections (par exemple six) conçues pour être assemblées en un module tel que le module 20 de la fig. 2. Come le montre la fig. 1, la section 10 comprend une pluralité de plaques formées intercalées avec des ailettes qui servent à diriger l'air et les gaz d'échappement dans des passages à débit transversal adjacents pour obtenir un transfert de chaleur maximum. Lorsque'elles sont assemblées et bra-sées pour former une unité intégrale, les plaques formées forment les passages collecteurs respectifs 12a et 12b de chaque côté opposé de la partie centrale d'échange de chaleur à contre-courant 14. Comme cela est indiqué par les flèches respectives dans la fig. 1, les gaz d'échappement chauds provenant d'une turbine associée entrent du côté rapproché de la section 10, s'écoule autour du passage collecteur 12b, puis à travers les passages d'écoulement de gaz dans la partie centrale 14 et sortent de la section 10 par le côté éloigné de la fig. 1, s'écoulant autour du collecteur 12a. En même temps, de l'air comprimé du compresseur entraîné par la turbine associée entre dans la section d'échangeur de chaleur à travers le collecteur 12a, s'écoule à travers les passages d'écoulement d'air internes connectés aux collecteurs 12a, 12b par l'intermédiaire de la partie centrale d'échange de chaleur 14 et sort par le collecteur 12b. Dans le procédé, les gaz d'échappement cèdent de la chaleur à l'air comprimé qui alimente la turbine associée, améliorant ainsi considérablement le rendement du fonctionnement de la turbine.

L'illustration de la fig. 2 montre six de ces sections 10 assemblées pour former un module d'échangeur de chaleur 20. Ces modules peuvent à leur tour être mis en parallèle pour satisfaire les besoins des turbines à gaz de dimensions et de puissances d'une gamme très étendue. De tels arrangements assurent la régénération de turbines à gaz de puissances allant de 5000 à 100.000 ch.

Dans le fonctionnement d'une installation typique utilisant un régénérateur du type ci-décrit, de l'air ambiant entre à travers un filtre d'entrée et est comprimé à 7 à 11 kg/cm2 atteignant une température de 260-315°C dans la section compresseur de la turbine à gaz. Il est ensuite conduit vers le régénérateur, entrant par la bride 22a (fig. 2) et la conduite d'entrée 24a. Dans le module régénérateur 20, de l'air est chauffé à environ 480°C. L'air chauffé est ensuite renvoyé à travers la conduite de sortie 24b et la bride de sortie 22b à la chambre de combustion de la turbine. Les gaz d'échappement de la turbine peuvent être à 590°C environ et essentiellement à la pression atmosphérique. Ces gaz passent à travers le régénérateur 20 comme indiqué par les flèches où la chaleur perdue de l'échappement est transférée pour chauffer l'air, come cela a été décrit. La température des gaz d'échappement tombe à environ 315°C en passant à travers le régénérateur 20 puis ils sont refoulés à l'atmosphère à travers une cheminée d'échappement. En effet, la chaleur qui serait autrement perdue est transférée à l'air, réduisant ainsi la quantité de carburant qui doit être consommé pour faire fonctionner la turbine. Pour une turbine de 30.000 ch., le régénérateur chauffe 5 millions de kg d'air par jour.

Le régénérateur est conçu pour fonctionner pendant 120.000 heures et 5000 cycles sans réparations soit une vie de 15 à 20 années pour un fonctionnement normal. Pour ceci il est nécessaire que l'équipement soit capable de fonctionner aux températures des gaz d'échappement de la turbine à gaz, soit 590°C, et de démarrer aussi vite que la turbine à gaz asso-

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ciée de sorte qu'il n'y ait pas de perte de carburant pour amener l'installation aux températures stabilicées de fonctionnement. L'utilisation des fines plaques des ailettes et d'autres composants constituant les sections brasées du régénérateur contribuent à cette capacité. Cependant, il faut dire, qu'à cause de la plage de températures de fonctionnement élevées et des grandes dimensions des unités d'échangeurs de chaleur, la dilatation thermique est tridimenssionnelle. Par exemple, les dimensions du module illustré dans la fig. 2 étaient, dans un cas, de 52 m de largeur, 3,6 m de longueur (sens d'écoulement des gaz) et 2,3 m de hauteur. La section illustrée par la fig. 1 est environ de 0,6 m en largeur (la dimension minimum). La construction du module 20 avec une pluralité de sections 10 permet de limiter la dilatation thermique cumulative des parties de collecteurs dans le sens de la largeur.

Une seule section 10 se dilate dans les trois dimensions lorsqu'elle est chauffée. Ces changements de dimension doivent être absorbés par rapport à la structure rigide 26. Là où les sections sont jointes les unes aux autres, des joints étanches sont requis pour les passages d'air qui, comme cela est illustré, sont transversaux par rapport aux plaques.

Les fig. 3-5 illustrent des dispositifs particuliers pour l'accouplement entre les conduites 24a, 24b (fig. 2) et la plaque terminale 28 de la section 10a. Des dispositifs semblables sont utilisés pour l'accouplement des conduites borgnes du côté opposé du module 20 qui sont pourvues de couvercles d'orifices d'accès à un homme pour permettre l'inspection et l'entretien.

Dans les fig. 3-5, une conduite 24 est pourvue d'une bride 32 qui est fixée, par soudage ou brasage, en 34. Sur la face périphérique de la bride 32, se trouvent une pluralité de fentes alignées radialement qui permettent l'engagement de la bride par des pattes d'attache en T, 38, soudées à la plaque terminale de l'échangeur de chaleur 28. Associé à cet accouplement, comme le montre la fig. 4, est prévu un joint en U 40 qui est fixé, par soudage, en 42 à l'extrémité adjacente de la conduite 24 et au bord de la plaque terminale 28 de l'échangeur de chaleur qui delimite l'ouverture du collecteur 12. Le joint d'étanchéité 40 est un diaphragme circonférentiel en U s'étendant tout autour du passage d'air comprenant la jonction de la conduite 24 et du collecteur 12 et sert à assurer un joint étanche aux fluides au niveau de cette jonction. Le joint 40 de la fig. 4 permet une variation relative en dimension entre les portions qu'il relie - l'extrémité de la conduite 24 et la partie collectrice de la plaque terminale 28 - éliminant ainsi les défaillances de structure qui résulteraient d'une connexion rigide. En même temps, les moyens d'attache consistant en les pattes d'attache 38 et la bride de conduite 32 permettent un mouvement relatif dans le sens radial dû aux différences de dilatation thermique entre la conduite 24 et la plaque terminale 28 tout en servant à transmettre la charge en bout et la charge de couple entre la conduite et la plaque terminale. Il est à noter d'après la fig. 2 que les conduites 24 sont pourvues de soufflets 25 pour absorber la dilatation thermique relative du noyau par rapport à l'enveloppe extérieure et pour limiter les forces des conduites agissant sur le module. Ceci permet d'avoir un accouplement rigide aux brides de conduites 22.

Comme indiqué à la fig. 5, le dessous de la patte d'attache en T 38 est espacée légèrement à l'écart des surfaces adjacentes de la bride 32. Cet espacement peut être de 0,05 à 0,08 mm et il est suffisant pour absorber le déplacement radial de la bride 32 par rapport à la plaque terminale 28 et transmettre les forces axiales entre la conduite et le module.

Les fig. 6 et 7 illustrent l'utilisation d'un élément d'étanchéité 50 placé entre les parties des collecteurs des sections adjacentes de l'échangeur de chaleur. Dans la fig. 6 les sections sont désignées par 10' et 10". Le joint 50, un diaphragme circonférentiel en U, de préférence en acier inox semblable au joint 40 de la fig. 4 est fixé, par soudage, à leurs extrémités sur les plaques terminales des sections 10', 10" aux pourtours des parties terminales des collecteurs respectifs 12', 12". Des disques de renforcement 52 font partie de la soudure de connexion. Ce sont des membres circonférentiels situés autour de l'ouverture du collecteur dans la vessie de joint 50. La fig. 7 montre aussi en détail des parties des plaques internes 54 ayant des ouvertures délimitant le collecteur 12 avec des membres de renforcement extérieurs 56 qui renforcent les soudures au laiton des plaques autour de l'ouverture du collecteur. Des barres d'espacement 58 (Fig. 6) sont brasées (soudées au laiton) entre des sections adjacentes 12', 12" sauf aux extrémités de l'échangeur de chaleur où sont situés les collecteurs. Ces barres 58 servent à attacher les sections adjacentes ensemble pour assurer l'uniformité de la dilatation latérale dans toutes les sections constituant un module. Cependant, les collecteurs de l'échange de chaleur ne sont pas telement contraintes et donc, par fléxion, les collecteurs peuvent subir une dilatation thermique axiale qui est limitée à une seule section et pas transmise à la suivante. A cause des différences de température de certaines parties des collecteurs par rapport au reste, en particulier pendant les phases de transition lors du mémarrage et l'arrêt de l'installation, les différences de dilatation thermique produiraient une distortion importante du module si ce dernier n'était pas divisé en sections. De telles différences de dilatation thermique axiale des parties des collecteurs sont compensées par les joints 50 qui sont soudés entre les sections adjacentes. Le joint 50 a la même fonction que celle décrite pour le joint 40 de la fig. 4; il permet un mouvement relatif axial ou longitudinal entre les plaques terminales adjacentes des sections du noyau 10', 10" tout en assurant un joint étanche à la pression d'une partie de collecteur 12' à la suivante 12". Cependant, le but spécifique est différent puisque le besoin d'avoir un joint expansible à cet endroit est de pouvoir constituer le module 20 (fig. 2) d'une série de sections individuelles telles que la section 10 de la fig. 1. En découpant le module de cette façon, le degré de dilatation thermique cumulative dans la grande dimension du module est limité et maintenu dans des limites tolérables. Ainsi, une dilatation du collecteur du module 12', n'est pas transmise à la section de collecteur 12" (et vice versa) mais est absorbée par le joint flexible en U 50 entre les parties de collecteur des sections.

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