EP0086162B1 - Echangeur thermique à faisceau tubulaire métallique pour hautes températures - Google Patents

Echangeur thermique à faisceau tubulaire métallique pour hautes températures Download PDF

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EP0086162B1
EP0086162B1 EP19830400271 EP83400271A EP0086162B1 EP 0086162 B1 EP0086162 B1 EP 0086162B1 EP 19830400271 EP19830400271 EP 19830400271 EP 83400271 A EP83400271 A EP 83400271A EP 0086162 B1 EP0086162 B1 EP 0086162B1
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gas
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pipes
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Paul Landet
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Creusot Loire SA
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Creusot Loire SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • 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
    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide 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
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • 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
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F28D7/0083—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to a supplementary heat exchange medium, e.g. with interleaved units or with adjacent units arranged in common flow of supplementary heat exchange medium
    • F28D7/0091—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to a supplementary heat exchange medium, e.g. with interleaved units or with adjacent units arranged in common flow of supplementary heat exchange medium the supplementary medium flowing in series through the units
    • 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
    • F28D7/1607—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 with particular pattern of flow of the heat exchange media, e.g. change of flow direction
    • 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 comprising an enclosure provided with an inlet and an outlet for a gas and in which are housed metal tubes which channel hot gas and the ends of which terminate in tubular plates which close said enclosure where internal partitions are housed which force the gas to flow alternately at the center and at the periphery of the enclosure.
  • Patent FR-A-2 183 613 discloses an exchanger of the above type. This exchanger has only one inlet and one outlet for fluid located respectively near the tube plates, the fluid flowing in one direction, from the inlet to the outlet.
  • the object of the present invention is to provide a gas-gas heat exchanger in which the circulation of the gas to be heated is such that there is a cooling of the tubular plates and a symmetrical evolution of the temperatures from the tubular plates towards the central outlet. gas to be heated as well as a uniform circumferential distribution of temperatures in any plane perpendicular to the axis of the exchanger. This results in the implementation of thin tubular plates, limited thermal stresses and the use of steels with little or no refractory.
  • This exchanger is provided with several outlets making it possible to take the gas heated at different temperatures.
  • the exchanger is characterized by the fact that it includes a set of inlet pipes situated near each tube plate and a set of outlet pipes located between said sets of inlet pipes so that there are two streams of fluid flowing in opposite directions.
  • the exchanger has intermediate outlets making it possible to draw gas between the inlet pipes and the outlet pipes.
  • each tubular plate is joined to the rest of the enclosure by a bellows expansion compensator.
  • At least one partition is held a deflector having a shape of revolution and which deflects the gas to be heated.
  • the exchanger according to the invention is in particular intended for the recovery at high temperature of the heat of the combustion fumes of ovens and of gasifiers to allow the heating of combustion or drying air.
  • the single figure is a longitudinal section of the exchanger according to the invention.
  • the exchanger according to the invention comprises a plurality of metal tubes 1 which extend parallel to the longitudinal axis 11 of the exchanger.
  • the ends of these tubes end on tubular plates 21 and 22 to which they are welded.
  • Sleeves are mounted at the ends of the tubes to protect the welds.
  • the tubular plates 21 and 22 form part of a closed enclosure 2 in which is housed the bundle of tubes 1.
  • a current of hot gas or hot smoke is brought by a conduit 31 to the entrances of the tubes flush with the upstream tubular plate 21.
  • the outlets of the tubes flush with the downstream tubular plate 22 open into a conduit 32 which channels the gas at the outlet of the exchanger to evacuate it.
  • the enclosure is composed of ferrules 25, 26, 27 welded together so as to form a conduit or a chamber closed at its ends by the tubular plates 21 and 22.
  • Each tubular plate 21 or 22 is joined to the ferrule 25 or 26 of the enclosure by means of a bellows expansion compensator 23 or 24.
  • the enclosure 2 comprises, near the upstream tubular plate 21, a first set of inlet pipes 41 which are mounted laterally and open inside by inlet ports 411. It also comprises near the downstream tubular plate 22, a second set of inlet pipes 42 which are mounted laterally and which open inside by inlet openings 421. These inlet pipes 41 and 42 serve to introduce a second stream of gas into the enclosure. intended to be heated by convection. Between the sets of inlet pipes, in the middle part, the enclosure comprises a set of outlet pipes 43 which are mounted laterally and open out through orifices 431. Between each set of inlet pipes 41 or 42 and the set of outlet pipes 43, the enclosure comprises a set of intermediate pipes 44 and 45 which are mounted laterally and which open inside through orifices 441 and 451. These intermediate pipes allow the heated gas to be taken at intermediate temperatures.
  • each set has three tubes arranged at 120 ° from one another.
  • Partitions 51 and 52 are mounted inside the enclosure, perpendicular to the tubes which pass through them.
  • Each partition marked 51 provides a central opening and has the shape of a flat ring crossed by a part of the bundle tubes.
  • Each partition marked 52 provides an annular opening with the enclosure for the passage of gas.
  • the partitions 51 and 52 are arranged alternately so as to form baffles for the flow of gas which passes alternately through the central openings of the partitions 51 and through the peripheral annular openings formed by the partitions 52.
  • Each extreme partition 51 with central opening line is located closer to the nearest tube plate 21 than the inlet pipes 31.
  • This partition is secured to a deflector 53 which is fixed to the enclosure 2 beyond the inlet pipes 41.
  • This deflector forms an annular space into which open the orifices 411. This space is open towards the tube plate 21 so as to divert the gas flow towards the space between the partition 51 and said tube plate.
  • One of the partitions 52 providing an annular opening for the gas is joined to a flange 54 of flared shape, in the direction of flow of the gas, and which is fixed inside the enclosure.
  • This collar forms an annular chamber into which the lateral orifices 441 of the intermediate tubes 44 open.
  • This collar is provided with lateral orifices 541 which allow the passage of gas towards the outlet tubes 43.
  • partitions are integral with ferrules of revolution such as the deflectors 53 or 54, these ferrules, welded to the enclosure, allowing the expansions.
  • Other partitions are held by fasteners allowing radial expansions.
  • the tubes pass with clearance in the partitions 51 and 52.
  • the tube bundle is not supported by the tubular plates but it is supported by the partitions 51 and 52 which are vertical.
  • the conduits 31 and 32 are insulated by a layer of insulation.
  • the exchanger is also insulated by an insulating layer 4 enveloping it externally.
  • the enclosure 2 can be protected internally, in its middle part, by an insulating sleeve of metallic or refractory insulation 5 fixed on the internal wall.
  • the high temperature gas which arrives on the upstream tube plate 21 enters the tubes 1 where it circulates in the direction of the arrows. It leaves the tubes 1 to be evacuated through the conduit 32.
  • the relatively cold gas that one seeks to heat is brought into the enclosure by the inlet pipes 41 and 42. It circulates around the tubes 1 in two opposite streams (shown by the arrows). Each current flows in a zigzag, from the tubular plate towards the middle of the exchanger, passing alternately through the central openings formed in the partitions 51 and through the peripheral openings formed by the partitions 52. After reheating in contact with the tubes 1, the hot gas is evacuated through the outlet pipes 43. In the process, gas at intermediate temperature is taken off through the intermediate pipes 44 and 45.
  • the two tubular plates 21 and 22 are, on the inside, in contact with the cold gas and the expansions are effected symmetrically from the median plane passing through the axes of the outlet pipes.

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Description

  • La présente invention se rapporte à un échangeur thermique comportant une enceinte pourvue d'une entrée et d'une sortie pour un gaz et dans laquelle sont logés des tubes métalliques qui canalisent un gaz chaud et dont les extrémités se terminent dans des plaques tubulaires qui ferment ladite enceinte où sont logées des cloisons internes qui obligent le gaz à circuler alternativement au centre et à la périphérie de l'enceinte.
  • On connaît par le brevet FR-A-2 183 613 un échangeur du type précédent. Cet échangeur ne comporte qu'une entrée et qu'une sortie de fluide situées respectivement près des plaques tubulaires, le fluide s'écoulant selon un seul sens, de l'entrée à la sortie.
  • La présente invention a pour but de fournir un échangeur de chaleur gaz-gaz dans lequel la circulation du gaz à réchauffer est telle qu'il y ait un refroidissement des plaques tubulaires et une évolution symétrique des températures en partant des plaques tubulaires vers la sortie centrale du gaz à réchauffer ainsi qu'une répartition circonférentielle uniforme des températures dans tout plan perpendiculaire à l'axe de l'échangeur. Ceci se traduit par la mise en œuvre de plaques tubulaires de faibles épaisseurs, des contraintes thermiques limitées et l'utilisation d'aciers pas ou peu réfractaires. Cet échangeur est pourvu de plusieurs sorties permettant de prélever le gaz réchauffé à différentes températures.
  • L'échangeur est caractérisé par le fait qu'il comporte un jeu de tubulures d'entrée située près de chaque plaque tubulaire et un jeu de tubulures de sortie situé entre lesdits jeux de tubulures d'entrée de manière qu'il y ait deux courants de fluide s'écoulant en sens opposés.
  • Selon une caractéristique, l'échangeur comporte des sorties intermédiaires permettant de prélever du gaz entre les tubulures d'entrée et les tubulures de sortie.
  • Selon une autre caractéristique, chaque plaque tubulaire est réunie au reste de l'enceinte par un compensateur de dilatation à soufflet.
  • Selon une caractéristique, au moins une cloison est tenue un déflecteur ayant une forme de révolution et qui dévie le gaz à réchauffer.
  • L'échangeur selon l'invention est notamment destiné à la récupération à haute température de la chaleur des fumées de combustion des fours et des gazogènes pour permettre le réchauffage d'air de combustion ou de séchage.
  • L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés.
  • La figure unique est une coupe longitudinale de l'échangeur selon l'invention.
  • L'échangeur selon l'invention comporte une pluralité de tubes métalliques 1 qui s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal 11 de l'échangeur. Les extrémités de ces tubes se terminent sur des plaques tubulaires 21 et 22 auxquelles ils sont soudés. Des manchons sont montés aux extrémités des tubes pour protéger les soudures.
  • Les plaques tubulaires 21 et 22 font partie d'une enceinte fermée 2 dans laquelle est logé le faisceau de tubes 1. Un courant de gaz chaud ou de fumées chaudes est amené par un conduit 31 jusqu'aux entrées des tubes affleurant la plaque tubulaire amont 21. Les sorties des tubes affleurant la plaque tubulaire aval 22 débouchent dans un conduit 32 qui canalise le gaz à la sortie de l'échangeur pour l'évacuer.
  • L'enceinte est composée de viroles 25, 26, 27 soudés entre elles de manière à former un conduit ou une chambre fermée à ses extrémités par les plaques tubulaires 21 et 22. Chaque plaque tubulaire 21 ou 22 est réunie à la virole 25 ou 26 de l'enceinte par l'intermédiaire d'un compensateur de dilatation à soufflet 23 ou 24.
  • L'enceinte 2 comporte près de la plaque tubulaire amont 21, un premier jeu de tubulures d'entrée 41 qui sont montées latéralement et débouchent à l'intérieur par des orifices d'entrée 411. Elle comporte par ailleurs près de la plaque tubulaire aval 22, un second jeu de tubulures d'entrée 42 qui sont montées latéralement et qui débouchent à l'intérieur par des orifices d'entrée 421. Ces tubulures d'entrée 41 et 42 servent à introduire dans l'enceinte un second courant de gaz destiné à être réchauffé par convection. Entre les jeux de tubulures d'entrée, en partie médiane, l'enceinte comporte un jeu de tubulures de sortie 43 qui sont montées latéralement et débouchent par des orifices 431. Entre chaque jeu de tubulures d'entrée 41 ou 42 et le jeu de tubulures de sortie 43, l'enceinte comporte un jeu de tubulures intermédiaire 44 et 45 qui sont montées latéralement et qui débouchent à l'intérieur par des orifices 441 et 451. Ces tubulures intermédiaires permettent de prélever le gaz réchauffé, à des températures intermédiaires.
  • Les tubulures d'un même jeu, par exemple les tubulures 41, sont situées dans un même plan. La disposition rayonnante d'un jeu de tubulures permet une bonne répartition lors de l'introduction ou du prélèvement du gaz à réchauffer. Par exemple chaque jeu comporte trois tubulures disposées à 120° l'une de l'autre.
  • Des cloisons 51 et 52 sont montées à l'intérieur de l'enceinte, perpendiculairement aux tubes qui les traversent. Chaque cloison repérée 51 ménage une ouverture centrale et a la forme d'un anneau plan traversé par une partie des tubes du faisceau. Chaque cloison repérée 52 ménage avec l'enceinte une ouverture annulaire pour le passage du gaz. Les cloisons 51 et 52 sont rangées en alternance de manière à former des chicanes pour l'écoulement du gaz qui passe alternativement par les ouvertures centrales des cloisons 51 et par les ouvertures annulaires périphériques ménagées par les cloisons 52.
  • Chaque cloison extrême 51 à ouverture cen- traie est située plus près de la plaque tubulaire 21 la plus proche que les tubulures d'entrées 31. Cette cloison est solidaire d'un déflecteur 53 qui est fixé à l'enceinte 2 au-delà des tubulures d'entrées 41. Ce déflecteur forme un espace annulaire dans lequel débouchent les orifices 411. Cet espace est ouvert vers la plaque tubulaire 21 de manière à dévier le courant de gaz vers l'espace compris entre la cloison 51 et ladite plaque tubulaire.
  • Une des cloisons 52 ménageant une ouverture annulaire pour le gaz est réunie à une collerette 54 de forme évasée, dans le sens d'écoulement du gaz, et qui est fixée à l'intérieur de l'enceinte. Cette collerette forme une chambre annulaire dans laquelle débouchent les orifices latéraux 441 des tubulures intermédiaires 44. Cette collerette est pourvue d'orifices latéraux 541 qui permettent le passage du gaz vers les tubulures de sortie 43.
  • Certaines des cloisons sont solidaires de viroles de révolution telles que les déflecteurs 53 ou 54, ces viroles, soudées à l'enceinte, permettant les dilatations. D'autres cloisons sont tenues par des attaches permettant les dilatations radiales.
  • Les tubes passent avec jeu dans les cloisons 51 et 52. Le faisceau tubulaire n'est pas supporté par les plaques tubulaires mais il est supporté par les cloisons 51 et 52 qui sont verticales.
  • Les conduits 31 et 32 sont isolés par une couche d'isolant. L'échangeur est également calorifugé par une couche d'isolant 4 l'enveloppant extérieurement. L'enceinte 2 peut être protégée intérieurement, dans sa partie médiane, par un manchon isolant de calorifuge métallique ou réfractaire 5 fixé sur la paroi interne.
  • Le fonctionnement de l'échangeur va maintenant être expliqué.
  • Le gaz à haute température qui arrive sur la plaque tubulaire amont 21 pénètre dans les tubes 1 où il circule suivant le sens des flèches. Il sort des tubes 1 pour être évacué par le conduit 32. Le gaz relativement froid que l'on cherche à réchauffer est amené dans l'enceinte par les tubulures d'entrée 41 et 42. Il circule autour des tubes 1 en deux courants opposés (figurés par les flèches). Chaque courant circule en zigzag, de la plaque tubulaire vers le milieu de l'échangeur, en passant alternativement par les ouvertures centrales ménagées dans les cloisons 51 et par les ouvertures périphériques ménagées par les cloisons 52. Après réchauffage au contact des tubes 1, le gaz chaud est évacué par les tubulures de sortie 43. Au passage, du gaz à température intermédiaire est prélevé par les tubulures intermédiaires 44 et 45.
  • Les deux plaques tubulaires 21 et 22 sont, du côté intérieur, au contact du gaz froid et les dilatations s'effectuent symétriquement à partir du plan médian passant par les axes des tubulures de sorties.

Claims (4)

1. Echangeur thermique comportant une enceinte (2) pourvue d'une entrée (41) et d'une sortie (43) pour un gaz et dans laquelle sont logés des tubes (1) métalliques canalisant un gaz chaud et dont les extrémités se terminent dans des plaques tubulaires (21, 22) qui ferment ladite enceinte (2) où sont logées des cloisons internes (51, 52) obligeant le gaz à circuler alternativement au centre et à la périphérie de l'enceinte, caractérisé par le fait qu'il comporte un jeu de tubulures d'entrée (41, 42) situé près de chaque plaque tubulaire (21, 22) et un jeu de tubulures de sortie (43) situé entre lesdits jeux de tubulures d'entrée de manière qu'il y ait deux courants de gaz s'écoulant en sens opposés.
2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte des sorties intermédiaires (45) permettant de prélever le gaz entre les tubulures d'entrée (41, 42) et les tubulures de sortie (43).
3. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que chaque plaque tubulaire (21, 22) est réunie au reste de l'enceinte (2) par un compensateur de dilatation à soufflet (23, 24).
4. Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'au moins une cloison (51, 52) est tenue à un déflecteur (53, 54) ayant une forme de révolution et qui dévie le gaz.
EP19830400271 1982-02-08 1983-02-08 Echangeur thermique à faisceau tubulaire métallique pour hautes températures Expired EP0086162B1 (fr)

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FR8201959 1982-02-08

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EP0086162A1 EP0086162A1 (fr) 1983-08-17
EP0086162B1 true EP0086162B1 (fr) 1985-08-28

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FR2521275B1 (fr) 1984-06-01
DE3360632D1 (en) 1985-10-03
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