EP0232527A1 - Dispositif de contrôle de débit dans un tube d'échangeur de chaleur - Google Patents

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EP0232527A1
EP0232527A1 EP86117624A EP86117624A EP0232527A1 EP 0232527 A1 EP0232527 A1 EP 0232527A1 EP 86117624 A EP86117624 A EP 86117624A EP 86117624 A EP86117624 A EP 86117624A EP 0232527 A1 EP0232527 A1 EP 0232527A1
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EP
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insert
tube
downstream
disc
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Jean Andro
Jacques Marjollet
Francois Carpentier
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Stein Industrie SA
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    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/0282—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by varying the geometry of conduit ends, e.g. by using inserts or attachments for modifying the pattern of flow at the conduit inlet or outlet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/10—Water tubes; Accessories therefor
    • F22B37/18—Inserts, e.g. for receiving deposits from water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
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    • F22B37/70—Arrangements for distributing water into water tubes
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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
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
    • F28F19/002—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using inserts or attachments

Definitions

  • the present invention relates to a device for controlling the flow in a heat exchanger tube traversed by a vapor, comprising an insert fixed by expansion in a region of the end of the exchanger tube or the orifice of the tube plate corresponding to this tube, and a disc with calibrated orifice, made of metal resistant to erosion-corrosion, fixed inside the insert downstream with respect to the zone expanded in the direction of flow of the fluid, the insert extending downstream of the calibrated orifice disc over a considerable length.
  • Such devices are used in particular to control the distribution of the flow between the tubes of a tube bundle of heat exchange, when it is desired to pass in some of the tubes a flow less than in other tubes, the amount of heat transferred through the first tubes to be less than through the others depending on the flow rate or the temperature of the fluid passing in contact with the external surface of the tubes.
  • This case arises in particular in heat exchangers in which steam of heating water under high pressure circulates in a tubular bundle in several successive passes, in exchange for heat with a fluid first relatively cold, then partially reheated .
  • the metal of the insert must have specific characteristics allowing easy expansion in the tube of the bundle or in the hole of the tube plate corresponding to this tube, and have a coefficient of expansion close to that of the exchange tube in order to avoid dedudging under the effect of temperature cycling. It must also have good resistance to erosion-corrosion by wet steam at the outlet of the calibrated orifice due to the turbulence due to the high speeds reached in the orifice. Only very expensive alloys have all of these properties.
  • the present invention aims to provide a flow control device which is easy to fix by swaging in the heat exchange tube or the hole of the corresponding tube plate, but which also has excellent resistance to erosion-corrosion by the vapor which is called to circulate there.
  • the insert of the device according to the invention comprises an upstream tubular element in a metal with a low elastic limit but with a high elastic elongation rate, and a downstream tubular element in a metal resistant to erosion-corrosion, of at least length equal to 10 times its internal diameter, and ending with a bevel of external sharp edge and angle less than 15 °.
  • the device of the invention also preferably meets at least one of the following characteristics: -
  • the upstream and downstream elements of the insert and the outer periphery of the calibrated orifice disc are joined by at least one weld bead.
  • the upstream tubular element is welded by its extreme upstream edge to the internal periphery of the exchanger tube, or of the hole of the tubular plate, upstream from its expanded area.
  • the upstream tubular element is welded by its extreme upstream edge on the weld between tube and tubular plate on the upstream face of the latter.
  • the calibrated orifice disc is fixed by crimping in the upstream and downstream tubular elements of the insert.
  • the end of the heat exchange tube 2 is fixed in an orifice of the tube plate 1 and welded at 3 by its end edge thereon.
  • the flow control device 4 consists of an upstream part 5 and a downstream part 6, welded to each other and to the disc 7, pierced with a calibrated bore 8.
  • the upstream element is in a steel with low elastic limit, but with a high coefficient of elastic elongation, for example in steel or carbon of the Tu 42 grade.
  • the downstream element of the device is made of a steel resistant to erosion-corrosion by water vapor, for example one of the steels known under the designations Z2 CN 18-10 or Z2 CT 18.
  • Its thickness is slightly less than that of the upstream element. Its length is greater than at least 10 times its internal diameter, so that it cannot appear erosion-corrosion phenomena due to the flow of water vapor at the outlet of the orifice of the disc on the wall internal of the tube, due to the pressure drop of the water vapor when passing through the calibrated orifice, and it ends in a bevel 12 with an external sharp edge and an angle of less than 15 °, ensuring a laminar flow in contact with the wall of the tube.
  • the disc 7 with calibrated orifice 8 is also made of a steel resistant to erosion-corrosion by water vapor, for example steel Z2 CN 18-10.
  • the upstream and downstream elements and the orifice disc calibrated are welded together by a weld bead 11, this weld appearing on an enlarged scale in FIG. 5, where it can be seen that the ends of the upstream and downstream elements come into abutment on a circumferential bead of the disc 7.
  • FIG. 2 represents a device similar to that of FIG. 1, but in which the extreme edge of its upstream element is fixed on the internal periphery of the tube by a weld bead 13, so as to avoid sliding of the device when inside the tube in case the fastening by expansion in zone 9 breaks.
  • FIG. 3 represents a device similar to that of FIG. 1, but in which the tube 14 does not penetrate into the tubular plate 1, on the downstream face of which it is welded by a weld bead 15. This is then the flow control device itself which is expanded in its zone 9 in the tubular plate, and welded to the latter on its extreme edge by the weld bead 13.
  • FIG. 4 represents a device similar to that of FIG. 1, but in which the insert is welded by its upstream edge to the weld bead joining the edge of the tube to the tubular plate, thus forming a common weld bead 13A .
  • This provides much better accessibility for welding the edge of the insert, which facilitates the execution and control of this welding.
  • FIG. 6 represents a variant of the mutual fixing of the upstream 5 and downstream 6 elements and of the device 7 with orifice calibrated by a weld bead 11A of the upstream element on the disc 7, and a bead 11B welding of the downstream element on this same disc.
  • FIG. 7 represents a variant of the mutual fixing between the upstream and downstream elements and the disc with calibrated orifice, in which the ends of the two elements are crimped at 16 and 17 respectively on the disc 7.

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Abstract

Dispositif de contrôle de débit dans un tube (2) d'échangeur de chaleur parcouru par une vapeur, comprenant un insert (4) fixé par dudgeonnage dans une zone (9) de l'extrémité du tube d'échangeur ou de l'orifice de la plaque tubulaire (1) correspondant à ce tube, et un disque (7) à orifice calibré (8), en métal résistant à l'érosion-corrosion, fixé à l'intérieur de l'insert en aval par rapport à la zone dudgeonnée dans le sens d'écoulement du fluide, l'insert se prolongeant en aval du disque à orifice calibré sur une longueur importante. L'insert comprend un élé­ment tubulaire amont (5) en un métal à faible limité élastique mais à taux d'allongement élastique élevé, et un élément tubulaire aval (6) en un métal résistant à l'érosion-corrosion, de longueur au moins égale à 10 fois son diamètre interne, et se terminant par un biseau (12) d'arête vive externe et d'angle inférieur à 15°.

Description

  • La présente invention concerne un dispositif de contrôle de débit dans un tube d'échangeur de chaleur parcouru par une vapeur, comprenant un insert fixé par dudgeonnage dans une zone de l'extrémité du tube d'échangeur ou de l'orifice de la plaque tubulaire correspondant à ce tube, et un disque à orifice calibré, en métal résistant à l'érosion-corrosion, fixé à l'intérieur de l'insert en aval par rapport à la zone dudgeonnée dans le sens d'écoulement du fluide, l'insert se prolongeant en aval du disque à orifice calibré sur une longueur importante.
  • De tels dispositifs servent notamment à contrôler la répartition du débit entre les tubes d'un faisceau tubulaire d'échange de chaleur, lorsque l'on désire faire passer dans certains des tubes un débit moindre que dans d'autre tubes, la quantité de chaleur transférée à travers les premiers tubes devant être moindre qu'à travers les autres en fonction du débit ou de la température du fluide passant au contact de la surface externe des tubes. Ce cas se présente en particulier dans les échangeurs de chaleur dans lesquels de la vapeur d'eau de chauffage sous pression élevée circule dans un faisceau tubulaire en plusieurs passes successives, en échange de chaleur avec un fluide d'abord relativement froid, puis partiellement réchauffé.
  • Le métal de l'insert doit présenter des caractéristiques spécifi­ques permettant un dudgeonnage aisé dans le tube du faisceau ou dans le trou de la plaque tubulaire correspondant à ce tube, et posséder un coefficient de dilatation voisin de celui du tube d'échange afin d'éviter un dédudgeonnage sous l'effet des cyclages de température. Il doit aussi présenter une bonne résistance à l'érosion-corrosion par la vapeur humide à la sortie de l'orifice calibrée en raison des turbulences dûes aux fortes vitesses atteintes dans l'orifice. Seuls des alliages très coûteux possèdent l'ensemble de ces propriétés.
  • La présente invention a pour but de procurer un dispositif de contrôle de débit qu'il soit facile de fixer par dudgeonnage dans le tube d'échange de chaleur ou le trou de la plaque tubulaire correspondant, mais qui présente aussi une excellente résistance à l'érosion-corrosion par la vapeur qui est appelée à y circuler.
  • L'insert du dispositif selon l'invention comprend un élément tubu­laire amont en un métal à faible limite élastique mais à taux d'allon­gement élastique élevé, et un élément tubulaire aval en un métal résistant à l'érosion-corrosion, de longueur au moins égale à 10 fois son diamètre interne, et se terminant par un biseau d'ârete vive externe et d'angle inférieur à 15°.
  • Le dispositif de l'invention répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes :
    - Les éléments amont et aval de l'insert et le pourtour externe du disque à orifice calibré sont réunis par au moins un cordon de soudure.
    - L'élément tubulaire amont est soudé par son bord amont extrême sur le pourtour interne du tube de l'échangeur, ou du trou de la plaque tubulaire, en amont de sa zone dudgeonnée.
    - L'élément tubulaire amont est soudé par son bord amont extrême sur la soudure entre tube et plaque tubulaire sur la face amont de cette dernière.
    - Le disque à orifice calibré est fixé par sertissage dans les éléments tubulaires amont et aval de l'insert.
  • Il est décrit ci-après, à titre d'exemples et en référence aux figures du dessin annexé, des dispositifs de contrôle de débit dans les tubes d'un faisceau tubulaire de vapeur de chauffage pour séparateur­surchauffeur de vapeur humide selon l'invention.
    • La figure 1 représente en coupe axiale un dispositif dans lequel les éléments tubulaires amont et aval de l'insert et le disque à orifice calibré sont réunis par un cordon de soudure unique.
    • La figure 2 représente en coupe axiale un dispositif analogue à celui de la figure 1, mais dans lequel l'extrémité amont de l'insert est fixée dans le tube par un cordon de soudure.
    • La figure 3 représente en coupe axiale un dispositif analogue à celui de la figure 1, mais dans lequel l'insert est fixé par dudgeonnage dans un trou de la plaque tubulaire.
    • La figure 4 représente en coupe axiale un dispositif analogue à celui de la figure 1, mais dans lequel l'extrémité amont de l'insert est soudée sur le cordon de soudure entre tube et plaque tubulaire sur la face amont de celle-ci.
    • La figure 5 représente à échelle agrandie le détail V de la figure 1.
    • La figure 6 représente à échelle agrandie une variante de détail V de la figure 1, dans laquelle les éléments tubulaires amont et aval de l'insert sont réunis par deux cordons de soudure distincts au disque à orifice calibré.
    • La figure 7 représente à échelle agrandie une variante de détail V de la figure 1, dans laquelle les éléments tubulaires amont et aval de l'insert sont réunis par sertissage au disque à orifice calibré.
  • Dans le dispositif de la figure 1, l'extrémité du tube d'échange de chaleur 2 est fixée dans un orifice de la plaque tubulaire 1 et soudée en 3 par son bord extrême sur celle-ci. Le dispositif de contrôle de débit 4 se compose d'une partie amont 5 et d'une partie aval 6, soudées l'une à l'autre et au disque 7, percé d'un alésage calibré 8. L'élément amont est en un acier à faible limite élastique, mais à fort coefficient d'allongement élastique, par exemple en un acier ou carbone de la nuance Tu 42.
  • Il est dudgeonné dans sa zone 9 dans l'extrémité du tube d'échange de façon à assurer l'étanchéité entre ce dispositif et le tube. Son extrémité 10 est rabattue sur l'extrémité de ce tube.
  • L'élément aval du dispositif est en un acier résistant à l'érosion-corrosion par la vapeur d'eau, par exemple en l'un des aciers connus sous les désignations Z2 CN 18-10 ou Z2 CT 18.
  • Son épaisseur est légèrement inférieure à celle de l'élément amont. Sa longueur est supérieure à au moins 10 fois son diamètre interne, afin qu'il ne puisse apparaître de phénomènes d'érosion-corro­sion dus à l'écoulement de la vapeur d'eau à la sortie de l'orifice du disque sur la paroi interne du tube, du fait de la perte de charge de la vapeur d'eau au passage à travers l'orifice calibré, et elle se termine par un biseau 12 d'arête vive externe et d'angle inférieure à 15°, assu­rant un écoulement laminaire au contact de la paroi du tube.
  • Le disque 7 à orifice calibré 8 est également en un acier résistant à l'érosion-corrosion par la vapeur d'eau, par exemple l'acier Z2 CN 18-10. Les éléments amont et aval et le disque à orifice calibré sont soudés ensemble par un cordon de soudure 11, cette soudure apparaissant à échelle agrandie sur la figure 5, où l'on voit que les extrémités des éléments amont et aval viennent en butée sur un bourrelet circonférentiel du disque 7.
  • La figure 2 représente un dispositif analogue à celui de la figure 1, mais dans lequel le bord extrême de son élément amont est fixé sur le pourtour interne du tube par un cordon de soudure 13, de façon à éviter un glissement du dispositif à l'intérieur du tube au cas où la fixation par dudgeonnage dans la zone 9 viendrait à céder.
  • La figure 3 représente un dispositif analogue à celui de la figure 1, mais dans lequel le tube 14 ne pénètre pas dans la plaque tubulaire 1, sur la face aval de laquelle il est soudé par un cordon de soudure 15. C'est alors le dispositif de contrôle de débit lui-même qui est dudgeonné dans sa zone 9 dans la plaque tubulaire, et soudé à celle-­ci sur son bord extrême par le cordon de soudure 13.
  • La figure 4 représente un dispositif analogue à celui de la figure 1, mais dans lequel l'insert est soudé par son bord amont sur le cordon de soudure réunissant le bord du tube à la plaque tubulaire, en formant ainsi un cordon de soudure commun 13A. On dispose ainsi d'une accessibilité bien meilleure pour le soudage du bord de l'insert, ce qui facilite l'exécution et le contrôle de cette soudure.
  • La vue à échelle agrandie de la figure 6 représente une variante de la fixation mutuelle des éléments amont 5 et aval 6 et du dispositif 7 à orifice calibré par un cordon de soudure 11A de l'élément amont sur le disque 7, et un cordon de soudure 11B de l'élément aval sur ce même disque.
  • La figure 7 représente une variante de la fixation mutuelle entre les éléments amont et aval et le disque à orifice calibré, dans lequel les extrémités des deux éléments sont serties respectivement en 16 et en 17 sur le disque 7.

Claims (5)

1/ Dispositif de contrôle de débit dans un tube (2) d'échangeur de cha­leur parcouru par une vapeur, comprenant un insert (4) fixé par dudgeon­nage dans une zone (9) de l'extrémité du tube d'échangeur ou de l'orifice de la plaque tubulaire (1) correspondant à ce tube, et un disque (7) à orifice calibré (8), en métal résistant à l'érosion-corrosion, fixé à l'intérieur de l'insert en aval par rapport à la zone dudgeonnée dans le sens d'écoulement du fluide, l'insert se prolongeant en aval du disque à orifice calibré sur une longeur importante,
caractérisé en ce que l'insert comprend un élément tubulaire amont (5) en un métal à faible limite élastique mais à taux d'allongement élastique élevé, et un élément tubulaire aval (6) en un métal résistant à l'érosion-corrosion de longueur au moins égale à 10 fois son diamètre interne, et se terminant par un biseau (12) d'arête vive externe et d'angle inférieur à 15°.
2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments amont (5) et aval (6) de l'insert et le pourtour externe du disque (7) à orifice calibré sont réunis au moins un cordon de soudure (11).
3/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce l'élément tubulaire amont est soudé (13, figure 2) par son bord amont extrême sur le pourtour interne du tube de l'échangeur, ou du trou de la plaque tubulaire, en amont de sa zone dudgeonnée (9).
4/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément tubulaire amont est soudé (13A, fig.4) par son bord amont extrême sur la soudure entre tube et plaque tubulaire sur la face amont de cette dernière.
5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disque à orifice calibré est fixé par sertissage (16, 17, figure 6) dans les éléments tubulaires amont et aval de l'insert.
EP86117624A 1985-12-23 1986-12-18 Dispositif de contrôle de débit dans un tube d'échangeur de chaleur Expired EP0232527B1 (fr)

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FR8519042A FR2592147B1 (fr) 1985-12-23 1985-12-23 Dispositif de controle de debit dans un tube d'echangeur de chaleur.
FR8519042 1985-12-23

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EP0232527A1 true EP0232527A1 (fr) 1987-08-19
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