EP0246942B1 - Echangeur de chaleur tubulaire à double plaque de support du faisceau de tube - Google Patents

Echangeur de chaleur tubulaire à double plaque de support du faisceau de tube Download PDF

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EP0246942B1 EP87400982A EP87400982A EP0246942B1 EP 0246942 B1 EP0246942 B1 EP 0246942B1 EP 87400982 A EP87400982 A EP 87400982A EP 87400982 A EP87400982 A EP 87400982A EP 0246942 B1 EP0246942 B1 EP 0246942B1
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Babcock Entreprise
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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
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0229—Double end plates; Single end plates with hollow spaces

Definitions

  • the invention relates to heat exchangers of the type comprising a calender provided at each of its ends with a support for a bundle of heat exchange tubes between the fluid to be cooled which circulates in said tubes and a cooling fluid which circulates around said tubes in the grille.
  • the plate which fulfills the function of supporting the tubes must also withstand the high vapor pressure on the side of the shell; it must therefore have a significant thickness.
  • the inlet plate, in contact with the tubes throughout its thickness is strongly heated by gases and is subjected to considerable thermal gradients between its two faces; there may also be significant corrosion in the passage of the tubes.
  • the object of the present invention is to provide a simpler construction of the ends of said heat exchanger ensuring better circulation of the cooling fluid without elevation of the thermal gradients on the thick plate and avoiding deformations of the thin plate, in particular at the level of the 'attaches tubes.
  • the heat exchanger which is the subject of the invention is characterized in that the thin plate closes the shell and is used for fixing the tubes, that the other plate is fixed to the shell at a certain distance from its closed end, and that the portions of rigid tubes connect the two plates by forming spacers and are provided with orifices making the chamber defined by the two plates communicate with said annular spaces.
  • FIG. 1 there is shown a tubular exchanger composed of an elongated calender 1 provided in the vicinity of its ends with two plates 2 and 3 and housing a bundle of tubes such as 4.
  • tubes 4 cross the plates 2 and 3 with play and extend to their fixing end in two additional thin plates 5 and 6 which close the grille, with the exception of the inlet and outlet passages of the tubes 4.
  • Tubes 7-8 forming spacers between the thin and thick plates concentrically surround each of the tubes 4 at its two end portions comprised between the pairs of plates 2-5 on the one hand, 3-6 on the other.
  • the annular gap between the tubes 4 and the tubes 7 and 8 has openings 70-80 arranged near the plates 5-6 and 2-3, so as to ensure proper cooling.
  • Figure 2 shows how the tube sections 7-8 are fixed at their two ends to the plates 2-3 and 5-6, by weld beads 20, 22 and how the tubes 4 are fixed to the plates 5-6 for weld beads 24 which join them to the adjacent ends of the sections of tubes 7-8.
  • Other conventional means could possibly be used to fix the tube sections 7, 8 to the plates 2-3.
  • the plates 2 and 3 have a large thickness, for example 250 mm, sufficient to withstand the background effect created by the pressure of the fluid contained in the calender, while the plates 5 and 6 have for example a thickness of 10 to 20 mm and are used to support the tubes which are welded to said thin plates.
  • the diameter of the exchanger is for example 900 mm.
  • the plates 5-6 are provided with a peripheral mounting flange 51-61.
  • the cooling fluid enters through a conduit 9 in the interval (having for example 150 mm in height) between the plates 2 and 5 (shown at the bottom of FIG. 1, the exchanger here being assumed to be vertical ).
  • the tubes 7 have openings such as 70 so that the fluid penetrates, through the annular gap 30 (from 3 to 10 mm thick for example) comprised between the tubes 4 and 7, in the part of the calender comprised between plates 2 and 3. Its circulation is ensured by a pump or by effect thermosyphon.
  • the gas to be cooled enters the tubes 4 at the level of the plate 5 and the water is vaporized on contact with the plate 5 thus heated by the gas.
  • the steam enters the tubes 7 through the openings 70 and the water-steam mixture cools the tubes 4.
  • the cooled gases are evacuated by the tubes 4 through the plate 6, while the heated water-vapor mixture is evacuated by the annular gap between the tubes 4 and 8, the openings 80 of the tubes 8 and an outlet conduit 10.
  • the thick plates are not subjected to thermal gradients, the water-vapor mixture prevailing (at temperatures which can reach 300 to 350 ° C) on their two faces and no contact with the tubes where the gas to be cooled circulates (which can have temperatures ranging from 600 to 1100 ° C under pressures of 200 bar) not existing.
  • the tubes are cooled over their entire length, including when they pass through the thick plates so that the risk of corrosion or mechanical weakening by the gas is partially eliminated.
  • the double plate structure is essential at the entry, while it can be replaced at the exit by a structure classic in some cases.
  • the invention applies to all types of tube bundles.

Description

  • L'invention se rapporte aux échangeurs de chaleur du type comportant une calandre munie à chacune de ses extrémités d'un support d'un faisceau de tubes d'échange thermique entre le fluide à refroidir qui circule dans lesdits tubes et un fluide de refroidissement qui circule autour desdits tubes dans la calandre.
  • Les difficultés de construction posées par ces échangeurs croissent avec la température et la pression du gaz à refroidir et avec la pression de la vapeur du fluide de refroidissement que l'on veut produire, par exemple quand l'échangeur est destiné à la réalisation de chaudières de récupération.La composition du gaz augmente ces difficultés: par exemple, pour le refroidissement des gaz corrosifs de synthèse produits à des températures qui peuvent dépasser 450°C et sous haute pression. Il y a en effet alors risque de corrosion et d'affaiblissement mécanique du matériau qui les constitue et, pour réduire ce risque, il importe de maintenir les tubes à une température nettement plus basse, inférieure à 360°C par exemple.
  • Dans les échangeurs classiques, la plaque qui remplit la fonction de support des tubes doit supporter par ailleurs la forte pression de vapeur du côté de la calandre; elle doit donc avoir une épaisseur importante. Par ailleurs, la plaque d'entrée, en contact avec les tubes dans toute son épaisseur, est fortement chauffée par les gaz et est soumise à des gradients thermiques considérables entre ses deux faces; il peut de plus exister une corrosion importante aux passages des tubes.
  • On est alors conduit à utiliser des aciers spéciaux pour réaliser ou revêtir les plaques, ce qui entraine un coût de fabrication élevé et un poids relativement important.
  • Pour supprimer ces inconvénients, on a proposé (FR.A.2005156) de constituer le support d'entrée des tubes par deux plaques dont l'une est relativement mince tandis que l'autre est beaucoup plus épaisse et rigide, et des portions de tubes rigides qui entourent concentriquement les portions terminales correspondantes des tubes et forment des espaces annulaires qui communiquent avec une chambre définie par les deux plaques, et dans laquelle est admis le fluide de refroidissement, lesdits espaces annulaires débouchant dans la calandre à travers la plaque intérieure et lesdits tubes traversant cette plaque sans contact.
  • Le but de la présente invention est de proposer une construction plus simple des extrémités dudit échangeur de chaleur assurant une meilleure circulation du fluide de refroidissement sans élévation des gradients thermiques sur la plaque épaisse et évitant les déformations de la plaque mince, notamment au niveau de l'attache des tubes.
  • L'échangeur de chaleur objet de l'invention est caractérisé par le fait que la plaque mince ferme la calandre et sert à la fixation des tubes, que l'autre plaque est fixée à la calandre à une certaine distance de son extrémité fermée, et que les portions de tubes rigides relient les deux plaques en formant des entretoises et sont munies d'orifices faisant communiquer la chambre définie par les deux plaques avec lesdits espaces annulaires.
  • D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'invention, apparaitront clairement à la lumière de la description ci-après.
    • La figure 1 du dessin annexé représente schématiquement un échangeur à faisceau de tubes droits conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention; et
    • La figure 2 montre, à plus grande échelle, le détail des fixations des tubes sur les plaques.
  • A la figure 1, on a représenté un échangeur tubulaire composé d'une calandre allongée 1 munie au voisinage de ses extrémités de deux plaques 2 et 3 et logeant un faisceau de tubes tels que 4.
  • On voit que les tubes 4 traversent avec jeu les plaques 2 et 3 et se prolongent jusqu'à leur extrémité de fixation dans deux plaques minces supplémentaires 5 et 6 qui ferment la calandre, à l'exception des passages d'entrée et de sortie des tubes 4. Des tubes 7-8 formant entretoises entre les plaques mince et épaisse entourent concentriquement chacun des tubes 4 à ses deux portions terminales comprises entre les paires de plaques 2-5 d'une part, 3-6 d'autre part. L'intervalle annulaire entre les tubes 4 et les tubes 7 et 8 comporte des ouvertures 70-80 disposées à proximité des plaques 5-6 et 2-3, de manière à assurer un refroidissement convenable.
  • La figure 2 montre comment les tronçons de tube 7-8 sont fixés à leurs deux extrémités aux plaques 2-3 et 5-6, par des cordons de soudure 20, 22 et comment les tubes 4 sont fixés aux plaques 5-6 pur des cordons de soudure 24 qui les réunissent aux extrémités adjacentes des tronçons de tubes 7-8. D'autres moyens classiques pourraient éventuellement être utilisés pour fixer les tronçons de tube 7, 8 aux plaques 2-3.
  • Les plaques 2 et 3 ont une forte épaisseur, par exemple 250 mm, suffisante pour résister à l'effet de fond créé par la pression du fluide contenu dans la calandre, tandis que les plaques 5 et 6 ont par exemple une épaisseur de 10 à 20 mm et servent à supporter les tubes qui sont soudés auxdites plaques minces. Le diamètre de l'échangeur est par exemple de 900 mm. Les plaques 5-6 sont munies d'une bride de montage périphérique 51-61.
  • Le fluide de refroidissement, eau par exemple, pénètre par un conduit 9 dans l'intervalle (ayant par exemple 150 mm de hauteur) compris entre les plaques 2 et 5 (représentées en bas de la figure 1, l'échangeur étant ici supposé vertical). Les tubes 7 présentent des ouvertures telles que 70 si bien que le fluide pénètre, par l'intervalle annulaire 30 (de 3 à 10 mm d'épaisseur par exemple) compris entre les tubes 4 et 7, dans la partie de la calandre comprise entre les plaques 2 et 3. Sa circulation est assurée par une pompe ou par effet de thermosiphon.
  • Le gaz à refroidir pénètre dans les tubes 4 au niveau de la plaque 5 et l'eau se trouve vaporisée au contact de la plaque 5 ainsi chauffée par le gaz. La vapeur d'eau pénètre dans les tubes 7 par les ouvertures 70 et le mélange eau-vapeur refroidit les tubes 4.
  • A l'extrémité supérieure de la calandre, la structure étant la même qu'à l'extrémité inférieure, les gaz refroidi s'évacue par les tubes 4 à travers la plaque 6, tandis que le mélange eau-vapeur réchauffé s'évacue par l'intervalle annulaire compris entre les tubes 4 et 8, les ouvertures 80 des tubes 8 et un conduit de sortie 10.
  • Dans le mode d'exécution non limitatif décrit, il existe en 11 une amenée complémentaire de fluide de refroidissement à l'intérieur de la calandre au-dessus de la plaque 2 et en 12 une évacuation complémentaire. On peut ainsi faire pénétrer en 9 la quantité de liquide juste nécessaire pour assurer le refroidissement de l'espace compris entre les plaques 2 et 5 et de la portion des tubes 4 comprise entre la plaque 5 et la face intérieure (supérieure) de la plaque 2, et n'évacuer de même en 10 que l'excédent de vapeur non évacuée en 12.
  • On notera que, grâce à la structure à deux plaques entretoisées par des tubes décrite, des pressions de mélange eau-vapeur très élevées (par exemple de 100 à 150 bars) peuvent être supportées sans déformation des plaques épaisses. Les plaques minces, munies de brides de montage (51-61) peuvent subir une légère flexion sans inconvénient, celle-ci ne se produisant pas au niveau de l'attache des tubes. Elles se maintiennent à basse température grâce à leur faible épaisseur.
  • Les plaques épaisses ne sont pas soumises à des gradients thermiques, le mélange eau-vapeur régnant (à des températures qui peuvent atteindre 300 à 350°C) sur leurs deux faces et aucun contact avec les tubes où circule le gaz à refroidir (qui peut avoir des températures allant de 600 à 1100°C sous des pressions de 200 bars) n'existant.
  • Les tubes sont refroidis sur toute leur longueur, y compris à leur passage à travers les plaques épaisses si bien que le risque de corrosion ou d'affaiblissement mécanique par le gaz est partiquement supprimé.
  • Il est évident que les problèmes de gradient thermique et de corrosion étant plus importants à l'entrée qu'à la sortie, la structure à double plaque est indispensable à l'entrée, tandis qu'elle pourra être remplacée à la sortie par une structure classique, dans certains cas.
  • L'invention s'applique à tous les types de faisceaux de tubes.

Claims (4)

1. Echangeur de chaleur comportant une calandre munie à chacune de ses extrémités d'un support d'un faisceau de tubes d'échange thermique entre le fluide à refroidir qui circule dans lesdits tubes et un fluide de refroidissement qui circule autour desdits tubes dans la calandre, au moins le support d'entrée des tubes étant constitué par deux plaques, dont l'une est relativement mince tandis que l'autre est beaucoup plus épaisse et rigide, et des portions de tubes rigides qui entourent concentriquement les portions terminales correspondantes des tubes et forment des espaces annulaires qui communiquent avec une chambre définie par les deux plaques, lesdits espaces annulaires débouchant dans la calandre à travers la plaque intérieure et lesdits tubes traversant cette plaque sans contact, caractérisé par le fait que la plaque mince (5) ferme la calandre (1) et sert à la fixation des tubes (4), que l'autre plaque (2) est fixée à la calandre à une certaine distance de son extrémité fermée, et que les portions de tubes rigides (7) relient les deux plaques en formant des entretoises et sont munies d'orifices (70) faisant communiquer ladite chambre avec lesdits espaces annulaires.
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par une amenée supplémentaire (11) du fluide de refroidissement dans la calandre.
3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support de sortie des tubes est conçu comme le support d'entrée, un conduit de sortie du fluide de refroidissement (10) étant raccordé à la chambre définie entre les deux plaques (3, 6) dudit support de sortie, et en ce qu'une amenée de fluide de refroidissement supplémentaire (11) et une évacuation de vapeur supplémentaire (12) sont prévues au voisinage des plaques épaisses (2, 3) dans la portion de calandre comprise entre les plaques épaisses.
4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la ou les plaques minces (5, 6) sont munies d'une bride périphérique de montage (51, 61).
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