FR2606131A1

FR2606131A1 - THERMAL SCREEN WITH HONEYCOMB FOR HEAT EXCHANGERS

Info

Publication number: FR2606131A1
Application number: FR8712412A
Authority: FR
Inventors: Nino Elia
Original assignee: Ansaldo SpA
Current assignee: Ansaldo SpA
Priority date: 1986-10-29
Filing date: 1987-09-08
Publication date: 1988-05-06
Also published as: NL8702518A; DE3732682A1; IT8612568A0; GB2196725B; GB8720968D0; IT1200308B; GB2196725A

Abstract

L'ECRAN THERMIQUE POUR UN ECHANGEUR DE CHALEUR TEL QU'UN GENERATEUR DE VAPEUR COMPORTE UN ANNEAU CYLINDRIQUE SITUE A L'INTERIEUR DE L'ENVELOPPE DE L'ECHANGEUR DE FACON A FORMER UN INTERVALLE POUR LE FLUIDE PRIMAIRE. L'ANNEAU EST DISPOSE A PROXIMITE DE LA PLAQUE DE TUBES 12 ET EST MUNI DE FENTES 23 A TRAVERS LESQUELLES UNE FRACTION DU DEBIT DE FLUIDE PRIMAIRE VIENT EN CONTACT AVEC LA SURFACE EXTERIEURE DES TUBES 11 DE LA PLAQUE DE TUBES. L'ANNEAU 20 COMPORTE DEUX SERIES DE LAMES QUI SE COUPENT DE FACON A FORMER DES CELLULES PRISMATIQUES AU CENTRE DESQUELLES PASSE L'UN DES TUBES DU FAISCEAU DE TUBES 11. APPLICATION AUX ECHANGEURS DE CHALEUR SUSCEPTIBLES DE SUBIR DE FORTES VARIATIONS DE CHARGES ET DE CONTRAINTES THERMIQUES.THE THERMAL SCREEN FOR A HEAT EXCHANGER SUCH AS A STEAM GENERATOR INCLUDES A CYLINDRICAL RING LOCATED INSIDE THE EXCHANGER ENCLOSURE SO AS TO FORM AN INTERVAL FOR THE PRIMARY FLUID. THE RING IS PROVIDED NEAR THE PLATE OF TUBES 12 AND IS PROVIDED WITH SLOTS 23 THROUGH WHICH A FRACTION OF THE PRIMARY FLUID FLOW COMES IN CONTACT WITH THE OUTER SURFACE OF TUBES 11 OF THE PLATE OF TUBES. THE RING 20 INCLUDES TWO SERIES OF BLADES WHICH COULD BE CUT TO FORM PRISMATIC CELLS IN THE CENTER OF WHICH ONE OF THE TUBES OF THE BUNDLE OF TUBES passes. THERMAL.

Description

ECRAN THERMIQUE A NID D'ABEILLES POUR ECHANGEURS DE CHALEURTHERMAL SCREEN WITH HONEYCOMB FOR HEAT EXCHANGERS

La présente invention se rapporte à un écran thermique The present invention relates to a heat shield

du type à nid d'abeilles pour des échangeurs de chaleur. of the honeycomb type for heat exchangers.

Quelque soit le type d'échangeurs de chaleur, générateurs de vapeur ou autres (qu'il s'agisse de faisceaux de tubes qui Whatever the type of heat exchangers, steam generators or other (whether tubes of tubes that

soient droits, en U ou hélicoïdaux, etc.), les écrans thermi- straight, U or helical, etc.), heat shields

ques ou les autres dispositifs du même type prévus dans des zones particulières de la plaque de tubes sont destinés à other devices of the same type provided in particular areas of the tube plate are intended

protéger cette dernière de divers phénomènes liés au fonction- to protect the latter from various phenomena related to

nement de ce composant.this component.

Plus particulièrement, il est quelquefois nécessaire de protéger des parties des plaques de tubes qui présentent un niveau élevé de contraintes ou de particularités structurelles More particularly, it is sometimes necessary to protect parts of the tube plates which have a high level of stresses or structural features.

telles que des soudures ou d'autres types de joint des varia- such as welds or other types of joint

tions de température ou de débit du fluide circulant à l'exté- temperature or flow rate of the fluid flowing out-

rieur du faisceau de tubes. Le but de cette protection est d'empêcher cette variation de provoquer des contraintes qui dépassaient les limites permises et qui provoqueraient ainsi of the tube bundle. The purpose of this protection is to prevent this variation from causing constraints that exceed the permitted limits and that would thereby cause

des endommagements.damage.

Dans le cas des échangeurs de chaleur à tubes droits, la partie du faisceau de tubes à laquelle on peut appliquer la protection selon l'invention est constituée normalement par la zone o les tubes sont reliés à la plaque de tubes. L'un des buts de la présente invention est de pallier les inconvénients In the case of straight tube heat exchangers, the part of the tube bundle to which the protection according to the invention can be applied is normally constituted by the zone where the tubes are connected to the tube plate. One of the aims of the present invention is to overcome the disadvantages

des écrans thermiques utilisés précédemment. thermal screens previously used.

A cet effet, selon l'invention, l'écran thermique est supporté par un anneau cylindrique, coaxial à l'enveloppe de l'échangeur, situé par exemple à proximité de la plaque de tubes supérieure et est équipé de fentes permettant l'accès à l'intérieur de l'anneau d'une fraction du débit de fluide primaire qui monte & l'intérieur de l'intervalle annulaire formé par la paroi extérieure de cet anneau. Cette fraction du débit de fluide primaire retombe en léchant l'extérieur du faisceau de tubes et passe à travers l'écran thermique disposé For this purpose, according to the invention, the heat shield is supported by a cylindrical ring, coaxial with the shell of the exchanger, located for example close to the upper tube plate and is equipped with slots allowing access within the ring a fraction of the primary fluid flow that rises inside the annular gap formed by the outer wall of this ring. This fraction of the primary fluid flow rate falls by licking the outside of the tube bundle and passes through the heat shield arranged

à l'intérieur de cet anneau et qui en forme un support. inside this ring and which forms a support.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'écran thermique consiste en au moins deux séries de lames According to another embodiment of the invention, the heat shield consists of at least two series of blades

qui se coupent de façon à former une structure en nid d'abeil- which intersect to form a honeycomb structure

les et à créer, sur au moins une partie de même hauteur que l'anneau, une cellule prismatique autour de chaque tuyau du and create, on at least a portion of the same height as the ring, a prismatic cell around each pipe of the

faisceau de tubes.bundle of tubes.

Selon le mode de réalisation le plus simple, les deux According to the simplest embodiment, the two

séries de lames qui se coupent forment un plan de losanges. series of cutting blades form a rhombic plane.

Dans ce but, chacune des deux séries de lames comportent des For this purpose, each of the two series of blades comprises

fentes s'étendant sur la moitié de leur hauteur et suscepti- clefts extending half their height and

bles de recevoir les lames de la seconde série sur toute leur épaisseur, ces lames de la seconde série étant également to receive the blades of the second series over their entire thickness, these blades of the second series being equally

fendues sur la moitié de leur hauteur. slit on half their height.

En variante, la liaison des deux séries de lames peut Alternatively, the connection of the two series of blades can

être réalisée par soudure ou par un autre moyen de liaison. be performed by welding or other means of connection.

La perte de charge causée par la présence de l'écran thermique tel qu'il vient d'être décrit fait que la quantité The pressure drop caused by the presence of the heat shield as just described makes the quantity

de chaleur cédée par le fluide primaire à la hauteur de l'é- of heat transferred by the primary fluid at the height of the

cran thermique est réduite. En dépit de cet effet, même cette zone des tubes du faisceau de tubes est parcourue par un débit constant de fluide primaire, ce qui évite toute stagnation de thermal screen is reduced. Despite this effect, even this zone of the tubes of the bundle of tubes is traversed by a constant flow of primary fluid, which avoids any stagnation of

ce fluide.this fluid.

D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaî- Other purposes, advantages and features appear

tront à la lecture de la description d'un mode de réalisation when reading the description of an embodiment

de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé o: - la figure 1 est une coupe axiale d'un générateur de vapeur se limitant à sa partie supérieure et dans laquelle est disposé un écran thermique selon l'invention venant en appui directement contre la plaque supérieure des tubes; of the invention, made in a nonlimiting manner and with reference to the attached drawing o: - Figure 1 is an axial section of a steam generator limited to its upper part and in which is disposed a heat shield according to the invention bearing directly against the upper plate of the tubes;

- la figure 2 montre à plus grande échelle l'écran ther- - Figure 2 shows on a larger scale the heat shield

mique représenté à la figure 1; - la figure 3 est une vue selon III-III de la figure 2; - les fig. 4 & 5 représentent des parties de lames de l'écran thermique de la première et de la seconde séries, ces lames étant équipées de fentes complémentaires; - la figure 6 représente en perspective les deux lames des figures 4 et 5 après leur assemblage shown in Figure 1; - Figure 3 is a view along III-III of Figure 2; - figs. 4 & 5 represent blade parts of the heat shield of the first and second series, these blades being provided with complementary slots; FIG. 6 represents in perspective the two blades of FIGS. 4 and 5 after their assembly

mutuel.mutual.

En se référant plus particulièrement aux dessins joints, la référence 10 désigne l'enveloppe d'un générateur de vapeur équipé d'une plaque de tubes 11 pour des tubes verticaux qui Referring more particularly to the accompanying drawings, reference numeral 10 denotes the casing of a steam generator equipped with a plate of tubes 11 for vertical tubes which

traversent une plaque de tubes supérieure 12 au-delà de la- through an upper tube plate 12 beyond the-

quelle se trouve un collecteur de vapeur 13 équipé d'une ouverture de décharge 14. L'arrivée du fluide primaire qui circule autour des tubes du faisceau de tubes 11 est réalisée which is a steam collector 13 equipped with a discharge opening 14. The arrival of the primary fluid circulating around the tubes of the bundle of tubes 11 is realized

à l'entrée 15 située approximativement à mi-hauteur du généra- at the entrance 15 located approximately halfway up the

teur de vapeur.steamer.

Le débit A du fluide primaire entrant dans le générateur de vapeur ne vient pas frapper directement le faisceau de tubes 11 afin d'éviter des chocs thermiques sur les tubes du faisceau lui-même. Pour cela, le faisceau de tubes est entouré The flow rate A of the primary fluid entering the steam generator does not strike directly the bundle of tubes 11 in order to avoid thermal shocks on the tubes of the bundle itself. For this, the bundle of tubes is surrounded

d'un anneau dénommé l'anneau inférieur 16 qui crée un inter- a ring called the lower ring 16 which creates an inter-

valle annulaire 17 entre la surface extérieure de l'anneau lui-même et la surface intérieure de l'enveloppe 11 et à l'intérieur duquel la totalité du débit A du fluide primaire annular valley 17 between the outer surface of the ring itself and the inner surface of the casing 11 and inside which the entire flow A of the primary fluid

pénétrant à l'entrée 15 est canalisée vers le haut. penetrating at the entrance 15 is channeled upwards.

L'anneau inférieur 16 se termine à une distance conve- The lower ring 16 ends at a suitable distance

nable de la plaque de tube supérieure à partir de laquelle fait saillie un second anneau dénommé anneau supérieur. Le bord inférieur de cet anneau supérieur est séparé du bord supérieur de l'anneau inférieur 16 par une fente 21 à travers laquelle une fraction B du débit A de fluide primaire s'écoule vers le bas, le long des tubes du faisceaux de tubes. Ce débit B correspond presque à la totalité du débit A. La fraction restante C du débit A s'écoule le long de l'intervalle 22 existant entre l'anneau supérieur 20 et the upper tube plate from which protrudes a second ring referred to as the upper ring. The lower edge of this upper ring is separated from the upper edge of the lower ring 16 by a slot 21 through which a fraction B of the primary fluid flow A flows down along the tubes of the bundle of tubes. This flow B corresponds almost to the totality of the flow A. The remaining fraction C of the flow A flows along the gap 22 existing between the upper ring 20 and

l'enveloppe 11 et descend à l'intérieur de l'anneau supé- the envelope 11 and goes down inside the upper ring

rieur 20 à travers les fentes 23 disposées juste en-dessous de la plaque de tubes 12 dans l'anneau supérieur 20. De cette façon, la fraction C du débit A vient en contact avec les tubes du faisceau au niveau de leur partie supérieure et tombe 20 in the upper ring 20. In this way, the fraction C of the flow A comes into contact with the tubes of the bundle at their upper part and falls

ensuite jusqu'à ce qu'elles rencontrent la fraction princi- then until they meet the main fraction

pale B à la hauteur de la fente 21. blade B at the height of the slot 21.

De cette façon, les extrémités supérieures des tubes du faisceau de tubes 11 qui sont atteints par un débit réduit de fluide primaire et qui présentent un trajet plus long que le débit principal B sont protégés jusqu'à un certain point du In this way, the upper ends of the tube bundle tubes 11 which are reached by a reduced flow rate of the primary fluid and which have a longer path than the main flow B are protected to a certain extent by

contact direct avec le fluide primaire pénétrant à l'entrée 15. direct contact with the primary fluid entering the inlet 15.

Si l'on veut obtenir une réduction supplémentaire de la quantité de chaleur cédée par le fluide primaire aux tubes du faisceau de tubes au niveau de leur partie supérieure et qui se termine à la plaque de tubes supérieure, on prévoit selon l'invention, à l'intérieur de l'anneau supérieur 20, un écran thermique constitué d'au moins deux séries de lames qui se If it is desired to obtain a further reduction in the quantity of heat transferred by the primary fluid to the tubes of the tube bundle at their upper part and which terminates at the upper tube plate, provision is made according to the invention for inside the upper ring 20, a heat shield consisting of at least two series of blades which

coupent et qui sont repérées sur la figure par les référen- cut and which are marked on the figure by reference

ces 31 et 32. Ces lames 31 et 32 sont fixées à leurs extrémi- 31 and 32. These blades 31 and 32 are fixed at their ends.

tés à l'anneau supérieur 20 et sont munies de fentes 33 et 34 qui, pour les premières, s'étendent depuis le haut vers le bas sur la moitié de la hauteur et, pour les secondes, s'étendent depuis le bas vers le haut sur la moitié de la hauteur. Il est ainsi possible de croiser les lames des premières et secondes séries à la manière d'un nid d'abeilles comme représenté à la figure 6, de façon à former une sorte de structure en nid to the upper ring 20 and are provided with slots 33 and 34 which, for the former, extend from the top down to half the height and, for the latter, extend from the bottom to the high on half the height. It is thus possible to cross the blades of the first and second series in the manner of a honeycomb as shown in Figure 6, so as to form a kind of nest structure

d'abeilles avec, dans ce cas des cellules 35 à section trans- with, in this case, cells with a cross-section of

versale losange.versale rhombus.

Chaque cellule ouverte à sa partie supérieure et infé- Each cell open at the top and inferior

rieure est traversée par un tube du faisceau de tubes 11 de telle façon que, du fait de la présence de l'écran qui vient d'être décrit, la section transversale à travers laquelle s'écoule la fraction C de fluide primaire soit plus petite que celle d'une section transversale de l'anneau inférieur 16 qui n'est pas équipée d'un écran thermique. La valeur réduite de la fraction C du débit de fluide primaire dans la partie supérieure du générateur de vapeur est due à cette section réduite ainsi qu'à la plus grande longueur du trajet et à la présence des fentes 23 s'étendant sur une section moindre que a tube of tube bundle 11 is passed through such that, due to the presence of the screen just described, the cross-section through which fraction C of primary fluid flows is smaller. than that of a cross section of the lower ring 16 which is not equipped with a heat shield. The reduced value of the fraction C of the primary fluid flow in the upper part of the steam generator is due to this reduced section as well as to the greater length of the path and the presence of the slots 23 extending over a smaller section. than

celle de la fente 21 pratiquement continue. that of the slit 21 practically continuous.

La fraction C du débit de fluide qui traverse l'écran thermique selon l'invention est cependant suffisante pour The fraction C of the flow of fluid which passes through the heat shield according to the invention is, however, sufficient to

éviter la stagnation du fluide primaire dans la partie supé- avoid stagnation of the primary fluid in the upper part

rieure du faisceau de tubes.top of the tube bundle.

Il est utile d'insister sur le fait que les cellules It is useful to emphasize that cells

prismatiques définies par les lames 31 et 32 de l'écran ther- prisms defined by the blades 31 and 32 of the heat shield

mique peuvent prendre une autre forme que la forme losange. On peut prévoir en variante des formes carrées ou rectangulaires en fonction du treillis au réseau défini par la position des may take another form than the diamond shape. Alternative forms may be square or rectangular depending on the lattice to the network defined by the position of the

tubes formant le faisceau de tubes.tubes forming the bundle of tubes.

On peut, en outre prévoir trois séries de lames au lieu de deux et, dans ce cas, les cellules prismatiques formées peuvent être triangulaires ou hexagonales. On se rappellera In addition, three sets of blades may be provided instead of two, and in this case the formed prismatic cells may be triangular or hexagonal. We will remember

enfin que selon le mode préféré de réalisation, il est souhai- that according to the preferred embodiment, it is desirable

table que les fentes 23 soient situées à une certaine distance de la surface inférieure de la plaque de tubes 12. Dans ce cas, l'écran thermique est divisé en deux parties, la partie supérieure 120 présentant une hauteur plus faible que la table that the slots 23 are located at a distance from the lower surface of the tube plate 12. In this case, the heat shield is divided into two parts, the upper part 120 having a lower height than the

partie inférieure 220 à la façon représentée à la figure 2. lower part 220 in the manner shown in Figure 2.

Les parties supérieure et inférieure de l'écran thermique forment des pièces qui s'engagent l'une dans l'autre comme représenté aux figures 4 et 5 bien que l'on puisse évidemment The upper and lower parts of the heat shield form parts that engage one into the other as shown in FIGS. 4 and 5, although of course

prévoir d'autres solutions telles que des liaisons par sou- provide for other solutions such as links by

dure. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de tough. Of course, the present invention is not limited to the embodiments described and shown, but it is capable of numerous variants accessible to humans.

l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. art without departing from the spirit of the invention.

26 0 6 1 3 126 0 6 1 3 1

Claims

1.- Heat shield for heat exchangers, characteristics

in that it comprises at least two series of blades (31,

32) which intersect and form a cellular honeycomb

the prismatics (35) each of which is traversed by one of the

tubes of the bundle of tubes (11).

2. Thermal screen according to claim 1, characterized

in that the blades (31, 32) are supported at their

ends by a cylindrical ring (16) presenting a di-

meter lower than the shell (10) of the exchanger so as to create an annular gap (17) around this ring and in that suitable slots (21) are formed in the walls of the ring (16) to allow the entry of a heat exchange fluid circulating around the tubes of the beam

of tubes (11).

3. Thermal screen according to one of claims 1 or

2, characterized in that it is located near a tube plate (12) and in that it is arranged in two layers of blades (31, 32), one being located below and one 'other

above the area of the ring (16) provided with slots (21).

4. Thermal screen according to any one of the

cations, characterized in that the two series of blades (31, 32) intersect so as to form a plane of lozenges, squares or rectangles, in the center of which passes the axis

a pipe of the bundle of tubes (11).

5. Thermal screen according to any one of the

cations, characterized in that the two series of blades (31, 32) are provided with slots (33, 34) where they intersect, these slots extending over half of their height and having a width substantially equal to the thickness of these blades and in that these slots (33, 34) extending from the upper edge to the center of the blade for the first series and from the lower edge to the center of the blade

for the second series.

6. Thermal screen according to any one of the

cations, characterized in that it comprises more than two series of blades (31, 32), in particular three series of blades

likely to form a prismatic cell bee id

triangular or hexagonal.

7. Thermal screen according to any one of the

previous arrangements, characterized in that the blades (31, 32) are connected to each other by welding.