FR2663724A1

FR2663724A1 - TUBULAR HEAT EXCHANGER FOR RESPECTIVELY HOT AND COLD FLUIDS WITH LARGE DIFFERENCES RESPECTIVELY FROM TEMPERATURE AND PRESSURE.

Info

Publication number: FR2663724A1
Application number: FR9007800A
Authority: FR
Inventors: Rey Pierre Georges; Duponteil Gilbert Charles
Original assignee: Babcock Entreprise
Current assignee: Babcock Entreprise
Priority date: 1990-06-21
Filing date: 1990-06-21
Publication date: 1991-12-27
Anticipated expiration: 2010-06-21
Also published as: DE69100557T2; EP0462903A1; FR2663724B1; EP0462903B1; ES2052342T3; DE69100557D1; DK0462903T3

Abstract

L'invention concerne un échangeur de chaleur à calandre cylindrique (1) contenant des tubes droits de passage de fluide (6) et fixée, à ses extrémités opposées, respectivement à deux plaques tubulaires (5) en étant reliée à au moins l'une de celles-ci par un raccordement flexible (7). Entre le raccordement flexible (7) et l'extrémité adjacente de la calandre (1) est interposée une pièce annulaire coaxiale rigide de jonction (8) reliée respectivement à la calandre (1) et au raccordement flexible (7) en étant en saillie radialement interne et de section suffisantes pour limiter au maximum l'accroissement du diamètre de calandre et le déplacement du point d'attache du raccordement flexible sur la pièce annulaire sous l'effet de la pression interne. L'invention est applicable à des échangeurs de chaleur à plaques tubulaires minces et à tubes de grande longueur.The invention relates to a heat exchanger with a cylindrical shell (1) containing straight tubes for the passage of fluid (6) and fixed, at its opposite ends, respectively to two tube plates (5) by being connected to at least one of these by a flexible connection (7). Between the flexible connection (7) and the adjacent end of the shell (1) is interposed a rigid coaxial annular junction piece (8) connected respectively to the shell (1) and to the flexible connection (7) while projecting radially internal and of sufficient section to limit as much as possible the increase in the shell diameter and the displacement of the attachment point of the flexible connection on the annular part under the effect of the internal pressure. The invention is applicable to heat exchangers with thin tubes and tubes of great length.

Description

1 - La présente invention concerne généralement et a essentiellement pour1 - The present invention relates generally and essentially to

objet un dispositif formant échangeur de chaleur pour le refroidissement ou le réchauffage de fluides en particulier à haute température, notamment pour au moins deux fluides respectivement chaud et froid entre lesquels existent de grandes différences respectivement de température et de pression, du type à corps sensiblement cylindrique formant calandre contenant au moins un faisceau de tubes droits de passage de fluide de préférence de grande longueur, fixé, à ses extrémités opposées, respectivement à deux plaques tubulaires notamment relativement minces reliées par une calandre, attachée à au moins l'une des plaques tubulaires par un raccordement flexible L'invention se rapporte également aux diverses applications et utilisations résultant de la mise en oeuvre d'un tel dispositif et aux appareils, systèmes et installations qui object forming a heat exchanger device for cooling or heating fluids, in particular at high temperature, especially for at least two respectively hot and cold fluids between which there are large differences respectively in temperature and pressure, of the substantially cylindrical body type forming a shell containing at least one bundle of straight tubes of fluid passage preferably of great length, fixed at its opposite ends, respectively to two particularly thin tubular plates connected by a shell, attached to at least one of the tubesheet The invention also relates to the various applications and uses resulting from the implementation of such a device and to devices, systems and installations which

en sont pourvus.are provided with it.

Dans des échangeurs thermiques connus de ce genre, lorsqu'il existe une grande différence de température entre le fluide circulant à l'intérieur des tubes et le fluide s'écoulant à l'intérieur de la calandre en baignant les tubes ainsi que dans le cas d'une grande différence de pression entre ces deux fluides, il se produit une différence d'allongement importante entre la calandre et les tubes, voire même un raccourcissement de la calandre et un allongement des tubes A cause de la haute température du fluide s'écoulant dans les tubes, il se produit une dilatation différentielle entre ceux-ci et la calandre, qui contraint les plaques tubulaires et leur raccordement à la In known heat exchangers of this kind, when there is a large difference in temperature between the fluid circulating inside the tubes and the fluid flowing inside the shell by bathing the tubes and in the case a large difference in pressure between these two fluids, there is a significant difference in elongation between the shell and the tubes, or even a shortening of the calender and an elongation of the tubes because of the high temperature of the fluid s' flowing in the tubes, differential expansion occurs between them and the shell, which constrains the tube plates and their connection to the

calandre.grille.

Lorsque l'échangeur de chaleur est soumis à la pression s'exerçant à l'intérieur de la calandre et aux températures de service, on constate les déformations mécaniques suivantes résultant de l'application des principes de la résistance des matériaux aux constructions en métal: la pression, exercée à l'intérieur de la calandre, créé une augmentation du diamètre de la calandre et un 2 - raccourcissement de sa longueur; l'augmentation de diamètre accroit la contrainte de membrane dans la plaque tubulaire et dans son raccord à la calandre tandis que le raccourcissement accroît la différence d'allongement entre tubes et calandre et augmente donc les sollicitations exercées sur le raccordement entre plaques tubulaires et calandre; la pression, à l'intérieur de la calandre, allonge les tubes par effet de flambement et, de ce fait, accroît les contraintes dans les plaques tubulaires et dans leur liaison When the heat exchanger is subjected to the pressure exerted inside the calender and at the operating temperatures, the following mechanical deformations resulting from the application of the principles of the resistance of the materials to the metal constructions are observed: the pressure exerted inside the shell creates an increase in the calender diameter and a shortening of its length; the increase in diameter increases the membrane stress in the tube plate and in its connection to the shell while the shortening increases the difference in elongation between tubes and calender and thus increases the stresses exerted on the connection between tube plates and calender; the pressure, inside the shell, lengthens the tubes by the effect of buckling and, consequently, increases the stresses in the tubes plates and in their connection

à la calandre.at the grille.

Dans la technique antérieure, diverses solutions ont déjà été utilisées pour pallier ces inconvénients d'origine thermique et mécanique Un moyen connu à cet effet consiste à façonner la calandre de façon à y former ou incorporer, en un emplacement quelconque de son étendue longitudinale, au moins un soufflet annulaire coaxial de dilatation thermique qui absorbe la différence d'allongement totale entre la calandre et les tubes, laquelle provient de l'effet de pression sur la calandre et sur les tubes et de la différence de température entre calandre et tubes Dans une variante de calandre avec soufflet de dilatation, au moins l'une des deux plaques tubulaires ou chacune d'elles est pourvue d'un raccordement flexible à la calandre qui peut avoir une forme quelconque et cette solution est particulièrement employée quand la construction comprend des plaques tubulaires minces étayées par les tubes ou par des In the prior art, various solutions have already been used to overcome these disadvantages of thermal and mechanical origin A known means for this purpose is to shape the calender in such a way as to form or incorporate, at any location of its longitudinal extent, the minus a coaxial annular heat expansion bellows which absorbs the difference in total elongation between the shell and the tubes, which results from the pressure effect on the shell and the tubes and the temperature difference between the shell and the tubes. shell variant with bellows of expansion, at least one of the two tubular plates or each of them is provided with a flexible connection to the calender which can have any shape and this solution is particularly used when the construction comprises plates tubular tubes supported by the tubes or by

tirants les reliant entre elles ou par les deux. ties connecting them or both.

Ce système à soufflet de dilatation ou sa variante de réalisation précitée, qui permet de résister à de plus hautes pressions, est limité en pratique et ne peut s'appliquer aux échangeurs de chaleur qui fonctionnent avec de grands allongements différentiels entre les tubes et la calandre sans entraîner de très importants surcoûts causés This expansion bellows system or its aforementioned variant, which makes it possible to withstand higher pressures, is limited in practice and can not be applied to heat exchangers that operate with large differential elongations between the tubes and the shell without incurring very large additional costs

par ses grandes dimensions.by its large dimensions.

L'invention a principalement pour but d'éviter ou de surmonter ces difficultés en diminuant la déformation subie 3 - par la partie formant le soufflet de dilatation ou raccordement flexible lorsqu'elle est directement attachée à The main purpose of the invention is to avoid or overcome these difficulties by reducing the deformation experienced by the part forming the expansion bellows or flexible connection when it is directly attached to

l'une ou à chacune des deux plaques tubulaires. one or each of the two tubular plates.

Dans un échangeur de chaleur du type mentionné au début, ce problème technique est résolu conformément à l'invention par le fait qu'entre le raccordement flexible précité, munissant au moins l'une ou chacune des deux plaques tubulaires précitées, et l'extrémité adjacente de la calandre est interposée une pièce annulaire coaxiale rigide de jonction reliée respectivement à ladite calandre et audit raccordement flexible, ladite pièce annulaire étant en saillie radialement interne et de section suffisante pour limiter au maximum, d'une part, l'accroissement du diamètre de la calandre et, d'autre part, le déplacement du point d'attache du raccordement flexible sur ladite pièce In a heat exchanger of the type mentioned at the beginning, this technical problem is solved according to the invention by the fact that between the aforementioned flexible connection, providing at least one or each of the two aforementioned tubular plates, and the end adjacent to the shell is interposed a rigid coaxial annular junction piece respectively connected to said shell and said flexible connection, said annular piece being radially inner projecting and of sufficient section to minimize, on the one hand, the increase in diameter of the calender and, on the other hand, the displacement of the point of attachment of the flexible connection on said part

annulaire sous l'effet de la pression intérieure. annular under the effect of the internal pressure.

La présence de cet élément annulaire a pour effet de diminuer considérablement les contraintes subies par le raccordement flexible de la calandre à la plaque tubulaire, cet effet étant d'autant plus sensible que la pression, s'exerçant dans la calandre, est plus élevée et, accessoirement, de décroître les contraintes dans la plaque tubulaire elle-même Cette réduction des contraintes, obtenue par la présence de l'élément annulaire précité, permet, à conditions de service égales, de construire l'appareil avec des tubes plus longs donc d'en réduire le coût L'invention permet aussi d'utiliser le type d'échangeur thermique à plaques tubulaires minces raccordées de manière flexible à la virole formant calandre, dans des conditions d'utilisation plus sévères, c'est-àdire à une The presence of this annular element has the effect of considerably reducing the stresses experienced by the flexible connection of the shell to the tube plate, this effect being all the more sensitive as the pressure exerted in the shell is higher and , incidentally, to decrease the stresses in the tubular plate itself This reduction in stresses, obtained by the presence of the aforementioned annular element, allows, under equal service conditions, to build the apparatus with longer tubes so that The invention also makes it possible to use the type of heat exchanger with thin tubular plates flexibly connected to the shell forming a shell, under more severe conditions of use, that is to say at a lower temperature.

pression ou différence de température très importante. pressure or temperature difference very important.

En donnant des dimensions convenables à la pièce annulaire précitée, la présence de cette pièce diminue les effets désavantageux précités par le fait que la pièce annulaire présente alors une rigidité suffisante pour réduire considérablement l'augmentation de diamètre de la calandre et également pour réduire son raccourcissement par 4 - la traction exercée par la force de pression appliquée sur la face latérale de l'épaulement interne formé par cette pièce annulaire, laquelle force induit une tension dans la calandre. Il est important que la pièce annulaire, joignant la calandre à l'une ou à chacune des deux plaques tubulaires, ait une résistance mécanique notamment à la flexion suffisante pour constituer un ensemble à structure très rigide par rapport à cette plaque tubulaire A cet effet et selon une autre caractéristique de l'invention, la différence, entre les rayons intérieurs respectivement de la calandre et de la pièce annulaire, est égale environ à l'épaisseur de la virole précitée formant calandre tandis que l'épaisseur de ladite pièce annulaire (en direction axiale ou longitudinale) est au moins égale au double de By giving the aforementioned annular piece adequate dimensions, the presence of this part reduces the aforementioned disadvantageous effects by the fact that the annular piece then has sufficient rigidity to considerably reduce the increase in calender diameter and also to reduce its shortening. by 4 - the tension exerted by the pressure force applied on the lateral face of the internal shoulder formed by this annular piece, which force induces a tension in the calender. It is important that the annular piece, joining the shell to one or each of the two tubular plates, has a particular mechanical resistance to sufficient bending to form an assembly with a very rigid structure with respect to this tube plate for this purpose and according to another characteristic of the invention, the difference between the inner radii respectively of the shell and the annular part is approximately equal to the thickness of the aforesaid ferrule forming the shell while the thickness of said annular piece (in axial or longitudinal direction) is at least twice the

l'épaisseur de la plaque tubulaire correspondante. the thickness of the corresponding tube plate.

L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci The invention will be better understood and other purposes, features, details and advantages thereof

apparaîtront plus clairement à la lecture de la description will appear more clearly on reading the description

explicative qui va suivre en se reportant au dessin schématique annexé donné uniquement à titre d'exemple non limitatif illustrant un mode de réalisation spécifique actuellement préféré de l'invention et dans lequel la figure unique représente une vue en coupe longitudinale d'un explanatory text which will follow with reference to the appended schematic drawing given solely by way of non-limiting example illustrating a presently preferred specific embodiment of the invention and in which the single figure shows a longitudinal sectional view of a

échangeur de chaleur conforme à l'invention. heat exchanger according to the invention.

Par souci de simplification, on a omis de représenter, sur la figure du dessin, le couvercle ou fond normalement prévu à l'une des extrémités de l'échangeur thermique, la boîte de circulation à l'extrémité opposée de l'échangeur de chaleur, avec les tubulures respectivement d'entrée et de sortie du fluide destiné à circuler dans les tubes, les For the sake of simplicity, it is omitted to represent, in the figure of the drawing, the cover or bottom normally provided at one end of the heat exchanger, the circulation box at the opposite end of the heat exchanger , with the tubing respectively inlet and outlet of the fluid intended to flow in the tubes, the

chicanes à l'intérieur de la calandre. baffles inside the grille.

Selon l'exemple de réalisation de l'invention représenté, l'échangeur de chaleur comprend un corps sensiblement cylindrique circulaire creux 1 formant calandre constituant sa paroi latérale d'enceinte délimitant l'espace intérieur 2 de l'échangeur dans lequel doit circuler l'un des deux fluides chauffant ou refroidisseur pénétrant dans la calandre par la tubulure d'entrée 3 et la quittant par la tubulure de sortie 4 de la calandre La calandre est reliée, à ses extrémités opposées, respectivement à deux plaques tubulaires relativement minces 5 dans lesquelles sont fixés et qui sont traversées par des tubes sensiblement rectilignes 6 s'étendant à travers l'espace intérieur 2 et destinés à la circulation de l'autre fluide en corrélation de transmission calorifique avec le premier fluide qui According to the exemplary embodiment of the invention shown, the heat exchanger comprises a substantially circular hollow cylindrical body 1 forming a shell constituting its enclosure side wall delimiting the interior space 2 of the exchanger in which must flow. one of the two heating or cooling fluids entering the shell through the inlet pipe 3 and leaving it through the outlet pipe 4 of the calandria The calender is connected at its opposite ends to two relatively thin tubular plates 5 in which are fixed and which are traversed by substantially rectilinear tubes 6 extending through the interior space 2 and intended for the circulation of the other fluid in heat transfer correlation with the first fluid which

baigne ces tubes constituant un faisceau tubulaire. baths these tubes constituting a tubular bundle.

Au moins l'une des deux plaques tubulaires 5 et, de préférence, chacune d'elles est reliée, à l'extrémité voisine de la calandre 1, par une partie périphérique 7 constituant un raccordement flexible formant par exemple At least one of the two tubular plates 5 and, preferably, each of them is connected, at the end close to the shell 1, by a peripheral portion 7 constituting a flexible connection forming, for example

soufflet de dilatation ou ayant un effet équivalent. expansion bellows or having an equivalent effect.

La calandre 1 est reliée à ses extrémités opposées respectivement à chaque raccordement flexible 7 de la plaque tubulaire correspondante 5 par un élément annulaire coaxial 8 beaucoup plus épais radialement que la calandre 1 et beaucoup plus épais longitudinalement que la plaque The shell 1 is connected at its ends opposite respectively to each flexible connection 7 of the corresponding tubular plate 5 by a coaxial annular element 8 much thicker radially than the shell 1 and much thicker longitudinally than the plate

tubulaire associée 5.associated tubular 5.

Chaque élément annulaire 8 est solidaire ou fait partie intégrante de la virole 1 formant calandre ou est éventuellement rapporté sur celle-ci Chaque élément annulaire 8 constitue une saillie radialement interne par exemple en forme d'épaulement sur la calandre 1 en Each annular element 8 is integral with or forms an integral part of the ferrule 1 forming a shell or is optionally attached thereto. Each annular element 8 constitutes a radially internal protrusion, for example in the form of a shoulder, on the shell 1.

présentant une configuration sensiblement cylindrique. having a substantially cylindrical configuration.

Chaque élément annulaire 8 est attaché au raccordement Each annular element 8 is attached to the connection

flexible voisin 7 avantageusement par soudage ou analogue. flexible neighbor 7 advantageously by welding or the like.

A titre de simple exemple non restrictif, le fluide, circulant dans les tubes 6, est un gaz chaud à une température de 8500 C qui est à abaisser à 4000 C par échange thermique avec un fluide refroidisseur liquide qui est de l'eau à une pression de 130 bar, circulant dans la calandre 1 Les tubes 6 ont une longueur de 14 mètres entre les deux plaques tubulaires 5 Chaque plaque tubulaire 5 a une épaisseur de 20 mm à 25 mm tandis que la calandre 1 a une 6 - épaisseur de 90 mm et chaque élément ou portion annulaire 8 a une hauteur ou épaisseur radiale de 200 mm donc une saillie radiale de 110 mm et une épaisseur en direction longitudinale de 100 mm Ces dimensions ne sont qu'indicatives car elles doivent être déterminées par un calcul précis des contraintes Elles sont notamment fonction de la qualité des matériaux choisis qui peuvent être de nuances différentes respectivement pour la calandre, chaque élément annulaire, les plaques tubulaires et les autres By way of a simple, non-restrictive example, the fluid circulating in the tubes 6 is a hot gas at a temperature of 8500.degree. C. which is to be lowered to 4000.degree. C. by heat exchange with a liquid cooling fluid which is water at a temperature of pressure 130 bar, circulating in the shell 1 The tubes 6 have a length of 14 meters between the two tubular plates 5 Each tubular plate 5 has a thickness of 20 mm to 25 mm while the shell 1 has a 6 - thickness of 90 mm and each element or annular portion 8 has a height or radial thickness of 200 mm so a radial projection of 110 mm and a thickness in the longitudinal direction of 100 mm These dimensions are only indicative because they must be determined by an accurate calculation of constraints They are in particular a function of the quality of the chosen materials which may be of different shades respectively for the shell, each annular element, the tube plates and the others

parties composantes de l'échangeur. component parts of the exchanger.

Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple Elle couvre notamment aussi tous les moyens équivalents à ceux décrits ainsi que leurs Of course, the invention is not limited to the embodiment described and shown which has been given as an example. It also covers all the means equivalent to those described, as well as their

combinaisons dans le cadre défini par les revendications combinations within the scope defined by the claims

annexées. 7 -attached. 7 -

Claims

R E V E N D I C A T IO N S

1 substantially cylindrical body heat exchanger forming a shell (1) containing at least one bundle of straight fluid passage tubes (6), fixed at its opposite ends, respectively to two tubular plates (5) connected to said shell (1 ) which is attached to at least one of the tubular plates by a flexible connection (7), characterized in that between said flexible connection (7) and the adjacent end of said shell (1) is interposed a coaxial annular piece rigid junction (8) respectively connected to said calender (1) and said flexible connection (7), said annular piece being radially inner projecting and of sufficient section to minimize, on the one hand, the increase in the diameter of the shell (1) and, on the other hand, the displacement of the point of attachment of the flexible connection (7) on said part

annular (8) under the effect of the internal pressure.

2 heat exchanger according to claim 1, characterized in that the difference between the inner radii respectively of the calender (1) and the annular piece (8) above, is equal to about the thickness of said calender (1) while the thickness of said annular piece (8) in longitudinal or axial direction is at least twice the thickness of the tube plate

corresponding (5).

3 heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that each said annular piece (8) is integral or integral with said calender (1) and is attached by welding to the connection

aforementioned flexible neighbor (7).