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Perfectionnements aux surfaces de chauffe aquatubulaires.
L'invention a pour objet de transformer la surface exté- rieure de tubes cylindriques faits de métaux étirés de haute ré- sistance dans le but d'obtenir de nouveaux résultats aux points . de vue des échanges thermiques, de la réduction des pertes de charge du flux gazeux, et de la suppression des dépôts de pous- sières.
On sait - et surtout depuis les remarquables études des films gazeux par le Dr. Ing. Hans Thoma de Munich - que dans une surface de chauffe aquatubulaire disposée suivant Fig. 1, la face postérieure al des tubes a, placée hors du trajet ef- fectif des gaz, est le siège d'un échange thermique de beau- coup moins actif que leur face antérieure a2, contre laquelle le contact des gaz est intégral.
On sait aussi que les chocs répétés des gaz à la rencon- ' tre des tubes, ainsi que les déformations successives du flux gazeux, accompagnées de changements de direction, ont pour ré- , sultat de créer des remous et des résistances importantes au mouvement des gaz,. résistances qui doivent être surmontées par un supplément de tirage ou de pression.
On sait enfin que les gaz chargés de poussières abandon-
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nent facilement celles-ci aux endroits a1 (Fig. 1) où leur vitesse est très réduite, et où les poussières s'accumulent bientôt sous forme de prismes triangulaires b formant de véri- tables enduits d'isolation thermique.
Ces divers inconvénients sont encore aggravés lorsque les tubes cylindriques sont garnis de nervures ou d'ailettes embrassant le corps des tubes.
Il en résulte que le rendement moyen de tubages ainsi disposés n'atteint qu'une fraction notablement réduite de celui qui correspondrait à leur surface totale.
L'invention repose sur la faculté que possèdent les mé- taux, fer ductile ou fonte de fer, de transmettre par conduc- tibilité des sommes de chaleur dont l'importance est fonction des sections de métal mises en jeu; elle consiste essentielle- ment à modifier la forme des tubes cylindriques en métaux étirés en les enrobant dans un corps métallique avec lequel ils sont en contact intime et dont les faces extérieures principa- les offertes au léchage du flux gazeux sont rectilignes et pa- rallèles au plan axial des tubes.
Si un tube renfermant un liquide est mis en contact inti- me avec un corps métallique placé dans un courant de gaz de température différente, et qui ait une épaisseur importante par rapport à sa surface, ce corps représentera un prolonge- ment effectif de la surface du tube lui-même, et la tempéra- ture de l'ensemble s'uniformisera d'autant mieux que sera plus forte l'épaisseur du corps, dénommé ci-après "corps de con- centration".
Cette association du tube cylindrique étiré avec le corps métallique qui l'enveloppe, permet d'assigner aux surfaces extérieures des formes spéciales qui, en supprimant tous remous par changements de direction du flux gazeux, écartent la cause principale des dépots poussiéreux et des résistances au passa- ge des gaz.
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Les appareils peuvent être disposés pour que le flux gazeux circule, soit perpendiculairement, soit parallèlement à la direction des tubes renfermant le liquide.
La fig. 2 représente le type élémentaire de la première disposition caractérisé par un tube a en métal étiré, entouré du corps métallique c en fonte de fer, fer laminé ou autres métaux, qui recouvre toute la longueur du tube.
La flèche d indique la direction du courant gazeux qui, après avoir pénétré par les surfaces adductrices e, passe entre les surfaces planes f; ces surfaces f peuvent être paral- lèles entre elles suivant Fig. 2, ou légèrement divergentes suivant Fig. 3. Par cette dernière disposition, appliquée pour gaz chauffants, et lorsqu'il est nécessaire de réduire les pertes de charge au minimum, la vitesse des gaz à la sortie est réduite tout à la fois par un certain accroissement de la section et par la réduction de volume correspondante au refroidissement des gaz; pour assurer l'épanouissement op- timum des gaz à la sortie, l'élément métallique peut être complété par une pièce h en matière réfractaire quelconque dont le profil rappelle celui d'une poupe de navire.
D'ailleurs, la surface métallique i (Fig. 2 et 3) est considérée comme inactive et destinée, si les pièces h ne sont pas appliquées, à être bientôt remplie par les poussières, tandis que les surfaces actives e, f restent absolument libres de tous dépôts.
La section évidée i pourrait évidemment être remplie de métal, mais le poids total deviendrait beaucoup plus élevé sans aucune utilité. suivant l'importance des échanges thermiques à obtenir; le corps de concentration c peut être accouplé (Fig. 4) à un ou plusieurs corps supplémentaires c1 superposés, dont chacun comporte un tube étiré a.
Ces différents corps peuvent aussi n'en former qu'un seul c (Fig. 5) enveloppant deux ou plusieurs tubes; dans ce cas
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les évidements j sont ménagés dans ces corps pour en réduire le poids, ce qui est particulièrement facile si lesdits corps sont coulés en fonte.
Les appareils peuvent également être disposés pour que le courant gazeux circule parallèlement à la direction des tubes a; les profils des surfaces sont toujours rectilignes dans le sens du flux gazeux, Mais ils peuvent affecter des formes assez diverses, dont les deux principales sont représen- tées en Fig. 6 et 7.
La Fig. 6 représente des corps plats c juxtaposés dans lesquels les tubes a sont noyés; le flux gazeux passe en k entre les deux surfaces rectilignes f ; les trous j constituent les évidements,
La fig. 7 représente un autre profil d'éléments en étoile qui, par leur juxtaposition, forment des passages de gaz cir- culaires faciles à nettoyer si c'était nécessaire; a sont les tubes étirés, c les corps de concentrationet k les passages des gaz.
Chaque tube peut être fixé dans un corps de concentration isolé ; mais plusieurs tubes peuvent être pris dans une seule de garniture composée de plusieurs corps/concentration en étoiles formant, par exemple, une rangée de quelques tubes, ou toute autre combinaison d'assemblage.
Lorsqu'il s'agit de refroidir des gaz très chauds, le corps de concentration c peut avoir une section transversale uniforme sur toute sa longueur, sa surface .extérieure restant lisse (Fig. 2,3,4,5).
Il est cependant, dans la plupart des cas, pourvu de nervures ou de lames telles que 1 parallèles entre elles (Fig.
8), placées dans des plans perpendiculaires (Fig.9) ou obli- ques (Fig. 10) par rapport à l'axe du tubage, et qui consti- tuent ainsi des ailettes développant la surface du corps.de concentration.
Chacun des corps de concentration représentés aux figures
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ci-dessus décrites, qu'il soit monotubulaire ou multitubulaire, constitue un élément d'échange.
Les Fig. 2, 3, 4 et 6 représentent deux éléments sembla- bles juxtaposés; le nombre de ces éléments juxtaposés peut évidemment être quelconque, de même que la longueur axiale de chaque élément, suivant l'importance des échanges thermi- ques à obtenir.
Les tubes étirés qui sont insérés dans la masse des corps de concentration peuvent être rigoureusement parallèles entre eux ou légèrement obliques les uns par rapport aux au- tres lorsque leur réunion forme un serpentin; dans ce dernier cas, ils peuvent être faits d'un seul bout ou de longueurs droites réunies l'une à l'autre, par leurs extrémités, à 1' aide de boites, raccords ou coudes appropriés.
Les éléments d'échange, établis suivant l'une ou l'autre des variantes décrites ci-dessus, sont juxtaposés en nombre quelconque, et chacun d'eux est relié, par sa partie inférieure, à un collecteur d'alimentation, et par sa partie supérieure à un collecteur de sortie.
Les Fig. il et 12 représentent en deux vues perpendicu- laires l'une sur l'autre l'assemblage normal d'éléments tra- versés verticalement par les gaz, et reliés à un collecteur d'alimentation m ainsi qu'à un collecteur de sortie n. Dans cette position, fréquemment appliquée, les divers tubes a de chaque élément sont superposés les uns aux autres et cette superposition suffit, si même les tubes sont horizontaux et parallèles entre eux, à assurer la circulation des fluides qu'ils renferment.
Lorsque l'assemblage des éléments doit être traversé par un flux gazeux horizontal, il est nécessaire, pour obtenir la marche des deux fluides à contre-courant, de placer horizon- talement aussi les éléments juxtaposés; mais cette position horizontale présentait l'inconvénient de paralyser la circu-
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lation des fluides liquides renfermés dans les tubes. La
Fig. 13 représente la disposition spéciale employée pour as- surer la marche à contre-courant dans le sens horizontal en même temps que la circulation ascendante ou descendante des fluides renfermés dans les tubes.
Tandis que le flux gazeux extérieur chemine horizontalement suivant V W le fluide inté- rieur chemine à contre-courant suivant X Y ; mais chaque élé- ment est légèrement incliné sur l'horizon, de façon que chacun des tubes qui le compose se trouve à un niveau légèrement dif- férent du niveau du tube voisin; cette légère différence de niveau suffit à assurer la circulation inférieure, si même chacun des tubes est isolément horizontal.
Tous les dispositifs précédents supposent les tubes tra- versés par un liquide; l'invention prévoit néanmoins qu'ils peuvent être aussi bien traversés par de la vapeur.
Quoique, suivant l'invention, les corps de concentration décrits puissent se faire en pièces détachées, enfilées, jux- taposées et serties sur le ou les tubes par tous les moyens connus, l'invention se rapporte aussi à l'emploi des moyens ci-après qui permettent la réalisation des corps de concentra- tion en fonte par la coulée directe de la fonte sur les tubes en métaux étirés.
Ce mode de réalisation doit satisfaire à certaines con- ditions spéciales; la masse de fonte qui constitue le corps de concentration ne doit comporter que les épaisseurs utiles à la transmission de la chaleur, afin de ne pas augmenter inu- tilement le poids et le volume des appareils.
C'est ainsi que l'épaisseur du corps, dans ses parties planes, ne doit être que de quelques millimètres supérieure au diamètre extérieur des tubes étirés qui y sont noyés; mais ceux-ci, au contact de la fonte en fusion, subissent de vio- lentes dilatations qui tendent à les déformer en les déplaçant, et produisent des -pièces inutilisables.
Or le centrage transversal des tubes doit être maintenu
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rigoureusement exact dans le corps de fonte, afin de conserver à celui-ci sa régularité d'épaisseur, même aux endroits où cette épaisseur doit être le plus réduite.
Dans le moulage, soit en sable, soit en coquille métalli- que, ce résultat est obtenu en faisant coulisser les tubes librement dans de véritables guides métalliques qui peuvent être constitués de différentes fagons. La plus simple consis- te, suivant Fig. 14 et 15, à enfiler de place en place, sur les tubes étirés, des plaques de tôle de fer ou d'acier o découpées suivant le profil transversal que doit avoir le corps de concentration. Ces plaques viennent s'appuyer sur le moule et restent prises dans la fonte après la coulée; elles ont de concentration en outre pour effet de fragmenter le corps/en une série de tronçons juxtaposés, séparés entre eux par les plaques de tôle, et libres de subir des efforts de dilatation quelque peu dif- férents de ceux que subiront les tubes intérieurs faits de métaux ductiles.
Le centrage des tubes dans les moules peut être également obtenu à l'aide de pointeaux p (ou de couteaux) en fer ou acier, de profil légèrement cônique, fixés aux châssis de fonderie q (ou aux parois des coquilles métalliques) (Fig. 16), de telle façon qu'ils viennent, lorsque le moule est refermé pour la coulée, appuyer sur les tubes étirés a dans les di- rections voulues pour assurer leur centrage parfait, tout en laissant les tubes libres de se dilater longitudinalement par glissement ,
Dès que la coulée est faite, et que les tubes étirés sont pris dans la fonte, ces pointeaux (ou couteaux) sont retirés facilement grâce à leur profil cônique (ou en forme de V); leur extraction laisse leur empreinte en creux dans le corps de concentration, ce qui n'entraîne aucun inconvénient.
Enfin, lorsque le corps de concentration doit être garni extérieurement des nervures ou ailettes 1 décrites ci-avant,
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ces extensions de surface peuvent, au lieu de venir de fonte d'une pièce avec le corps de concentration, être constituées par des lames métalliques, en fonte, en fer ou en acier rap- portées dans le moule de fonderie pour être prises dans la fonte du corps c lors de la coulée de celui-ci; dans ce cas, suivant Fig. 17 et 18, ces lames rapportées 1 sont posées di- rectement en contact avec les tubes a sur chaque face de ceux-ci.
Ces lames rapportées 1 sont maintenues en place, pour la coulée, soit par le sable de moulage, soit par les parois de la coquille métallique.
Revendications.
1.- Procédé pour la construction d'échangeurs de chaleur suivant lequel des tubes cylindriques faits de métaux étirés de haute résistance sont pourvus de garnitures métalliques adhérentes, laminées, estampées ou fondues, caractérisé par la modification de la forme des tubes cylindriques en les enrobant dans un corps métallique avec lequel ils sont en contact intime et dont les faces extérieures principales of- fertes au léchage du flux gazeux sont rectilignes et paral- lèles au plan axial des tubes.
2. - Echangeur selon 1, caractérisé en ce que le corps de concentration est rectangulaire et a une épaisseur légè- rement supérieure au diamètre du ou des tubes.
3. - Echangeur selon 1 et 2 comportant plusieurs tubes, caractérisé en ce que les faces formant les grands côtés du corps de concentration rectangulaire sont parallèles au plan axial des tubes.
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Improvements to aquatubular heating surfaces.
The object of the invention is to transform the outer surface of cylindrical tubes made of high strength drawn metals in order to obtain new results at the points. from the point of view of heat exchanges, the reduction of pressure drops in the gas flow, and the elimination of dust deposits.
We know - and especially since the remarkable studies of gas films by Dr. Ing. Hans Thoma from Munich - that in an aquatube heating surface arranged according to Fig. 1, the rear face a1 of the tubes a, placed outside the actual path of the gases, is the seat of a much less active heat exchange than their anterior face a2, against which the gas contact is integral.
It is also known that the repeated impacts of the gases at the meeting of the tubes, as well as the successive deformations of the gas flow, accompanied by changes of direction, have the result of creating eddies and significant resistance to the movement of the tubes. gas,. resistances which must be overcome by additional draft or pressure.
Finally, we know that gases laden with dust abandon-
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These easily emerge at places a1 (Fig. 1) where their speed is very low, and where dust soon accumulates in the form of triangular prisms b forming real thermal insulation coatings.
These various drawbacks are further aggravated when the cylindrical tubes are lined with ribs or fins embracing the body of the tubes.
The result is that the average yield of casings thus arranged reaches only a significantly reduced fraction of that which would correspond to their total surface.
The invention is based on the faculty possessed by metals, ductile iron or cast iron, of transmitting by conducibility sums of heat the size of which depends on the sections of metal involved; it essentially consists in modifying the shape of the cylindrical tubes of drawn metals by coating them in a metallic body with which they are in intimate contact and whose main exterior faces offered for licking the gas flow are rectilinear and parallel to the axial plane of the tubes.
If a tube containing a liquid is brought into intimate contact with a metallic body placed in a stream of gas of different temperature, and which has a large thickness in relation to its surface, this body will represent an effective extension of the surface. of the tube itself, and the temperature of the assembly will become more uniform the greater the thickness of the body, hereinafter referred to as "concentration body".
This association of the stretched cylindrical tube with the metallic body which surrounds it, allows the external surfaces to be assigned special shapes which, by suppressing all eddies by changes in the direction of the gas flow, rule out the main cause of dust deposits and resistance to the throttle passage.
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The devices can be arranged so that the gas flow circulates, either perpendicularly or parallel to the direction of the tubes containing the liquid.
Fig. 2 represents the elementary type of the first arrangement characterized by a tube a of drawn metal, surrounded by the metal body c of cast iron, rolled iron or other metals, which covers the entire length of the tube.
The arrow d indicates the direction of the gas current which, after having penetrated through the adducting surfaces e, passes between the flat surfaces f; these surfaces f can be parallel to each other according to FIG. 2, or slightly divergent according to Fig. 3. By this last arrangement, applied for heating gases, and when it is necessary to reduce the pressure losses to a minimum, the speed of the gases at the outlet is reduced both by a certain increase in the section and by the reduction in volume corresponding to gas cooling; to ensure the optimum expansion of the gases at the outlet, the metal element can be completed by a part h of any refractory material whose profile resembles that of a ship's stern.
Moreover, the metallic surface i (Fig. 2 and 3) is considered as inactive and destined, if the parts h are not applied, to be soon filled with dust, while the active surfaces e, f remain absolutely free. of all deposits.
The hollowed-out section i could obviously be filled with metal, but the total weight would become much higher without any use. according to the importance of the heat exchanges to be obtained; the concentration body c can be coupled (Fig. 4) to one or more additional superimposed bodies c1, each of which comprises a stretched tube a.
These different bodies can also form a single c (Fig. 5) enveloping two or more tubes; in that case
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the recesses j are made in these bodies to reduce their weight, which is particularly easy if said bodies are cast in cast iron.
The devices can also be arranged so that the gas stream flows parallel to the direction of the tubes a; the profiles of the surfaces are always rectilinear in the direction of the gas flow, but they can take on quite diverse shapes, the two main ones of which are shown in Fig. 6 and 7.
Fig. 6 shows juxtaposed flat bodies c in which the tubes a are embedded; the gas flow passes in k between the two rectilinear surfaces f; the holes j constitute the recesses,
Fig. 7 shows another profile of star elements which, by their juxtaposition, form circular gas passages which are easy to clean if necessary; a are the stretched tubes, c the bodies of concentration, and k the gas passages.
Each tube can be fixed in an isolated concentrator body; but several tubes can be taken in a single packing composed of several bodies / star concentration forming, for example, a row of a few tubes, or any other assembly combination.
When it comes to cooling very hot gases, the concentrator body c can have a uniform cross-section along its entire length with its outer surface remaining smooth (Fig. 2,3,4,5).
However, in most cases it is provided with ribs or blades such as 1 parallel to each other (Fig.
8), placed in planes perpendicular (Fig. 9) or oblique (Fig. 10) with respect to the axis of the casing, and which thus constitute fins developing the surface of the concentration body.
Each of the concentration bodies shown in the figures
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described above, whether monotubular or multitubular, constitutes an exchange element.
Figs. 2, 3, 4 and 6 represent two similar juxtaposed elements; the number of these juxtaposed elements can obviously be any, as can the axial length of each element, depending on the extent of the heat exchanges to be obtained.
The drawn tubes which are inserted into the mass of the concentration bodies can be strictly parallel to one another or slightly oblique with respect to each other when their union forms a coil; in the latter case, they may be made of a single end or of straight lengths joined together at their ends, using suitable boxes, fittings or elbows.
The exchange elements, established according to one or the other of the variants described above, are juxtaposed in any number, and each of them is connected, by its lower part, to a supply manifold, and by its upper part to an outlet manifold.
Figs. 11 and 12 represent in two views perpendicular to one another the normal assembly of elements traversed vertically by the gases, and connected to a supply manifold m as well as to an output manifold n . In this position, frequently applied, the various tubes a of each element are superimposed on each other and this superposition is sufficient, even if the tubes are horizontal and parallel to each other, to ensure the circulation of the fluids which they contain.
When the assembly of the elements must be crossed by a horizontal gas flow, it is necessary, in order to obtain the operation of the two fluids against the current, to also place the juxtaposed elements horizontally; but this horizontal position had the disadvantage of paralyzing the circulation.
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lation of liquid fluids contained in the tubes. The
Fig. 13 shows the special arrangement employed to ensure the countercurrent operation in the horizontal direction at the same time as the upward or downward circulation of the fluids contained in the tubes.
While the external gas flow travels horizontally along V W, the internal fluid travels against the current along X Y; but each element is slightly inclined on the horizon, so that each of the tubes which compose it is at a level slightly different from the level of the neighboring tube; this slight difference in level is sufficient to ensure the lower circulation, even if each of the tubes is separately horizontal.
All the preceding devices assume the tubes crossed by a liquid; the invention nevertheless provides that they can also be crossed by steam.
Although, according to the invention, the concentration bodies described can be made in separate parts, threaded, juxtaposed and crimped on the tube or tubes by any known means, the invention also relates to the use of the above means. -after which allow the production of cast iron concentration bodies by direct casting of the cast iron on the drawn metal tubes.
This embodiment must meet certain special conditions; the mass of cast iron which constitutes the concentration body must only contain the thicknesses useful for the transmission of heat, so as not to unnecessarily increase the weight and volume of the apparatus.
It is thus that the thickness of the body, in its flat parts, should be only a few millimeters greater than the external diameter of the drawn tubes which are embedded therein; but these, in contact with molten iron, undergo violent expansions which tend to deform them by moving them, and produce unusable parts.
However, the transverse centering of the tubes must be maintained
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rigorously exact in the cast iron body, in order to keep the latter its regularity of thickness, even in places where this thickness must be the smallest.
In molding, either in sand or in metal shell, this result is obtained by sliding the tubes freely in real metal guides which can be made of different shapes. The simplest consists, according to Fig. 14 and 15, to be threaded from place to place, on the drawn tubes, sheets of sheet iron or steel o cut according to the transverse profile that the concentration body must have. These plates come to rest on the mold and remain caught in the cast iron after casting; their concentration furthermore has the effect of fragmenting the body / into a series of juxtaposed sections, separated from each other by the sheet metal plates, and free to undergo expansion stresses somewhat different from those which the inner tubes will undergo. ductile metals.
The centering of the tubes in the molds can also be obtained using p needles (or knives) made of iron or steel, with a slightly conical profile, fixed to the foundry frames q (or to the walls of the metal shells) (Fig. 16), so that when the mold is closed for casting, press the drawn tubes a in the desired directions to ensure their perfect centering, while leaving the tubes free to expand longitudinally by sliding ,
As soon as the casting is done, and the drawn tubes are caught in the cast iron, these needles (or knives) are easily removed thanks to their conical (or V-shaped) profile; their extraction leaves their imprint in the concentration body, which does not cause any inconvenience.
Finally, when the concentration body must be lined on the outside with ribs or fins 1 described above,
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these surface extensions can, instead of coming from cast iron in one piece with the concentration body, be made up of metal, cast iron, iron or steel blades brought into the foundry mold to be taken into the melting of the body c during the casting thereof; in this case, according to Fig. 17 and 18, these inserts 1 are placed directly in contact with the tubes a on each side of the latter.
These attached blades 1 are held in place, for casting, either by the molding sand or by the walls of the metal shell.
Claims.
1.- Process for the construction of heat exchangers according to which cylindrical tubes made of drawn metals of high resistance are provided with adherent metal linings, rolled, stamped or melted, characterized by the modification of the shape of the cylindrical tubes by coating them in a metal body with which they are in intimate contact and whose main external faces offered for licking the gas flow are rectilinear and parallel to the axial plane of the tubes.
2. - Exchanger according to 1, characterized in that the concentration body is rectangular and has a thickness slightly greater than the diameter of the tube or tubes.
3. - Exchanger according to 1 and 2 comprising several tubes, characterized in that the faces forming the long sides of the rectangular concentration body are parallel to the axial plane of the tubes.
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