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Elément de chauffage tubulaire à ailettes.
La présente invention se rapporte à un élément de chauffage tubulaire à ailettes, destiné notamment aux réchauffeurs utili- sant les gaz de fumée. Dans les éléments d'échange de températu- re, à ailettes, tels qu'on les emploie d'habitude, et tout par- ticulièrement dans les tubes économiseurs, où les ailettes sont disposées tout autour et où les parois des tubes ont une épais- seur uniforme, l'accroissement de la vitesse des gaz chauds qui lèchent l'extérieur des éléments d'échange de température - ac- croissement désiré par suite de l'amélioration de la transmis - sion thermique, d'où accroissement du rendement - est limité par l'augmentation de la résistance que les gaz rencontrent dans les passages compris entre les différents éléments de l'agrégat d'échange de température,
limite où les pertes de pression ou' de courant ainsi déterminées, atteignent le maximum admissible.
En outre, les conditions de vitesse varient dans une large me-
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sure à l'intérieur d'un tel agrégat, vu que la vitesse des gaz chauds augmente au fur et à mesure que ces courants de gaz se dirigent vers la section la plus faible des passages formés entre deux tubes échangeurs de température. Par suite de la ré- partition inégale de la chaleur, il en résulte aux différents endroits de la surface du tube une température non uniforme, ce qui provoque des tensions indésirables à l'intérieur du tube.
Les ailettes disposées tout autour contribuent également à l'inégalité de la température du tube, vu que, dans ces surfa- ces de chauffe , on n'a pas suffisamment tenu compte de ce que, par suite des écarts assez sensibles de la chaleur, celle-ci agit de manière non uniforme sur les différents endroits de l'élément d'échange de température.
L'objet de la présente invention supprime les inconvénients précités ; conformément à celle-ci, l'élément d'échange de tem- pérature à ailettes est conformé de telle sorte que les ailettes extérieures ne dépassent pas les dimensions externes, considé- rées dans la direction des gaz chauds qui y passent, du tube à l'intérieur duquel circule le fluide à réchauffer, et que, d'autre part, à partir des endroits d'arrivée et de départ des gaz chauds, l'épaisseur de la paroi de ce tube diminue progres- sivement, le long des ailettes latérales, jusqu'à l'endroit le plus étroit du passage à gaz compris entre deux tubes de chauffe voisins, ce décroissement de l'épaisseur de la paroi correspon- dant donc à la vitesse des gaz chauds qui, inversement, augmente au fur et à mesure que le fluide s'approche de la partie médiane,
la plus étroite, du passage à gaz. La disposition latérale des ai- lettes extérieures permet de situer la surface de chauffe le plus possible dans le courant des gaz chauds léchant l'extérieur des tubes réchauffeurs, et d'obtenir de la sorte, dans un espace donné, une surface de cnauffe aussi grande et efficace que possi- ble par rapport à la surface totale de chauffe, et de supprimer dans une large mesure les surfaces de chauffe peu efficaces se
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trouvant dans la zone neutre du flux.
Le décroissement, suivant la présente invention, de l'épaisseur de la paroi des tubes à ailettes, commençant à l'endroit d'arrivée et de départ des gaz chauds et se poursuivant, le long des ailettes latérales, jusqu'à la plus faible section du passage à gaz compris entre deux tubes voisins, a pour but d'obtenir, à tous les endroits de la section du tube, une température de paroi aussi uniforme que possible, malgré l'accroissement du volume thermique détermi- né par l'augmentation de la vitesse des gaz qui s'y produit, de sorte à supprimer, dans le tube, toutes tensions nuisibles.
En vue d'utiliser encore mieux la contenance thermique des gaz chauds, la présente invention propose d'accroître davantage la vitesse des gaz chauds, grâce au principe de Venturi connu dans la technique des fluides, une grande partie (de l'ordre de. 80 %) de l'énergie de vitesse, à l'endroit le plus étroit du passage à gaz compris entre deux tubes à ailettes voisins, étant de nouveau transformée en énergie de pression, de sorte que la perte en énergie proprement dite qui, dans le cas présent, se traduit par une perte de tirage, est excessivement faible. Bien que, par rapport aux tubes à ailettes tels qu'on les connaît actuellement, on utilise une plus'grande vitesse pour les gaz chauds, la perte de tirage est insensible grâce à l'application du système de Venturi.
Pour réaliser ce dernier, les ailettes latérales s'élar- gissent progressivement à partir des bords d'arrivée et de départ des gaz chauds, et sur toute la hauteur ou section des ailettes, vers la partie médiane, donc en sens inverse du décroissement de l'épaisseur de la paroi des tubes à ailettes. Les vitesses ainsi accrues une seconde fois déterminent donc une augmentation de'l'effet thermique ; la chaleur dont la valeur accroît au fur et à mesure que les gaz s'approchent de l'endroit le plus étroit du passage à gaz, y trouve des surfaces d'ailettes s'élargissant de plus en plus qui la transmettent' au fluide à réchauffer.
Il en résulte en même temps., à l'endroit du plus fort moment de
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flexion, un moment maximum de résistance, de sorte qu'on aboutit àd un renforcement mécanique considérable du tube à ailettes.
Outre les avantages relatifs à l'économie de la chaleur, l'uti- lisation d'ailettes latérales apporte encore des avantages dans la fabrication, si les éléments d'échange de température sont faits en fonte ou en d'autres métaux coulés, vu que pour retirer le modèle lors du moulage, il y a moins de risques de manquer la pièce que dans le cas d'ailettes disposées tout autour du tube, et ce grâce à la disposition uniquement latérale des ailettes, ainsi qu'au joint s'étendant perpendiculairement ; l'opération s'avère donc plus simple. La section des tubes proprement dits peut être ronde ou elliptique, ou bien ovale. Dans ce dernier cas, on suggère une disposition d'après laquelle le grand axe du tube se trouve dans la direction du flux des gaz chauds, tandis que les parties médianes êlargies des ailettes se trou- vent dans le petit axe du tube.
Un autre avantage peut encore être réalisé par l'applica- tion du principe de Venturi aux surfaces latérales des ailettes ; à l'endroit le plus étroit du canal faisant office de tuyère, compris entre les surfaces latérales de deux ailettes voisines, donc dans la partie médiane des ailettes qui vont en s'épaissis- sant vers cet endroit, la quantité de chaleur qui y subit un accroissement,y rencontre donc une plus grande surface de chauffe, suffisante pour transmettre cette quantité de chaleur au fluide à réchauffer passant à l'intérieur du tube. On obtient de la sorte un nouvel accroissement du pouvoir d'absorption de chaleur des différents tubes à ailettes, sans devoir augmenter la surface de chauffe, autrement dit un meilleur rendement thermique avec la même surface de chauffe.
Les ailettes latérales peuvent avoir toute forme voulue, comme par exemple rectangulaire, carrée, bi-trapézoïdale ou ovale ; en outre, ces ailettes latérales pourraient tout aussi bien être subdivisées.
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Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de la présente invention, avec applica- tion du principe de Venturi aussi bien aux passages à gaz com- pris entre les différentes ailettes de deux tubes voisins, qu'aux surfaces latérales des ailettes d'un même tube.
Fig.l représente, en coupe transversale, deux éléments d'échange de température à ailettes, l'un à côté de l'autre.
Fig. 2 est une vue de côté et la
Fig. 3 en est une vue de face.
Dans ces figures, a désigne les tubes proprement dits, à section elliptique, tandis que b désigne les ailettes latéra- les ; d'après le principe de la présente invention, ces ailettes ne dépassent pas les dimensions extérieures du tube a , c'est- à-dire suivant le grand axe de la section elliptique du tube, dans la direction (voir la flèche) du courant des gaz chauds.
Ces surfaces de chauffe se trouvent donc ainsi le plus possible dans le courant des gaz chauds. En vue d'aboutir autant que possible à l'uniformité de la température dans la paroi du tube, l'épaisseur de la paroi diminue, à partir de l'endroit c, vers la partie médiane d des ailettes, c'est-à-dire en sens inverse de l'accroissement de la vitesse des gaz chauds. Un nouvel ac- croissement de vitesse des gaz chauds ne déterminant qu'une très faible perte de tirage, peut être réalisé au moyen du principe de Venturi, et ce aussi bien entre les largeurs 1 des ailettes successives b, qu'aux surfaces latérales f des ailettes b dis- posées l'une à côté de l'autre.
Dans ce but, celles-ci s'élar - gissent uniformément, à partir des bords d'arrivée g et de dé- part h des gaz chauds, jusqu'à la partie centrale d, et ce sur toute la section rectangulaire ou sur toute la hauteur 1 des ailettes, soit en sens inverse du décroissement de l'épaisseur de la paroi du tube, de sorte qu'il en résulte des canaux k, à section rectangulaire, affectant la forme de tuyères. De même, entre les surfaces latérales f de deux ailettes voisines, il est
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formé, par rétrécissement progressif de la section libre, à par- tir des bords d'arrivée g et de départ. h des gaz chauds, des passages 1 faisant également office de tuyères.
REVENDICATIONS.
1. Elément d'échange de température, à tube à ailettes, pour fluides gazéiformes ou liquides, caractérisé en ce que, dans la direction du flux des gaz chauds léchant l'extérieur de l'élément, les ailettes extérieures ne dépassent pas les di- mensions du tube à l'intérieur duquel passe directement le .
fluide à réchauffer, tube dont la paroi, à partir des bords d'arrivée et de départ des gaz chauds, s'amincit progressivement, aux ailettes latérales, jusqu'à l'endroit le plus étroit du passage à gaz compris entre deux tubes voisins, suivant l'ac - croissement de la vitesse des gax chauds qui se produit au fur et à mesure que les gaz s'approchent de la partie médiane du passage, tandis que l'épaisseur des ailettes latérales s'accroît uniformément vers leur partie médiane, et ce sur toute la hau- teur des ailettes, en sens inverse de l'amincissement de la paroi du tube.
2. Elément d'échange de température, suivant revendica- tion 1, caractérisé en ce que la section de passage des tubes dont la paroi s'amincit progressivement vers l'endroit le plus étroit du passage à gaz compris entre deux tubes voisins, est par exemple elliptique, de telle sorte que le grand axe se trouve dans la direction du flux de gaz, tandis que les parties médianes, épaissies, des ailettes se trouvent sur le petit axe du tube.
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Finned tubular heating element.
The present invention relates to a finned tubular heating element, intended in particular for heaters using flue gases. In temperature exchange finned elements, as they are usually employed, and especially in economizer tubes, where the fins are arranged all around and where the walls of the tubes have a thick - uniformity, the increase in the speed of the hot gases which lick the outside of the temperature exchange elements - desired increase as a result of the improvement in thermal transmission - hence increase in efficiency - is limited by the increase in resistance that the gases encounter in the passages between the different elements of the temperature exchange aggregate,
limit where the pressure or current losses thus determined reach the maximum allowable.
In addition, the speed conditions vary widely.
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safe inside such an aggregate, since the velocity of the hot gases increases as these gas streams move towards the smallest section of the passages formed between two heat exchanger tubes. As a result of the uneven distribution of heat, there results at different places on the surface of the tube a non-uniform temperature, which causes undesirable stresses inside the tube.
The fins arranged all around also contribute to the unevenness of the temperature of the tube, given that, in these heating surfaces, no sufficient account has been taken of the fact that, as a result of fairly appreciable variations in heat, this acts in a non-uniform manner on the various places of the temperature exchange element.
The object of the present invention eliminates the aforementioned drawbacks; in accordance with this, the finned temperature exchange element is shaped so that the outer fins do not exceed the outer dimensions, seen in the direction of the hot gases passing through them, of the tube to the interior of which circulates the fluid to be heated, and that, on the other hand, from the points of arrival and departure of the hot gases, the wall thickness of this tube gradually decreases, along the fins sideways, up to the narrowest point of the gas passage between two neighboring heating tubes, this decrease in the thickness of the wall therefore corresponding to the speed of the hot gases which, conversely, increases gradually. as the fluid approaches the middle part,
the narrowest, from the gas passage. The lateral arrangement of the outer fins makes it possible to locate the heating surface as much as possible in the current of the hot gases licking the outside of the heating tubes, and thus to obtain, in a given space, a cnauffe surface as well. large and efficient as possible in relation to the total heating surface, and to a large extent eliminate inefficient heating surfaces.
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located in the neutral zone of the flow.
The decrease, according to the present invention, in the wall thickness of the finned tubes, starting at the point of arrival and departure of the hot gases and continuing, along the side fins, to the lowest section of the gas passage between two neighboring tubes, is intended to obtain, at all points of the section of the tube, a wall temperature as uniform as possible, despite the increase in thermal volume determined by the increase in the speed of the gases which occurs there, so as to eliminate, in the tube, all harmful tensions.
In order to make even better use of the thermal capacity of the hot gases, the present invention proposes to further increase the speed of the hot gases, thanks to the Venturi principle known in the art of fluids, a large part (of the order of. 80%) of the velocity energy, at the narrowest point of the gas passage between two neighboring finned tubes, being again transformed into pressure energy, so that the actual energy loss which, in the present case, resulting in a loss of draft, is excessively low. Although, compared to finned tubes as presently known, a higher velocity is used for the hot gases, the draft loss is insensitive due to the application of the Venturi system.
To achieve the latter, the side fins widen progressively from the hot gas inlet and outlet edges, and over the entire height or section of the fins, towards the middle part, therefore in the opposite direction to the decrease in the wall thickness of the finned tubes. The speeds thus increased a second time therefore determine an increase in the thermal effect; the heat, the value of which increases as the gases approach the narrowest point of the gas passage, finds there increasingly widening fin surfaces which transmit it to the fluid at warm up.
At the same time, this results in the place of the strongest moment of
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bending, a maximum moment of resistance, so that a considerable mechanical reinforcement of the finned tube is obtained.
In addition to the advantages of heat saving, the use of side fins brings further advantages in manufacturing, if the temperature exchange elements are made of cast iron or other cast metals, given that to remove the model during molding, there is less risk of missing the part than in the case of fins arranged all around the tube, and this thanks to the only lateral arrangement of the fins, as well as to the seal s' extending perpendicularly; the operation is therefore simpler. The section of the tubes themselves may be round or elliptical, or else oval. In the latter case, an arrangement is suggested whereby the major axis of the tube lies in the direction of the flow of hot gases, while the enlarged middle portions of the fins lie in the minor axis of the tube.
Still another advantage can be achieved by applying the Venturi principle to the side surfaces of the fins; at the narrowest point of the channel acting as a nozzle, between the side surfaces of two neighboring fins, therefore in the middle part of the fins which thicken towards this place, the quantity of heat which is subjected there an increase, therefore encounters a greater heating surface, sufficient to transmit this quantity of heat to the fluid to be heated passing inside the tube. In this way, a further increase in the heat absorption power of the various finned tubes is obtained, without having to increase the heating surface, in other words a better thermal efficiency with the same heating surface.
The side fins can have any desired shape, such as rectangular, square, bi-trapezoidal or oval; furthermore, these lateral fins could just as easily be subdivided.
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The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the object of the present invention, with application of the Venturi principle as well to the gas passages included between the different fins of two neighboring tubes. , than the side surfaces of the fins of the same tube.
Fig.l shows, in cross section, two finned temperature exchange elements, one next to the other.
Fig. 2 is a side view and the
Fig. 3 is a front view.
In these figures, a denotes the actual tubes, with elliptical section, while b denotes the lateral fins; according to the principle of the present invention, these fins do not exceed the external dimensions of the tube a, that is to say along the major axis of the elliptical section of the tube, in the direction (see arrow) of the current hot gases.
These heating surfaces are therefore located as much as possible in the current of hot gases. In order to achieve as much temperature uniformity in the tube wall as possible, the wall thickness decreases, from location c, towards the middle part d of the fins, that is - say in the opposite direction of the increase in the speed of the hot gases. A further increase in the speed of the hot gases, determining only a very small draft loss, can be achieved by means of the Venturi principle, and this both between the widths 1 of the successive fins b, and the side surfaces f fins b placed next to each other.
For this purpose, these widen uniformly, from the inlet edges g and outlet h of the hot gases, to the central part d, and this over the entire rectangular section or over the entire the height 1 of the fins, or in the opposite direction to the decrease in the thickness of the wall of the tube, so that channels k, of rectangular section, affect the shape of nozzles. Likewise, between the side surfaces f of two neighboring fins, it is
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formed, by progressive narrowing of the free section, from the end g and start edges. h hot gases, passages 1 also serving as nozzles.
CLAIMS.
1. Temperature exchange element, finned tube, for gasiform or liquid fluids, characterized in that, in the direction of the flow of hot gases licking the outside of the element, the outer fins do not protrude beyond the di - measurements of the tube inside which passes directly the.
fluid to be heated, tube whose wall, starting from the hot gas inlet and outlet edges, gradually tapers, at the side fins, to the narrowest point of the gas passage between two neighboring tubes , following the increase in the speed of the hot gaxes which occurs as the gases approach the middle part of the passage, while the thickness of the side fins increases uniformly towards their middle part , and this over the entire height of the fins, in the opposite direction to the thinning of the tube wall.
2. Temperature exchange element, according to claim 1, characterized in that the passage section of the tubes, the wall of which gradually tapers towards the narrowest point of the gas passage between two neighboring tubes, is for example elliptical, so that the major axis is in the direction of gas flow, while the middle, thickened parts of the fins lie on the minor axis of the tube.
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