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ELEMENT ECHANGEUR DE CHALEUR PERFECTIONNE
La présente invention a pour objet un élément de chaleur perfectionné et un procédé de réalisation de cet élément, caractérisés par le fait que l'élément est constitué au moyen d'un tube cylindrique de type courant dé- formé sur une partie de sa longueur de façon à amener en con- tact des portions longitudinales de sa partie interne, d'au- tres portions longitudinales de cette paroi restant espacées et constituant soit un passage unique, soit plusieurs passa- ges disposés en parallèle pour le fluide qui doit traverser l'élément échangeur,les portions en contact de la paroi in-
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terne étant réunies par soudure continue ou discontinue de manière à former soit des ailettes, soit des cloisons,
tandis que les extrémités du tube initial sont déformées par rétreint ou de toute autre manière connue de façon à pouvoir être rac- cordées à d'autres éléments échangeurs ou à des collecteurs par des passages de fluide dont la section, de préférence cir- culaire, est égale, ou sensiblement égale, ou convenablement proportionnée - à la section du passage unique ou à somme des sections des passages multiples de fluide dans la partie déformée par rapprochement de portions de sa paroi interne.
L'invention a aussi pour objet des échan- geurs de chaleur comportant l'emploi d'éléments ainsi consti- tués .
Les éléments échangeurs de chaleur ainsi exécutés présentent entre autres avantages celui de procurer des surfaces d'échange très grandes pour une section de pas- sage de fluide déterminée; pour obtenir un résultat de ce genre, on a déjà essàyé de recourir à divers artifices , no- tamment l'emploi de tubes aplatis, mais l'expérience a dé- montré que sous l'action de la chaleur et de la pression du fluide intérieur, ces tubes plats ont tendance à se gonfler pour revenir à la forme circulaire; à épaisseur égale pour une même section totale de passage, leséléments conformes à l'invention sont beaucoup moins exposés à ces déformations en service .
Un autre avantage de ces éléments réside en ce qu'ils sont faits d'une seule pièce, sans soudure, contraire- ment aux éléments échangeurs dont on a augmenté la surface d'échange au moyen d'ailettes rapportées sur leur paroi ex- terne . Un autre avantage encore réside dans le fait que ces éléments sont fabriqués en partant :lE- tubes normaux du commer-
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ce, donc d'une matière première relativement bon marché .
D'autres avantages encore ressortiront de la description .
La description qui va suivre, en regard du dessin annexé donné à tmtre d'exemple, fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée .
Les fig. 1 à 5 représentent deux modes de réa- lisation ae l'invention .
Les fig. 6 à 8 sont purement explicatives .
Les fig. 9 à 19, dont certaines sont schéma- tiques, représentent diverses variantes de réalisation de l'invention .
Les fig. 20 à 25 représentent partiellement des chaudières munies d'éléments surchauffeurs conformes à l'in- vention
La fig. 26 est une section d'un échangeur de chaleur constituée par des éléments conformes à l'invention.
L'élément échangeur représenté par les fig.
1 et 2 comporte un seul passage de fluide, 1, et deux ailet- tes longitudinales 2 constituées par rapprochement et sou- dage de portions longitudinales de la paroi interne d'un tube initial de diamètre supérieur à celui du passage 1; ses extrémités 3 sont rétreintes, ont une section circulai- re qui est de préférence approximativement égale à celle du passage 1 et peuvent être raccordées à des collecteurs ou à des tubes de prolongement 4 .
Celui que représentent les fig.3,4 et 5 com- porte deux passages de fluide 5 disposés en parallèle et qui se rejoignent dans les extrémités 5 ; ces passages 5 sont séparés par une cloison 7 formée par rapprochement et soulage de portions longitudinales diamètralement opposées
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de la paroi interne d'un tube initiel de section circulaire;
les portions terminales 4. de l'élément, dont la section in- terne est de préférence circulaire et substantiellement égale à la somme des sections des passages de fluide 5, peuvent être obtenues par raboutage comme dans le cas des fig.l et 2 , ou être formées seulement par le retreint des portions terminales du tube initial.
Pour faire les éléments échangeurs qui vien- nent d'être décrits, on part d'un tube normal cylindrique 8, fig. 6 dont on retreint les extrémités pour former les parties de transition (fig.
3,4,5 et 7) ou 3 (fig.l) en- tre les portions terminales de l'élément et sa portion cen- trale obtenue par rapprochement et soudage de la paroi in- terne, parties de transition 6 qui , si on @e leur a pas donné, par retreint une longueur suffisante, sont prolongées ensuite par raboutage de tubes 4- de diamètre convenable .
Il est bien entendu que ce façonnage des parties terminales de l'élément peut indifféremment précéder ou suivre las autres opérations de façonnage de l'élément .
Les soudures qui, dans les éléments repré- sentés fig.l et 2 ou à 5, assurent la. permanence des ai- lettes 2 ou de la cloison 7 , sont aisées réaliser élec- triquement par le procédé dit: par résistance ; elles peu- vent être soit continues, soit discontinues et constituées par des points de soudure convenablement espacés .
La fig.9 représente schématiquement -un élé- ment surchauffeur de vapeur pour chaudière à tubes le;:, fu- mée, comportant deux boucles et destiné être logé dans deux de ces tubes , une boucle dans chaque tube. Chaque boucle comprend deux parties tubulaires 10 conformes à l'in-
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vention, à double passage de fluide, d'une part réunies en série par leurs prolongements 4 et un coude 11, d'autre part reliées par des prolongements 14, l'un à une branche tubulaire d'entrée de vapeur 12,
l'autre à une branche tubulaire de sortie de vapeur 13 .
La fig.10 est une section d'une boucle par XX de la fig. 9 ; y a indiqué en traits mixtes la sectior du tube à fumée dans lequel la boucle est logée ; lieu d'avoir deux axes de symétrie comme dans le cas de la fig.5 les parties tubulaires 10, ici, n'en ont qu'un et sont planf d'un côté,concaves de l'autre, les deux parties 10 d'une même boucle étant symétriques l'une de l'autre . On peut aussi, comme on l'a indiqué à la fig.ll, faire les parties tubulaires 10 avec un côté concave et un côté convexe, en bref, leur donner toute forme jugée la plus convenable se- lon les cas .
Dans un autre exemple de réalisation d'é- lément surchauffeur de vapeur pour chaudière à tubes de fu- mée, représenté fig.12, l'élément est à simple boucle; il comporte deux perties tubulaires 15 à double passage de vapeur conformes à l'invention, disposées en parallèle et reliées , d'une part, par deux prolongements 14 à ;une che d'entrée de vapeur 12, d'autre part, par deux prolonge- ments 4 et un coude 17, à une branche de sortie de vapeur 16 .
Ce même élément surchauffeur, tel qu'il est réalisé et logé dans un tube à fumée (représenté en coupe en traits mixtes ) est représenté en élévation à la fig.13, en plan à la fig.14, en coupe par XV-XV et XV1-XV1 aux fig.15 et 16 ; par les coupes, fig.15 et 16, on voit que les parties tubulaires 15 sont disposées de part et d'autre du tube de
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retour 16 de manière à protéger le plus possible ce tube de retour et le fluide qu'il contient contre le refroidis- sement par rayonnement de chaleur vers la paroi, moins chau- de, du tube à fumée , tout en ménageant entre eux et ce tube de retour un passage pour une fraction des fumées chauffan- tes, fraction qui est ainsi protégée elle aussi contre la transmission de leur chaleur à la paroi du tube à fumée .
Les parties tubulaires 15 sont maintenues dans leurs posi- tions respectives, dans le haut, par des agrafes 18 qu'ils embrassent partiellement et qui sont soudées entre elles et, dans le bas, par des bandes 19 et 20 soudées entre elles et conformées de manière à maintenir également en place le tu- be de retour 16 ; lesbandes 19 sont pourvues de talons 20 re- posant dans le tube à fumée pour assurer la bonne position, dans celui-ci, de l'ensemble de l'élément .
Les formes de ces agrafes et bandes représen- tées au dessin ont été trouvées convenables pour l'élément surchauffeur qui vient d'être décrit, mais elles peuvent aussi avoir toutes autres formes désirées ou être rempla- cées par des organes équivalents .
Un autre exemple de réalisation d'élément surchauffeur logé dans un tube à fumée, représenté schéma- tiquement par la fig.17, comporte quatre parties tubulaires 15 conformes à l'invention, à double passage de vapeur, dis- posées en parallèle et reliées d'une part à une branche d'entrée de vapeur 12, part à un tube de retour 16.
Une section par XVIII-XVIII de l'élément tel. qu'il est réel- lement exécuté, est reproduite fig.18; les parties tubulaires 15 sont disposées de façon à former entre elles un espace presque enclos dans lequel les gaz chauffants qui y circu-
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lent et le tube de retour 16 sont protégés contre le re- froidissement qui résulterait du voisinage de la paroi, moins chaude, du tube à fumée représenté en traits mixtes .
La fig.19 représente une section transver- sale d'un autre exemple de réalisation d'élément surchauf- feur logé dans un tube à fumée ; la partie tubulaire faite, conformément à l'invention, par déformation et soudage d'un tube de diamètre relativement grand, comporte trois passa- ges de vapeur 5 en parallèle séparés par des cloisons 7 constituées par rapprochement et soudage de portions longi- tudinales de la paroi interne ; ces trois passages de va- peur sont reliés d'une part à une branche d'entrée de va- peur non représentée et, d'autre part, à un tube de retoux'
16; ici encore , on voit un espace presque enclos entre le tube de retour et l'autre branche de l'élément qui compor-' te les passages-de vapeur 5.
Dans tous les exemples qui viennent d'ê- tre décrits et qui sont représentés par les fig.12 à 19, la section interne du tube de retour de vapeur 16 est sen- siblement égale à la somme@ des sections des passages de vapeur 5 correspondants ménagés dans la ou les branches d'aller constituées par déformation d'un tube et soudage # des parties de sa paroi interne . On ne sortirait toutefois pas du cadre de l'invention en proportionnant ces sections de toute autre façon, de manière à imposer au fluide qui circule dans l'élément, aux divers points de celui-ci, les vitesses jugées les plus avantageuses pour l'obtention du résultat visé .
A la fig.20, dont la fig.21 est une sec- tion par XXI-XXI, on a représenté en coupe verticale par-
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tielle une chaudière verti@@e 22 pourvue d'une cheminée 23 dans laquelle est logé un surchauffeur conforme à l'inven- tion composé d'un tube d'entrée de vapeur 24, un tube de sortie 25, une boucle 26 dont les deux branches ont des portions terminales de section circulaire reliées par des portions à passages multiples de vapeur conformes à l'in- vention, toutes ces parties de l'élément étant reliées en- tre elles par des coudes à 180 , 27 et 28.
Aux fig. 22, 23 et 24, on a représenté un sur- chauffeur de vapeur logé dans la chambre de combustion d'une chaudière marine du type écossais .Chaque élément du surchauffeur comporte des branches d'entrée et de sortie de vapeur 29 connectées par des raccords 30des tubes d'amenée et d'évacuation '!le vapeur 31 Qui traversent des tubes à fumée 32 de la chaudière :les branches 29 de cha- que élément sont reliées l'une à l'autrepar une partieen zig-zag 29 constituée par des tubes déformés à passages multiples de vapeur conformes à l'invention.'54 et 35, réu- nis en série par deux coudes à 1800 33.La partie tubu- laire à passages multiples 35 est repliéesur elle-même par un cintrage en 36.
Les éléments surchauffeurs sont sup- portés et maintenus en place par tous moyens connus .
La fig. 25 représente en coupe une varian- te d'un surchauffeur du même genre que celui que représen- tent les fig. 22 à 24; il en diffère en ce que les éléments surchauffeurs sont reliés aux collecteurs de vapeur, non représentés, par les raccords 30 et des tubes 37 à travers des passages tubulaires 38 qui traversent la lame d'eau 39 de la. chaudière .
Dans les éléments surchauffeurs représentés
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aux fig. 22 à 25, les parties tubulaires à passages multi- ples sont orientées de manière à offrir à l'impact des gaz chauffants la moindre surface possible et à permettre en- tre eux une circulation facile de ces gaz avec le minimum de perte de charge .
La fig. 26 représente une section à tra- vers plusieurs éléments d'un échangeur de chaleur, par exem- ple, un réchauffeur d'eau ; chaque élément comporte une partie constituée conformément à l'invention par rapproche- ment et soudage de portions longitudinales de la paroi in- terne d'un tube normal ; dans l'exemple représenté, chacune de ces portions d'éléments comporte trois passages d'eau 5 séparés par des cloisons 7 comme dans le cas des fig. 3 à 5 et une ailette longitudinale 2 constituée comme dans le cas des fig.l et 2. Les éléments sont disposés en quin- conces en ce sens que les passages de fluide 5 de chacun sont au droit des cloisons 7 de ses voisins ; on a ainsi constitué entre eux, des passages en zig-zag pour le fluide chauffant qu'on a supposé circuler en direction transversa- le de celle des éléments .
Les éléments échangeurs de chaleur réalisés conformément à l'invention conviennent particulièrement bien pour la construction de surchauffeurs et autres appa- reils fonctionnant sous des pressions élevées et soumis à de hautes températures, par exemple, certains échangeurs utilisés dans le traitement des huiles ; leur emploi n'est toutefois pas limité à ces cas, pas plus qu'aux disposi- tions décrites à titre d'exemple .
Des modifications de détail peuvent être apportées aux modes de réalisation de l'invention sans que
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pour cela on sorte nécessairement du cadre de l'invention.
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PERFECTED HEAT EXCHANGER ELEMENT
The object of the present invention is an improved heat element and a method for producing this element, characterized in that the element is formed by means of a cylindrical tube of the current type deformed over part of its length. so as to bring longitudinal portions of its internal part into contact with other longitudinal portions of this wall remaining spaced and constituting either a single passage or several passages arranged in parallel for the fluid which is to pass through the exchanger element, the portions in contact with the internal wall
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dull being joined by continuous or discontinuous welding so as to form either fins or partitions,
while the ends of the initial tube are deformed by shrinking or in any other known manner so as to be able to be connected to other exchanger elements or to collectors by fluid passages, the section of which, preferably circular, is equal, or substantially equal, or suitably proportioned - to the section of the single passage or to the sum of the sections of the multiple passages of fluid in the part deformed by approximation of portions of its internal wall.
A subject of the invention is also heat exchangers comprising the use of elements thus formed.
The heat exchange elements thus produced have, among other advantages, that of providing very large exchange surfaces for a determined fluid passage section; to obtain a result of this kind, we have already tried to have recourse to various devices, in particular the use of flattened tubes, but experience has shown that under the action of heat and pressure of the fluid inside, these flat tubes tend to swell to return to the circular shape; at equal thickness for the same total passage section, the elements in accordance with the invention are much less exposed to these deformations in service.
Another advantage of these elements resides in that they are made from a single piece, without welding, unlike the exchanger elements whose exchange surface has been increased by means of fins attached to their outer wall. . Yet another advantage is that these elements are manufactured starting from:
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this, therefore, of a relatively cheap raw material.
Still other advantages will emerge from the description.
The description which follows, with reference to the appended drawing given by way of example, will make it easier to understand how the invention can be implemented.
Figs. 1 to 5 represent two embodiments of the invention.
Figs. 6 to 8 are purely explanatory.
Figs. 9 to 19, some of which are diagrammatic, represent various alternative embodiments of the invention.
Figs. 20 to 25 partially show boilers fitted with superheating elements according to the invention
Fig. 26 is a section of a heat exchanger consisting of elements according to the invention.
The exchanger element represented by FIGS.
1 and 2 comprises a single fluid passage, 1, and two longitudinal fins 2 formed by bringing together and welding longitudinal portions of the internal wall of an initial tube with a diameter greater than that of the passage 1; its ends 3 are constricted, have a circular section which is preferably approximately equal to that of the passage 1 and can be connected to manifolds or to extension tubes 4.
The one shown in Figs. 3,4 and 5 comprises two fluid passages 5 arranged in parallel and which meet at the ends 5; these passages 5 are separated by a partition 7 formed by bringing together and relieving diametrically opposed longitudinal portions
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of the internal wall of an initial tube of circular section;
the end portions 4 of the element, the internal section of which is preferably circular and substantially equal to the sum of the sections of the fluid passages 5, can be obtained by splicing as in the case of FIGS. 1 and 2, or be formed only by the constriction of the end portions of the initial tube.
To make the exchanger elements which have just been described, we start with a normal cylindrical tube 8, fig. 6, the ends of which are constricted to form the transition parts (fig.
3, 4, 5 and 7) or 3 (fig.l) between the end portions of the element and its central portion obtained by bringing together and welding the inner wall, transition parts 6 which, if we have not given them, by shrinking a sufficient length, are then extended by splicing tubes 4- of suitable diameter.
It is understood that this shaping of the end parts of the element can indifferently precede or follow the other operations of shaping the element.
The welds which, in the elements shown in fig.l and 2 or to 5, provide the. permanence of the fins 2 or of the partition 7, are easy to produce electrically by the so-called method: by resistance; they can be either continuous or discontinuous and consist of suitably spaced welds.
FIG. 9 schematically represents -a steam superheater element for the tube boiler;:, smoke, comprising two loops and intended to be housed in two of these tubes, one loop in each tube. Each loop comprises two tubular parts 10 conforming to the in-
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vention, with a double fluid passage, on the one hand joined in series by their extensions 4 and an elbow 11, on the other hand connected by extensions 14, one to a tubular steam inlet branch 12,
the other to a tubular steam outlet branch 13.
Fig. 10 is a section of a loop through XX of fig. 9; y indicated in phantom the section of the smoke tube in which the loop is housed; instead of having two axes of symmetry as in the case of fig. 5 the tubular parts 10, here, have only one and are flat on one side, concave on the other, the two parts 10 d 'the same loop being symmetrical to each other. It is also possible, as has been indicated in fig. 11, to make the tubular parts 10 with a concave side and a convex side, in short, to give them any shape considered most suitable according to the case.
In another embodiment of a steam superheater element for a smoke tube boiler, shown in FIG. 12, the element has a single loop; it comprises two tubular outlets 15 with double steam passage in accordance with the invention, arranged in parallel and connected, on the one hand, by two extensions 14 to a steam inlet plug 12, on the other hand, by two extensions 4 and an elbow 17, to a steam outlet branch 16.
This same superheater element, as it is produced and housed in a smoke tube (shown in section in phantom) is shown in elevation in fig. 13, in plan in fig. 14, in section by XV-XV and XV1-XV1 in figs. 15 and 16; by the sections, fig. 15 and 16, it can be seen that the tubular parts 15 are arranged on either side of the
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return 16 so as to protect as much as possible this return tube and the fluid it contains against cooling by radiation of heat towards the wall, less hot, of the smoke tube, while leaving between them and this return pipe a passage for a fraction of the heating fumes, which fraction is thus also protected against the transmission of their heat to the wall of the flue gas pipe.
The tubular parts 15 are held in their respective positions, at the top, by clips 18 which they partially embrace and which are welded together and, at the bottom, by strips 19 and 20 welded together and shaped like a so as to also keep the return tube 16 in place; the bands 19 are provided with heels 20 resting in the smoke tube to ensure the correct position, therein, of the whole of the element.
The shapes of these clips and bands shown in the drawing have been found to be suitable for the superheater element just described, but they can also have any other desired shape or be replaced by equivalent members.
Another exemplary embodiment of a superheating element housed in a smoke tube, shown diagrammatically in FIG. 17, comprises four tubular parts 15 in accordance with the invention, with a double vapor passage, arranged in parallel and connected. on the one hand to a vapor inlet branch 12, part to a return tube 16.
A section through XVIII-XVIII of the tel element. that it is actually executed, is reproduced in fig.18; the tubular parts 15 are arranged so as to form between them an almost enclosed space in which the heating gases which circulate therein
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slow and the return tube 16 are protected against the cooling which would result from the vicinity of the wall, less hot, of the smoke tube shown in phantom.
FIG. 19 shows a cross section of another exemplary embodiment of a superheating element housed in a smoke tube; the tubular part made, in accordance with the invention, by deformation and welding of a tube of relatively large diameter, comprises three steam passages 5 in parallel separated by partitions 7 formed by bringing together and welding longitudinal portions of the inner wall; these three steam passages are connected on the one hand to a not shown steam inlet branch and, on the other hand, to a retoux tube '
16; here again a nearly enclosed space is seen between the return tube and the other branch of the element which has the vapor passages 5.
In all the examples which have just been described and which are represented by Figs. 12 to 19, the internal section of the vapor return tube 16 is approximately equal to the sum @ of the sections of the vapor passages 5 corresponding provided in the branch or branches to go formed by deformation of a tube and welding # parts of its internal wall. However, it would not be departing from the scope of the invention to proportion these sections in any other way, so as to impose on the fluid which circulates in the element, at the various points thereof, the speeds considered to be the most advantageous for the element. achievement of the desired result.
In fig. 20, of which fig. 21 is a section through XXI-XXI, there is shown in vertical section by-
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tiel a vertical boiler 22 provided with a chimney 23 in which is housed a superheater according to the invention consisting of a steam inlet tube 24, an outlet tube 25, a loop 26 whose two branches have end portions of circular cross-section connected by portions with multiple vapor passages according to the invention, all these parts of the element being connected to each other by elbows at 180, 27 and 28.
In fig. 22, 23 and 24, there is shown a steam superheater housed in the combustion chamber of a marine boiler of the Scottish type. Each element of the superheater has steam inlet and outlet branches 29 connected by connectors. 30 of the steam supply and discharge tubes 31 Which pass through the flue tubes 32 of the boiler: the branches 29 of each element are connected to each other by a zig-zag part 29 formed by deformed tubes with multiple vapor passages according to the invention. '54 and 35, connected in series by two bends at 1800 33. The tubular part with multiple passages 35 is folded back on itself by a bend in 36 .
The superheating elements are supported and held in place by any known means.
Fig. 25 shows in section a variant of a superheater of the same type as that shown in FIGS. 22 to 24; it differs in that the superheating elements are connected to the steam collectors, not shown, by the fittings 30 and tubes 37 through tubular passages 38 which pass through the water layer 39 of the. boiler.
In the superheater elements shown
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in fig. 22 to 25, the tubular portions with multiple passages are oriented so as to offer the least possible surface area to the impact of the heating gases and to allow easy circulation of these gases between them with the minimum of pressure drop.
Fig. 26 shows a section through several elements of a heat exchanger, eg, a water heater; each element comprises a part formed in accordance with the invention by bringing together and welding longitudinal portions of the internal wall of a normal tube; in the example shown, each of these portions of elements comprises three water passages 5 separated by partitions 7 as in the case of FIGS. 3 to 5 and a longitudinal fin 2 formed as in the case of FIGS. 1 and 2. The elements are arranged in quences in the sense that the fluid passages 5 of each are in line with the partitions 7 of its neighbors; zig-zag passages were thus formed between them for the heating fluid which was supposed to flow in a direction transverse to that of the elements.
The heat exchanger elements produced in accordance with the invention are particularly suitable for the construction of superheaters and other apparatus operating at high pressures and subjected to high temperatures, for example certain exchangers used in the treatment of oils; however, their use is not limited to these cases, nor to the provisions described by way of example.
Modifications of detail can be made to the embodiments of the invention without
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for this one necessarily departs from the scope of the invention.