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Perfectionnements aux échangeurs de chaleur à plateaux empilés
La présente invention concerne des échangeurs de chaleur du type à plateaux empilés ou en d'autres termes des appareils à surface établis au moyen d'un certain nombre d'u- nités individuelles et interchangeables consistant essentiel- lement en des corps en forme de plateaux qui fournissent des surfaces de transmission de chaleur et sont empilés les uns à côté des autres de'façon à former entre eux à leurs côtés opposés des systèmes de canaux fermés séparés pour différents fluides, tout en se supportant l'un l'autre ;
elle concerne plus particulièrement des appareils de ce genre dans lesquels les surfaces de transmission de chaleur des plateaux-sont
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placées de champ par rapport aux côtés du plateau et forment
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entre elles, dans chaque corps, des conduits entrelacés de façon adjacente suivant des trajets sinueux, continûment au- tour d'eux-mêmes depuis le centre jusqu'à la périphérie de l'appareil, en spirales par exemple, les conduits étant ou- verts d'une part sur les côtés opposés alternativement, quoi- que étant couverts à ces endroits par un plateau adjacent dans l'appareil, ce qui procure le système de canaux dans ce- lui-ci.
Dans les appareils de ce genre, il est connu d'em- ployer des plateaux ayant les surfaces de transmission de chaleur incurvées ou en tous cas placées obliquement par rap- port aux côtés du plateau et inclinées l'une vers l'autre sur les côtés opposés d'un conduit, tout en coïncidant dans les deux cas latéralement de telle manière, à l'extrémité, avec les côtés du plateau que l'on obtient des conduits ayant sensiblement une section en forme de V ou une section analo- gue. Il est évident que pour des trajets en spirales tout au moins, une semblable section transversale est peu satis- faisante par suite de la différence relativement grande du rayon de courbure aux différentes parties du canal vu que la vitesse d'écoulement est ainsi sujette à varier en conséquen- ce dans les différentes parties.
Ainsi la vitesse sera plus faible aux parois internes du canal qu'aux parois externes et la différence sera extrêmement grande en des points oppo- sés de la partie élargie d'un canal, tandis que la largeur variable du canal elle-même est très nuisible en toute cir- constance pour ce qui concerne le passage de liquides en relation d'échange de chaleur. Ceci a pour résultat un fai- ble rendement thermique, vu qu'il est désirable de maintenir une vitesse élevée et régulière partout en vue d'obtenir une bonne transmission de chaleur, et peut en outre impliquer
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une tendance pour les matières solides présentes dans les fluides à provoquer des dépôts sur les parties des surfaces près desquelles la vitesse d'écoulement est extrêmement fai- ble, ce qui dans beaucoup de cas diminue encore le rendement moyen.
Un autre inconvénient, dans l'appareil connu, est que les surfaces de transmission de chaleur, à cause de leur disposition oblique, sont soumises à des efforts très défavo- rables lorsqu'elles sont serrées ensemble comme c'est néces- saire pour rendre étanches les conduits individuels de l'ap- pareil. Par conséquent les matières des surfaces doivent être relativement épaisses pour qu'elles résistent à ces efforts de façon à empêcher la dislocation qui peut provoquer des com- munications inâdmissibles entre différentes parties du système de canaux, et par suite de l'épaisseur de la matière le rende- ment est encore diminué.
En outre, dans des conduits en forme de V du genre décrit, il est nécessaire de disposer les pla- teaux adjacents avec les conduits correspondants tournés en sens opposés, de façon que les côtés ouverts des conduits soient tournés l'un vers l'autre, et si l'on emploie des con- duits en spirale, comme c'est préféré à cause de la petite ré- sistance à l'écoulement dans ces conduits, les plateaux adja- cents devront être des images renversées l'un de l'autre de sorte qu'il faudra deux différentes séries de plateaux dans l'appareil. Il est toutefois désirable aussi dans ce cas d'em- ployer seulement une série de plateaux en vue de réduire les frais de fabrication qui sont autrement plus ou moins augmen- tés et cela en particulier lorsque l'on coule les plateaux, à 'cause de la dépense nécessaire pour conserver différentes sé- ries de moules de coulée.
Un des buts de la présente invention est d'éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessus dans des appareils du
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genre indiqué et de donner à un semblable appareil un rende- ment élevé et des propriétés qui font qu'il convient particu- lièrement pour l'échange de chaleur entre deux liquides.
Poursuivant ce but, l'un des objets de l'invention est d'em- ployer dans un semblable appareil des plateaux ayant des sur- faces de transmission de chaleur proprement dites dressées au moins approximativement dansla direction de l'axe du plateau et de l'appareil, et reliées latéralement aux côtés du plateau au moyen de parois transversales qui constituent les fonds des conduits ainsi que les côtés du plateau comme c'est nécessai- re, de façon à former des conduits à section transversale sen- siblement rectangulaire tandis qu'ils sont faits de préféren- ce relativement étroits perpendiculairement aux surfaces de transmission de chaleur proprement dites.
Un autre but de l'invention est de disposer tous les plateaux identiquement dans l'appareil, avec des conduits correspondants s'ouvrant dans une seule et même direction, de façon à être couverts aux côtés ouverts par les parois trans- versales du plateau voisin qui constituent le fond des con- duits correspondants dans celui-ci, pour que tous les pla- teaux puissent avoir exactement la même forme.
Un autre but encore de l'invention est de faire passer les deux fluides dans l'appareil à travers des conduits alternativement décalés l'un par rapport à l'autre dans des plateaux adjacents, et, tous les deux plateaux, dans les con- duits correspondants en vue d'utiliser également les parois transversales aux côtés des plateaux en vue de la transmission de chaleur.
Ces caractéristiques et d'autres encore apparaîtront dans la description qui suit, donnant en détail quelques réa- lisations préférées de l'invention illustrées à titre d'exem- ple aux dessins annexés dans lesquels :
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La figure 1 montre une coupe axiale dans un appareil complet suivant une forme de réalisation de l'invention.
La figure 2 montre, en coupe transversale par la ligne 1-1 de la figure 1, un plateau de la même forme de réalisation.
La figure 3 montre une coupe axiale dans une paire de plateaux suivant une variante.
La figure 4 montre en coupe transversale par la ligne III-III de la figure 3 la même variante du plateau.
Si l'on se reporte à la forme de réalisation repré- sentée aux figures 1 et 2 du dessin, les chiffres 1 et la in- diquent les plateaux dont l'appareil est constitué. Dans le cas présent, les plateaux 1 sont sensiblement de forme circulaire et ont des côtés parallèles s'étendant perpendiculairement à l'axe des plateaux et de l'appareil. Entre les côtés des pla- teaux se trouvent des surfaces de transmission de chaleur pla- cées de champ dans la direction de l'axe, perpendiculairement aux côtés du plateau.
Ces surfaces forment à leurs côtés op- posés, entre les côtés du plateau, les conduits entrelacés côte à côte 2 et 3 qui sont représentés ici s'étendant en spi- rales continûment autour d'eux-mêmes et l'un autour de l'autre, du centre vers la périphérie du plateau, tandis que vers les côtés du plateau ils sont ouverts alternativement en sens op- posés. Sur les côtés des plateaux, les surfaces de transmis- sion de chaleur proprement dites sont reliées latéralement, alternativement aux côtés opposés, au moyen de parois trans- versales 4 qui constituent les côtés du plateau ainsi que les fonds des conduits.
Suivant la forme de réalisation représen- tée, les parois transversales ont des surfaces extérieures pla- nes coïncidant entièrement avec les côtés du plateau mais el- les peuvent avoir également une surface extérieure incurvée ou en forme de V par exemple. Les plateaux de l'appareil sont de
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préférence tous identiquement de la même forme et comprennent //)
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en tous cas des conduits qui s'étendent en des trajets cor- respondants. Comme on l'a représenté, les côtés adjacents sont disposés côte à côte avec les conduits correspondants tournés dans une seule et même direction, de sorte que les côtés ouverts des conduits, sont couverts par la paroi trans- versale du plateau adjacent, qui constitue le fond du con- duit correspondant dans celui-ci.
De cette manière, les plateaux butent l'un contre l'autre et se supportent l'un l'autre à l'endroit des parois transversales 4 et par les conduits on obtient des systèmes de canaux fermés séparés, dans l'appareil, pour le passage des différents fluides en relation d'échange de chaleur de chaque côté des surfaces de transmission de chaleur. Pour rendre les canaux étanches on peut insérer des bourrages appropriés entre les plateaux individuels, au moins au centre et à la périphérie. Ces bourrages peuvent consister en des bandes de caoutchouc 5 par exemple, mais on peut employer également d'autres moyens dans ce but.
Grâce à la disposition décrite, les conduits re- çoivent une section transversale sensiblement rectangulaire et peuvent être faits assez profonds tout en étant compara- tivement étroits, de telle manière qu'une vitesse pratique- ment uniforme d'écoulement peut être maintenue partout dans les canaux, ce qui assure un rendement thermique élevé. Les conduits communiquent à leurs extrémités internes et exter- nes avec des passages axiaux d'entrée ou de sortie dans les plateaux, ces passages, pour le même service et le même flui- de, étant disposés de préférence en correspondance dans tous les plateaux de façon qu'on puisse faire en sorte qu'ils for- ment des collecteurs pour distribuer ou recevoir les fluides par rapport aux différents conduits du'système.
Il est tou- tefois à remarquer que les conduits individuels dans le même
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système peuvent être reliés ensemble en parallèle ou en sé- rie, ou éventuellement certains en parallèle et d'autres en série, de n'importe quelle manière désirable suivant les cir- constances. Dans la forme de réalisation représentée, les con- duits correspondants des deux plateaux supérieurs sont reliés en série l'un à l'autre et aux branchements correspondants des deux plateaux inférieurs tandis que ces derniers sont reliés en parallèle.
Si dans des plateaux adjacents les branchements de canaux individuels d'un système doivent être reliés en sé- rie, les passages d'entrée ou de sortie doivent être fermés d'un côté; alternativement l'un ou l'autre dans les plateaux alternés comme en 4a au plateau supérieur la, par exemple, ou bien ceci peut être réalisé au moyen de disques d'obturation 5b déjà mentionnés.
Ainsi, dans la forme de réalisation repré- sentée, les fluides sont envoyés dans l'appareil de la maniè- re indiquée par les flèches, un des fluides entrant par le pas- sage central inférieur d'admission 20 ou dans le système de canaux 2 des deux plateaux inférieurs pour s'écouler vers la périphérie et ensuite dans des directions renversées alterna- tivement à travers le même système des plateaux supérieurs en série, pour être évacué par le passage supérieur périphérique de sortie 22, tandis que l'autre fluide est envoyé d'une ma- nière analogue par le système de canaux 3 dans le sens opposé en entrant par le passage périphérique supérieur d'admission 30 et est évacué par le passage inférieur central de sortie 33, de façon qu'on obtienne un contre-courant.
Les passages d'en- trée et de sortie correspondent à ces passages dans les pla- teaux individuels comme on l'a indiqué précédemment. Les pla- teaux de l'appareil sont serrés ensemble avantageusement en forme de pile entre des couvercles d'extrémité amovibles 6, au moyen de boulons. De cette manière les couvercles d'extré-
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mité peuvent être pourvus d'accesoires habituels représentés pour relier les passages d'entrée et de sortie de l'appareil à des tuyaux pour envoyer les fluides. La forme des couver- cles d'extrémité est toutefois purement conventionnelle et peut être modifiée à volonté et l'on peut également employer d'autres moyens pour maintenir les plateaux assemblés. Ainsi les plateaux peuvent être pourvus de brides des deux côtés à la périphérie et être boulonnés ensemble par paire à ces bri- des.
Il doit être observé en outre qu'il n'est pas néces- saire de prévoir les passages d'entrée et de sortie pour la communication entre les branchements de canaux individuels dans un système des plateaux eux-mêmes. Ainsi ces passages peu- vent être remplacés par des liaisons amovibles disposées exté- rieurement aux plateaux et dans un espace ouvert centralement de ceux-ci.
Les plateaux modifiés lb et lc représentés aux fi- gures 3 et 4 du dessin ont sensiblement la même construction que le type décrit, pour ce qui concerne la forme et la dispo- sition des surfaces de transmission de chaleur et des conduits, la seule différence sous ce rapport étant que dans ce cas les conduits s'étendent en spirales aplaties de sorte que des tra- jets rectilignes alternent avec des tournants brusques à an- gles droits. De cette manière les plateaux peuvent commodément être rendus rectangulaires, comme on l'a représenté, et ceci peut être préférable parfois.
La variante consiste principalement en ce qu'un seul et même fluide est env oyé dans les conduits décalés l'un par rapport à l'autre de plateaux adjacents et, tous les deux pla- teaux, dans les conduits correspondants. Dans ce but, les passages d'entrée et de sortie z', z" et y' et y" des plateaux individuels pour chacun des fluides peuvent être reliés entre
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eux de façon à former les collecteurs à l'intérieur de l'appa- reil pour distribuer et recueillir les fluides par rapport à tous les branchements de canaux de chaque système, en parallè- le par exemple comme on l'a représenté, et de cette manière ces collecteurs pour un seul et même fluide communiquent avec un autre des conduits dans les plateaux alternés.
'Ainsi dans le plateau lb, le fluide y entre par le passage central d'en- trée y' et l'ouverture 2by' pour être envoyé à travers le con- duit interne 2, étant envoyé de l'extrémité externe de celui- ci par l'ouverture 2by" vers l'ouverture de sortie périphéri- que y" et étant évacué par celle-ci, tandis que l'autre fluide z est envoyé dans le sens inverse par le passage périphérique d'entrée 2' et l'ouverture 3bz' dans le conduit 3 et de là par l'ouverture . 3bz" vers le passage central de sortie z'. Ces communications sont fermées dans le plateau le, comme le mon- tre la figure 4, et remplacées par des ouvertures marquées d'un X de sorte que le fluide z est envoyé par le conduit 2 et le fluide y par le canal 3 de ce plateau d'une manière ana- logue.
Tous les deux plateaux, cette disposition est répétée et l'on voit que grâce à celle-ci les parois transversales 4 des plateaux servent de surfaces de transmission de chaleur.
Il est évident toutefois que les mesures pour faire passer les fluides suivant ce principe peuvent être modifiées de beaucoup de manière et être adaptées au passage des fluides en série dans les branchements des canaux individuels d'un système.
Un autre avantage de cette disposition est que la né- cessité de l'étanchéité serrée entre les plateaux individuels est sensiblement éliminée, vu que les conduits sont ouverts aux côtés adjacents des plateaux et qu'on envoie un seul et même fluide. Il n'y a notamment dans ces circonstances aucun danger de mélange entre les différents fluides ni aucune diffé-
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rence appréciable de pression sur les côtés opposés des parois transversales 4 de couvertures. Par conséquent la force pour serrer les plateaux ensemble ne doit pas être très grande et les surfaces des plateaux peuvent donc être faites assez min- ces tandis que le problème du bourrage est rendu extrêmement simple et que les frais de fabrication sont extrêmement bas dans ce cas.
On a décrit seulement ici un appareil à deux systè- mes séparés de canaux, mais suivant la présente invention, il est aussi possible de prévoir un plus grand nombre de systèmes de canaux. De nombreuses autres modifications pour ce qui con- cerne divers autres détails de construction peuvent également être apportées sans qu'on sorte du cadre de la présente inven- tion.
Il doit être particulièrement noté que les dimen- sions des différents conduits ne doivent pas être nécessaire- ment les mêmes vu qu'il est possible de faire varier la largeur de canal des différents systèmes et la profondeur des conduits dans les différents plateaux. En outre, dans le cas où les plateaux sont faits par coulée il peut être approprié de faire les conduits légèrement plus larges à leurs côtés ouverts qu'au fond de sorte que les surfaces de transmission de chaleur di- vergent ainsi légèrement en ces endroits en vue de faciliter l'enlèvement du moule de coulée. Le mode de fabrication est évidemment quelconque. En conséquence il doit être bien enten- du que l'invention n'est pas limitée autrement que par les revendications qui suivent comme cela est expressément spécifié ici.
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