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FORME D'ONDULATIONS POUR PAROIS D'ECHANGEURS DE CHALEUR ENTRE FLUIDES.
L'invention se rapporte à une forme d'ondulations ayant pour effet d'activer la transmission de chaleur entre deux fluides contenus dans des enceintes séparées par des parois en tôle ondulée.
Dans les ondulations usuelles, ouvertes sur toute leur longueur, les deux fluides sont constamment en contact avec leurs enceintes respectives; il en résulte des entrainements de fluide et des effets de convection qui ont pour conséquence d'entraver la circulation des fluides dans les ondu- lations, et de réduire la transmission de la chaleur d'un fluide à l'autre au travers des parois ondulées.
La forme selon l'invention sépare les chenaux situés d'une part des parois ondulées, ou même de part et d'autre de ces parois, de la ou des enceintes contenant le ou les fluides respectifs, de façon à les consti- tuer en canaux indépendants, et à éliminer pratiquement ces effets pertur- bateurs. En outre, cette forme d'andulations permet d'augmenter notable- ment la surface de transmission de chaleur qui peut être logée dans un encombrement donné ; enfin, la robustesse mécanique qu'elle engendre autorise à affecter des canaux de très faible largeur à l'un des fluides, tenant compte ainsi de ses propriétés physiques par rapport à celles de l'autre fluide ( chaleur et poids spécifiques, coefficient de frottement ) et de diminuer l'épaisseur des parois, réalisant ainsi une réduction de
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poids et de coût des appareils.
Les dessins annexés représentent à titre d'exemples non limitatifs diverses méthodes d'exécution de l'invention et leur application à quelques problèmes de la technique. L'invention s'étend aux différentes dispositions originales que représentent ces figures.
La fig, 1 schématise des ondulations d'un type usuel.
Les fig. 2 à 4 montrent schématiquement des ondulations selon l'invention.
Les fig. 5 à 10 illustrent, à titre d'exemple, l'application des on- dulations selon l'invention à la construction d'une cuve pour transforma- teur électrique à bain d'huile, à refroidissement naturel par l'air ambiant.
Les fig. Il à 24 se rapportent à des procédés d'exécution de diverses formes d'ondulations selon l'invention.
Les fig. 25 à 28 montrent des variantes de formes d'ondulations selon l'invention.
Les fig. 29 à 54 montrent, à titre d'exemples, des exécutions d'échan- eurs de chaleur avec ondulations selon l'invention.
La fig. 1 représente une coupe schématique dans les ondulations d'un élément échangeur de chaleur de forme usuelle. Les ondulations, ouvertes sur -toute leur longueur, sont terminées aux extrémités de l'élément par des bandes de liaison 1, permettant de raccorder l'un à l'autre deux éléments voisins par soudure autogène sur bout.
La fig.2 représente une coupe schématique dans les ondulations d'un élément échangeur de chaleur selon l'invention. Les fonds, tels que 2,3, des ondulations 4, voisines des ondulations 5 qui communiquent, dans la forme usuelle, avec l'enceinte située du côté opposé aux bandes de liaison 1, ont leur forme modifiée de façon que leur largeur soit sensiblement égale au pas des ondulations. Ces fonds élargis se touchent en conséquence, et .'tarent ainsi de cette enceinte les canaux 5.
La fige 5 représente une coupe schématique dans les ondulations d'un élément selon l'invention dans lequel ce sont les fonds, tels que 8 - 7 7 des ondulations 8, voisines des ondulations 9,qui communiquent , dans la forme usuelle, avec l'enceinte située du côté des bandes de liaison 1, qui ont leur forme modifiée de façon à se toucher, et à séparer de cette enceinte les canaux formés par les ondulations 9.
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La fig. 4 représente une coupe schématique dans les ondulations d'un élément selon l'invention, dans lequel les fonds des ondulations, tant de celles en communication avec l'enceinte située du côté des bandes de liaison 1, que de celles en communication avec l'enceinte située du côté opposé à ces bandes , ont leur forme modifiée de façon à se toucher, et à séparer de ces enceintes respectives, les canaux 10 et 11 formés par ces ondulations.
Dans le but de montrer l'effet produit par la séparation entre les canaux et les enceintes contenant les fluides respectifs, il est examiné ci-après, en se rapportant aux fig. 5 à 10, le cas d'un appareil où la circulation des fluides est provoquée par les différences de densité résultant des échanges de chaleur, tel que la cuve d'un transformateur élactrique à bain d'huile, à refroidissement naturel par l'air ambiant.
La fig. 5 représente une coupe schématique dans un tel appareil : le transformateur proprement dit 12 est plongé dans l'huile contenue dans une cuve 13, dont les parois 14 et 15 sont constituées de tôle mince ondulée..Dans le dessin et l'exposé, il est supposé que la paroi 14, du côté gauche de la fig, est constituée d'ondulations de la forme usuelle, et que la paroi 15, du côté droit de la fig. est constituée d'ondulations ayant une forme selon l'invention.
L'échauffement du transformateur provoque celui de l'huile dans la cuve; l'huile chaude gagne les couches supérieures, puis, suivant les flèches 16, passe dans les ondulations, où elle augmente de densité par refroidissement , et le long desquelles elle descend. Si les ondulations étaient fermées du côté de la cuve, cette descente s'effectuerait jusqu'au fond de cette dernière ; par suite du contact de l'huile des ondulations avec celle de la cuve, des entraînements d'huile suivant les flèches 17 se produisent, de sorte que la vitesse de descente de l'huile diminue de plus en plus vers le fond de la cuve.
L'air s'échauffe dans les ondulations, et s'élève en produisant un appel d'air qui se fait, non exclusivement de bas en haut, mais aussi suivant les flèches 18 , parce que les ondulations sont ouvertes vers l'ambiance.
L'efficacité du refroidissement étant fonction de la vitesse de circulation des fluides, celle de la partie inférieure des ondulations
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est donc faible et celle de la partie supérieure amoindrie.
D'autre part, des transmissions de chaleur par convection de l'huile de la cuve vers celle des ondulations, et de l'air des ondulations vers l'air ambiant se produisent aux différents niveaux. Leur effet est de diminuer le poids de la colonne d'huile dans les ondulations, et d'augmen- ter celui de la colonne d'air, d'où nouvelle perte de vitesse à ajouter à celle due aux entraînements.
Le placement de parois additionnelles, telles que représentées en traits mixtes de chaque côté de la paroi 14, pour séparer les ondulations des enceintes respectives, supprime les entrainements de fluide, mais ne 'peut apporter de correction sensible des' effets nuisibles des transmis- sions de chaleur, que si ces parois sont épaisses et calorifugées, et en conséquence coûteuses.
L'emploi d'ondulations selon l'invention, disposition de la fig. 4, résout le problème : les ondulations sont en effet pratiquement formées par rapport aux enceintescorrespondantes, et la transmission de chaleur nuisible est négligeable. Elles ne sont pas fermées par de simples parois, mais par des espaces contenant l'autre fluide, créant ainsi des surfaces refroidissantes supplémentaires, qui augmentent l'effet utile de l'échan- gour, dans un même encombrement. La circulation se fait à la même vitesse sur toute la longueur des ondulations, tant pour l'huile descendant sui- vaut les flèches 20, que pour l'air montant suivant les flèches 21 ( pa- roi 15, côté droit de la fig. 5 ).
Les fig. 6 à 10 montrent des détails d'exécution de l'échangeur 15 de la fig. 5. Tandis que les fig. 9 et 10 sont respectivement une vue de côté et une vue do face d'un élément de cet échangeur, los fig. 6,7et 8 sont respectivement des coupes : par les soudures d'extrémité fermant les canaux d'huile ( 22-23 ), par les passages de communication entre la cuve et les canaux d'huile ( 24 - 25 ), et par la partie médiane de la longueur des ondulations ( 26 - 27 ).
On reconnaît dans la fig. 8 le profil des ondulations de la fig. 4 déterminant, pour l'huile : des canaux 11, de faible largeur, séparés de l'enceinte de gauche, contenant l'huile, par la forme donnée aux fonds des ondulations voisines, et, pour l'air : des canaux 10, séparés du milieu ambiant, à droite, également par la forme donnée aux fonds des ondulations
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voisines.
La fig. 7 ne diffère de la fig. 8 que par la modification de la forme donnée aux fonds des ondulations voisines des canaux d'huile 11 pour ménager, en 28, la communication d'entrée ou de sortie avec la cuve; la longueur, 29 - 30 de ces communications doit être sensiblement égale à la hauteur des ondulations, pour éviter un ralentissement de la circu- lation de l'huile.
La fig. 6 montre les bords des ondulations formant les canaux d'huile 11 rapprochés dans le but d'être soudés ensemble sur bout, de la façon usuelle. Les bords des fonds d'ondulations situés du côté des bandes de liaison 1 sont jointifs aux points 31, et peuvent y être, tant en haut qu'en bas, réunis par soudure. Les bords situés du côté opposé forment une droite, 32 - 32, et peuvent ainsi être raccordés par soudure au fond de la cuve et à son cadre supérieur, de la façon usuelle.
Lorsque la distance entre le bord inférieur de la paroi et le sol est suffisante, ce qui est généralement le cas lorsque la cuve est pour- vue de galets de roulement, comme représenté dans la partie de gauche de la fig. 5, ce bord peut être horizontal, sans entraver l'alimentation en air des canaux 10. Si la distance entre le bord inférieur et le sol est insuffisante, comme représenté dans la partie de droite de la fig. 5, il convient de ménager des entrées d'air latérales, soit en terminant les ondulations en biez, comme le montrent les fig. 9 et 10, soit en cou- pant la partie au delà de la ligne 33 - 34 ( fig. 7 ), et en rapprochant et soudant les bouts des canaux d'huile 11, pour les fermer, comme repré- senté en traits mixtes au bas de la fig. 9.
On reconnaît, dans la fig.10 les lignes de jonction verticales 31 - 35 des fonds élargis des ondula- tions voisines des canaux 10 de circulation d'air. A'tous les points 31 et 35, tant à la partie supérieure qu'à la partie inférieure, les fonds élargis, dont les bords sont rapprochés pour être réunis par soudure, peuvent être rendus solidaires en n'interrompant pas la soudure aux points 31 et 35, comme il a été exposé en se rapportant à la fig. 6. Les parties jointives des fonds extérieurs peuvent encore être réunies par des points de soudure tels que 36, exécutés à des distances régulières sur la longueur des ondulations ; peuvent être reliées l'une à l'autre par des lignes continues de soudure suivant les verticales
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31-35.
Les fonds d'ondulations intérieurs peuvent être aussi rendus solidares par soudures en des points régulièrement espacés sur les lignes de jonction verticales de ces fonds, projetées en 32 ( fig. 8 ) ou même par des lignes de soudure continues sur toute la partie médiane des ondu- lations oà elles présentent le profil suivant la fig. 8. Tout ou partie de ces soudures additionnelles confèrent à la cuve une robustesse mécani- que exceptionnelle, qui permet d'éviter des cerclages de renfort, de réduire l'épaisseur des tôles constitutives, et / ou de diminuer la lar- geur des canaux d'huile, en épargnant sur le poids de ce fluide.
Les avantages que présentent les ondulations selon l'invention ne sont pas contre-balancés nar un coût de fabrication onéreux. La fermeture des canaux d'huile par soudure sur bout, le raccorde ent entr'eux dos éléments et leur ajustage par soudure, au fond de la cuve et à son cadre supérieur, sont réalisés exactement comme pour des ondulations usuelles.
Du fait de l'augmentation d'effet utile apportée par un proportionnement plus judicieux des dimensions relatives des canaux d'air et d'huile, et de la meilleure circulation des fluides résultant de la forme des ondula- tions, la surface de transmission peut être notablement diminuée, ce qui ontraine une réduction de même import du développement de tôle, et, cn conséquence, ries soudures nécessaires pour la formeture des canaux d'huile et oour le raccordement entr'eux des éléments, moins nombreux.
Des machines à plier spéciales, donnant directement aux ondulations la forme selon l'invention, peuvent être combinées; elles peuvent être disposées pour permettre, au fur et à mesure du pliage, de -rendre les ondulations successives solidaires le long des lignes verticales proje - fées en 31 et 32 ( fig. 8 ), par soudure électrique suivant les flèches (:,7 et 33, effectuée par la machine soudeuse à pression, discontinue par points ou continue au galet. A part l'amortissement de ces machines à :::,lier, le coût de ces ondulations n'est guère plus onéreux que celui d'ondulations usuelles, l'économie de main d'oeuvre de soudure résultant du moindre développement, à égalité d'effet utile, restant acquise.
@ême en l'absence de telles machines s@éciales à plier, la forme d'ondulations selon l'invention peut être obtenue par l'application de procédés simples et peu coûteux. Les fig. 11 à 13, 14 à 20, 21 et 22, et 23 et 24 illustrent, à titre d'exemples non limitatifs, de tels pro-
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cédés.
Dans la fig. 11, la tôle mince constitutive de l'élément, figurée en trait fort, a été au préalable profilée par la machine plieuse normale suivant des ondulations d'un pas env. double de celui des ondulations selon l'invention à réaliser, et d'une hauteur augmentée d'un demi pas env.
Cette tôle est déposée sur une pièce 39, fixée sur la table inférieure d'une presse, après avoir placé dans les ondulations des pièces 40 et 41, calibrées suivant le profil à réaliser. Les pièces 40 sont représentées par la fig. 12, et les pièces 41 par la fig. 13. Elles sont pourvues de trous pour tiges de repérage 42. En pressant la colonne ainsi formée par la pièce 43, fixée sur la table supérieure de la presse, l'élément prend la forme représentée aux fig. 7 et 8. 44 sont des cales séparant les piè- ces successives 40 et 41, qui sont enlevées au fur et à mesure que la pression est exercée sur une nouvelle face d'ondulation.
Les prolonge- ments 45, aus extrémités des pièces 40, donnent la forme voulue aux canaux de communication 28 ( fig. 7 ) tandis que les pièces 46, rapportées sur les pièces 41, conforment les fonds des ondulations qui ferment, sur la partie médiane de leur longueur, les canaux d'huile 11; ces pièces doivent être rapportées pour permettre le retrait, après pressage, des pièces 41 Les pièces 40 doivent, dans le même but, être coupées à une extrémité, et juxtaposées, par exp. par l'office d'ergots, tels que 47.
Comme géné- ralement, les hauteurs des ondulations sont normalisées, et que seules varient les longueurs des éléments, fonction des hauteurs des cuves aux- quelles ils sont appliqués, les parties médianes 48 - 49 et 50 - 51 des pièces 40 et 41 peuvent être constitués de la juxtaposition d'éléments partiels, pour constituer les longueurs voulues. L'importance et le coût de l'outillage de pressage peuvent ainsi être notablement réduits. Ce procédé convient particulièrement pour la formation de petits éléments ne nécessitant pas de solidarisation par soudure continue des ondulations successives.
Les fig, 14 à 20 illustrent un procédé pour la réalisation d'une telle solidarisation au cours même de la conformation .
La tôle est d'abord ondulée sur une machine plieuse normale avec un pas convenable ( dans le cas représenté par la fig. 14, le double du pas définitif ); les mandrins de la machine peuvent être établis de façon à
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profiler les deux extrémités des ondulations suivant la forme 52 - 53 - 52 pour constituer, aux extrémités de la longueur les canaux de communica- tion 28 ( voir fig. 7 ).
Les ondulations sont alors successivement rap- prochées l'une de l'autre, comme représenté par la fig. 15, de façon que les fonds voisins se touchent, et ferment l'ondulation comprise entr'eux. donné le grand pas, il est possible d'introduire par l'ouverture 54 - 55, qui peut au besoin être momentanément agrandie en écartant une des faces ;le l'ondulation, le bras d'une machine soudeuse électrique par pression, dont le poussoir ou le galet presse, suivant la flèche 56, la tolère fond contre celle du fond voisin, où se trouve inséré un mandrin 57, et de réaliser une série de points de soudure régulièrement espacés, ou une ligne de soudures continue.
On obtient ainsi l'élément d'échangeur profilé à la fig. 16, qui convient pour des fluides de caractéristiques physiques équivalentes et animés de vitesses semblables.
Four donner aux canaux destinés à l'un des fluides une section moindre que celle des canaux destinés à l'autre fluide, on maintient, comme il est représenté par la fig. 17, un tel élément sur une table 58 entre deux pièces calibrées 59; il est placé dans les ondulations dont la section doit être diminuée des pièces calibrées 60. En faisant descen- dre simultanément dans les ondulations dont la section doit être augmen- tée, des mandrins calibrés 61, la forme représentée par la fig. 18 est donnée à l'élément. La forme en angle aigu que présentent en 62 les canaux étroits pourrait être modifiée en soumettant cet élément à une nouvelle' opération de mandrinage, effectuée dans ces canaux, suivant le même prin- pipe.
Si une résistance mécanique spécialement élevée de la cuve est requi- se, comme c'est le cas pour des cuves devant supporter occasionnellement la mise sous vide, il est possible, comme il est représenté par les fig.
19 et 20, de placer dans le fond des ondulations, aux intersections des canaux perpendiculaires et parallèles à la surface ondulée, les interca- la.ires do forme appropriée, qui peuvent même être fixés par soudure au cours de l'opération décrite en se référant à la fige 15. Les fige 19 et 20 représentent un intercalaire en forme de tube mince 63, déformé par l'opération de mandrinage, un autre en forme de tube 64, préalablement mis à la forme en T voulue, un autre encore formé d'une tôle pliée 65.
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Ces intercalaires, placés sur toute la longueur de la partie médiane, peuvent être continus ou discontinus. Pour des éléments de grande hau- teur, il est possible de placer dans les canaux des intercalaires dis- continus tels que 66, maintenus en place par soudure effectuées par la machine soudeuse par pression; la grande largeur des canaux destinés au fluide gazeux permet l'introduction, à cet effet, des bras de la machine.
Les fig. 21 et 22 montrent une forme très rigide d'éléments selon l'invention, réalisée par pliage par la plieuse normale suivant des pas différents, puis, par inclinaison des ondulations et rapprochement des fonds, de façon à constituer une série de surfaces extérieures 67 - 67 - 67, ondulées à grand pas, donc très efficaces, et des canaux larges trian- gulaires 68 - 68 - 68 fermés, assurant une circulation active du fluide gazeux, Pour renforcer encore la rigidité, les extrémités des ondulations peuvent être pressées, comme représenté en pointillé en 69, et les souder ensuite l'une à l'autre, par exemple par la machine soudeuse par pression suivant les flèches 70.
Dans le procédé illustré par les fig. 23 et 24, l'élément, conformé par la machine plieuse a été soumis à un premier pressage suivant le pro- cédé représenté aux fig. 11 à 13, de façon à lui donner le profil repré- senté par la fig. 23, où la forme des fonds des ondulations est telle qu'ils se recouvrent. Après avoir introduit dans les ondulations des man- drins de forme appropriée, non représentés par la fig., l'élément est pressé entre deux surfaces métalliques calibrées 71 et 72, pour lui donner la forme de la fig. 24. Cette forme se prête à la solidarisation par soudure électrique par la machine soudeuse, des canaux successifs, opérée après conformation de l'élément, et effectuée suivant les flèches 73, contre des mandrins placés à cet effet à l'intérieur des canaux.
Les communications éventuelles aux extrémités avec l'enceinte contenant le même fluide que les canaux étroits est réalisée en redressant les tôles formant les fonds, comme représenté en traits pointillés en 74.
Les fig. 25 et 26 montrent la possibilité, lorsque les canaux desti- nés à l'un des fluides sont très étroits, de réaliser une forme selon l'invention, en partant d'une forme usuelle, comme celle de la fig. 25.
Il suffit de plier l'extrémité de ces canaux, comme représenté en 75 ( fig. 21 ) de façon qu'elle vienne en contact avec le canal voisin et
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d'effectuer sur la partie médiane une pression avec un mandrin de forme appropriée pour réaliser la fermeture, en 76, des canaux étroits, par rapport à l'enceinte intérieure.
Lorsqu'il s'agit d'ondulations de très grande hauteur, il est pos- sible, comme il est représenté par la fig. 26, de réaliser des ondulations selon l'invention, en élargissant, non les fonds, mais bien les faces des ondulations, en un point déterminé de leur hauteur: 77. 1;'ondulation se compose alors d'une ondulation selon l'invention, 78, prolongée par une ondulation en porte-à-faux de forme usuelle : 79.
L'ondulation selon l'invention se prête simplement à l'exécution d'éléments d'échangeurs de chaleur de forme incurvée. La fig. 28 repré- sente un tel élément en forme de quadrant, composé de l'assemblage de deux parties comportant chacune trois ondulations. La demi coupe à gauche de l'axe 80- 81 montre les canaux communiquant avec l'enceinte intérieu- re fermés par rapport à cette enceinte, tandis que la demi coupe à droite de cet axe montre ces canaux ouverts, comme ils doivent l'être aux extré- mités de la surface ondulée, pour y permettre la communication avec l'en- ceinte. La figure montre que la fermeture des canaux peut s'obtenir dans ce cas par la simple inclinaison l'une par rapport à l'autre dos ondula- tions successives, pour lesquelles il suffit d'un rayon de courbure intérieur 92 convenable.
Les ouvertures de ces canaux aux extrémités s'ostiennentven pressant ces arrondis, comme représenté en 83, pour les réduire au minimum admissible pour la qualité et l'épaisseur de la -tôle utilisée. Les ondulations étant intérieurement épaulées l'une contre l'autre sur la grande partie médiane de leur longueur, le maintien de leur écartement aux extrémités est assuré.
Les échangours incurvés sont avantageusement utilisables pour la constitution d'appareils de forme cylindrique, tels des chauffe-eau, des chauffe-bains, des aérothermes; ils sont aussi indiqués pour former des coins d'échangeurs de forme rectangulaire, dont ils accroissent considé- rablement la capacité de transmission. Ils sont alors, comme le montre la fig. 28, raccordés suivant les axes 30- 84 et 80 - 85 à des éléments droits.
Les fig. 29 et 30 représentent un radiateur pourvu d'ondulations selon l'invention, et destiné au refroidissement, par l'air ambiant, d'un
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liquide contenu dans une cuve. L'appareil se compose d'un échangeur 86, suivant fig. 3, raccordé par soudure sur bout à une plaque de support 87, pourvue de deux tubulures 88 raccordables au haut et au bas de la cuve à refroidir. L'air s'élève par perte de densité dans les larges canaux verticaux 89, formant cheminées, et le long des surfaces latérales, suivant les flèches 90.
Les fig. 31 à 34 montrent, toujours à titre d'exemple, un échangeur de chaleur pour deux fluides de caractéristiques physiques semblables, et animés de vitesses de même ordre. La fig. 31 est une coupe verticale, et les fig. 32 à 34 sont des coupes respectivement par 91 - 92, 93 - 94, 95 - 96. l'échangeur 97, pourvu d'ondulations suivant la fig. 4 , est fixé par soudure sur bout sur un cadre 98, en forme de U; ce cadre est rapporté sur uneplaque 99, pourvue de deux ouvertures rectangulaires correspondant aux deux tubulures 100 d'entrée et de sortie de l'un des fluides. L'enve- 'loppe 101 de l'échangeur est rapportée sur cette plaque 99 ; elleest' pourvue de deux tubulures 102, pour l'entrée et la sortie de l'autre fluide.
Pour le-surplus, les coupes des fig. 27 à 29 correspondent à celles des fig. 6 à 8, et ne demandent pas d'explications. Malgré que les fluides sont animés de vitesses propres dues à des actions extérieures, la forme d'ondulations suivant la fig. 4 a été choisie pour cette appli- cation, parcequ'elle réalise , dans un même encombrement, et à pas d'on- dulations égal, une surface d'échange plus grande, en même temps qu'une plus grande robustesse.
La description qui précède a montré que l'échangeur de chaleur pour fluides, constitué par des éléments ondulés suivant l'invention, élimine les inconvénients inhérents à la communication sur toute leur longueur des ondulations usuelles avec les enceintes contenant les fluides respec- tifs, ce qui augmente l'effet utile à surface d'échange égale, ou permet de réaliser un effet utile voulu avec une moindre surface d'échange; qu'il occupe un moindre encombrement à surface d'échange égale, et très infé- rieur à effet utile égal;
qu'il est d'une robustesse mécanique permettant de proportionner les sections des canaux aux caractéristiques' physiques des fluides, en vue de l'obtention d'un meilleur rendement, tout en rédui- sant les poids, tant de l'appareil lui-même que des'fluides intéressés aux échanges, et qu'il est néanmoins d'une fabrication facile, ne requé-
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rant pas une main d'oeuvre plus élevée qu'un échangeur constitué d'élé- ments ondulés usuels.
La diminution des surfaces d'échange, ainsi que la réduction possible des épaisseurs, permet d'envisager l'application des échangeurs avec ondulations selon l'invention à des fluides nocifs pour la conservation des tôles métalliques ordinaires , par l'utilisation de métaux inatta- quables par ces fluides, tels par exp. que l'acier inoxydable.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits à titre d'exemples, mais s'étend à tout système d'échangeur de chaleur entre fluides qui est dans l'esprit ou dans l'étendue de l'une ou de plusieurs des revendications suivantes : REVENDICATIONS S
1.- Eléments en tôle ondulée pour parois d'échangeurs de chaleur entre fluides, caractérisés s en ce que les canaux longitu- dinaux constitués par les ondulations, situés d'une part de la surface ondulée, sont pratiquement fermés, par la forme et les dimensions données aux fonds des ondulations voisines, de façon à rendre ces fonds jointifs et à séparer l'ensemble des canaux, situés de cette part de la surface ondulée, de l'enceinte contenant le môme fluide que cet ensemble de canaux.
2. - Eléments en -tôle ondulée pour parois d'échangeurs de chaleur entre fluides, caractérisés s en ce que les canaux longitu- dinaux constitués par les ondulations, situés de part et d'autre de la surface ondulée, sont pratiquement fermés, par la forme et les dimensions données aux fonds des ondulations voisines, de façon à rendre ces fonds jointifs et à séparer les deux ensembles de canaux, situés chacun d'une part de la surface ondulée, des enceintes contenant les mêmes fluides que chacun de ces ensembles de canaux.
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WAVE FORM FOR WALLS OF HEAT EXCHANGERS BETWEEN FLUIDS.
The invention relates to a form of undulations having the effect of activating the transmission of heat between two fluids contained in enclosures separated by corrugated sheet walls.
In the usual undulations, open over their entire length, the two fluids are constantly in contact with their respective enclosures; this results in fluid entrainments and convection effects which have the consequence of hindering the circulation of fluids in the corrugations, and of reducing the transmission of heat from one fluid to another through the corrugated walls .
The shape according to the invention separates the channels situated on the one hand from the corrugated walls, or even on either side of these walls, from the enclosure (s) containing the respective fluid (s), so as to constitute them in independent channels, and virtually eliminate these disruptive effects. In addition, this form of andulations makes it possible to considerably increase the heat transmission surface which can be accommodated in a given space; finally, the mechanical robustness that it generates makes it possible to assign channels of very small width to one of the fluids, thus taking into account its physical properties compared to those of the other fluid (heat and specific weight, coefficient of friction ) and decrease the wall thickness, thus achieving a reduction in
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weight and cost of devices.
The accompanying drawings show by way of nonlimiting examples various methods of carrying out the invention and their application to some problems of the art. The invention extends to the various original arrangements represented by these figures.
FIG, 1 schematically shows undulations of a usual type.
Figs. 2 to 4 schematically show corrugations according to the invention.
Figs. 5 to 10 illustrate, by way of example, the application of the corrugations according to the invention to the construction of a vessel for an electric transformer in an oil bath, naturally cooled by the ambient air.
Figs. 11-24 relate to methods of making various forms of corrugations according to the invention.
Figs. 25 to 28 show variant forms of undulations according to the invention.
Figs. 29 to 54 show, by way of example, embodiments of heat exchangers with corrugations according to the invention.
Fig. 1 shows a schematic section through the corrugations of a heat exchanger element of customary shape. The corrugations, open over their entire length, are terminated at the ends of the element by connecting strips 1, making it possible to connect two neighboring elements to one another by autogenous butt welding.
Fig.2 shows a schematic section through the corrugations of a heat exchange element according to the invention. The funds, such as 2, 3, of the corrugations 4, adjacent to the corrugations 5 which communicate, in the usual form, with the enclosure situated on the side opposite the connecting strips 1, have their shape modified so that their width is substantially equal to the pitch of the undulations. These enlarged bottoms touch each other accordingly, and .'tarent thus from this enclosure the channels 5.
Fig 5 shows a schematic section through the corrugations of an element according to the invention in which it is the funds, such as 8 - 7 7 of the corrugations 8, adjacent to the corrugations 9, which communicate, in the usual form, with the 'enclosure located on the side of the connecting strips 1, which have their shape modified so as to touch each other, and to separate from this enclosure the channels formed by the corrugations 9.
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Fig. 4 shows a schematic section through the corrugations of an element according to the invention, in which the funds of the corrugations, both of those in communication with the enclosure located on the side of the connecting strips 1, and of those in communication with the enclosure located on the side opposite to these bands, have their shape modified so as to touch each other, and to separate from these respective enclosures, the channels 10 and 11 formed by these corrugations.
In order to show the effect produced by the separation between the channels and the enclosures containing the respective fluids, it is examined below, with reference to FIGS. 5 to 10, the case of an apparatus where the circulation of fluids is caused by the differences in density resulting from heat exchanges, such as the tank of an electric transformer in an oil bath, naturally cooled by air ambient.
Fig. 5 shows a schematic section through such a device: the actual transformer 12 is immersed in the oil contained in a tank 13, the walls 14 and 15 of which are made of corrugated thin sheet. In the drawing and the description, it It is assumed that the wall 14, on the left side of FIG, consists of corrugations of the usual shape, and that the wall 15, on the right side of FIG. consists of corrugations having a shape according to the invention.
The heating of the transformer causes the oil in the tank to heat up; the hot oil gains the upper layers, then, following the arrows 16, passes into the undulations, where it increases in density by cooling, and along which it descends. If the corrugations were closed on the side of the tank, this descent would be made to the bottom of the latter; as a result of the contact of the oil of the corrugations with that of the tank, oil entrainments according to arrows 17 occur, so that the speed of descent of the oil decreases more and more towards the bottom of the tank .
The air heats up in the ripples, and rises by producing a call for air which is made, not exclusively from the bottom up, but also according to the arrows 18, because the ripples are open towards the environment.
The cooling efficiency being a function of the fluid circulation speed, that of the lower part of the corrugations
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is therefore weak and that of the upper part diminished.
On the other hand, heat transmissions by convection of the oil from the tank to that of the ripples, and of the air from the ripples to the ambient air, occur at different levels. Their effect is to reduce the weight of the oil column in the corrugations, and to increase that of the air column, hence a new loss of speed to be added to that due to the entrainments.
The placement of additional walls, as shown in phantom on either side of wall 14, to separate the corrugations of the respective enclosures, eliminates fluid carry-over, but cannot provide any substantial correction for the deleterious effects of the transmissions. heat, if these walls are thick and heat-insulated, and therefore expensive.
The use of corrugations according to the invention, arrangement of FIG. 4, solves the problem: the corrugations are indeed practically formed with respect to the corresponding enclosures, and the harmful heat transmission is negligible. They are not closed by simple walls, but by spaces containing the other fluid, thus creating additional cooling surfaces, which increase the useful effect of the exchanger, in the same space. Circulation takes place at the same speed over the entire length of the corrugations, both for the oil descending following arrows 20, and for the air ascending following arrows 21 (wall 15, right side of fig. 5).
Figs. 6 to 10 show execution details of the exchanger 15 of FIG. 5. While fig. 9 and 10 are respectively a side view and a front view of an element of this exchanger, los fig. 6, 7 and 8 are sections respectively: by the end welds closing the oil channels (22-23), by the communication passages between the tank and the oil channels (24 - 25), and by the middle part of the length of the corrugations (26 - 27).
We can recognize in fig. 8 the profile of the corrugations of FIG. 4 determining, for the oil: channels 11, of small width, separated from the left enclosure, containing the oil, by the shape given to the bottoms of the neighboring undulations, and, for the air: channels 10, separated from the ambient medium, on the right, also by the shape given to the funds of the undulations
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neighbors.
Fig. 7 does not differ from FIG. 8 that by modifying the shape given to the bottoms of the corrugations adjacent to the oil channels 11 to provide, at 28, the inlet or outlet communication with the tank; the length, 29-30 of these communications should be substantially equal to the height of the corrugations, to avoid slowing down the circulation of the oil.
Fig. 6 shows the edges of the corrugations forming the oil channels 11 brought together for the purpose of being butt welded together in the usual manner. The edges of the corrugation bottoms located on the side of the connecting strips 1 are contiguous at points 31, and can be joined there, both at the top and at the bottom, by welding. The edges located on the opposite side form a straight line, 32 - 32, and can thus be connected by welding to the bottom of the tank and to its upper frame, in the usual way.
When the distance between the lower edge of the wall and the ground is sufficient, which is generally the case when the tank is provided with rollers, as shown in the left part of fig. 5, this edge can be horizontal, without hindering the air supply to the channels 10. If the distance between the lower edge and the ground is insufficient, as shown in the right part of FIG. 5, side air inlets should be provided, either by finishing the corrugations in biez, as shown in fig. 9 and 10, or by cutting the part beyond line 33 - 34 (fig. 7), and bringing together and welding the ends of the oil channels 11, to close them, as shown in phantom lines. at the bottom of fig. 9.
In FIG. 10, the vertical joining lines 31 - 35 of the widened bottoms of the adjacent corrugations of the air circulation channels 10 can be recognized. At all points 31 and 35, both at the top and at the bottom, the enlarged bottoms, whose edges are brought together to be joined by welding, can be made integral by not interrupting the welding at points 31 and 35, as has been explained with reference to FIG. 6. The adjoining parts of the outer bottoms can still be joined by welding points such as 36, executed at regular distances along the length of the corrugations; can be connected to each other by continuous weld lines following the verticals
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31-35.
The interior corrugation funds can also be made integral by welding at points regularly spaced on the vertical junction lines of these funds, projected at 32 (fig. 8) or even by continuous weld lines over the entire median part of the bases. corrugations where they present the profile according to fig. 8. All or part of these additional welds give the tank exceptional mechanical strength, which makes it possible to avoid reinforcing straps, to reduce the thickness of the constituent sheets, and / or to reduce the width of the channels. of oil, saving on the weight of this fluid.
The advantages of the corrugations according to the invention are not counterbalanced by an expensive manufacturing cost. The closing of the oil channels by butt welding, the connection between them dos elements and their adjustment by welding, to the bottom of the tank and to its upper frame, are carried out exactly as for usual corrugations.
Due to the increased useful effect brought about by a more judicious proportioning of the relative dimensions of the air and oil channels, and the better circulation of fluids resulting from the shape of the corrugations, the transmission surface can be notably reduced, which hasraine a reduction of the same import of the development of sheet, and, cn consequence, ries welds necessary for the forming of the oil channels and oour the connection between them of the elements, less numerous.
Special folding machines, directly giving the corrugations the shape according to the invention, can be combined; they can be arranged to allow, as the bending progresses, to make the successive undulations integral along the vertical lines projected at 31 and 32 (fig. 8), by electric welding following the arrows (:, 7 and 33, carried out by the pressure, discontinuous or continuous roller welding machine. Apart from the depreciation of these machines to :::, the cost of these corrugations is hardly more expensive than that of corrugations. usual, the saving in welding labor resulting from the least development, with equal usefulness, remaining acquired.
Even in the absence of such special folding machines, the form of corrugations according to the invention can be obtained by the application of simple and inexpensive methods. Figs. 11 to 13, 14 to 20, 21 and 22, and 23 and 24 illustrate, by way of nonlimiting examples, such products.
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ceded.
In fig. 11, the thin sheet constituting the element, shown in strong lines, has been previously profiled by the normal folding machine following undulations of a pitch of approx. double that of the corrugations according to the invention to be produced, and with a height increased by a half pitch of approx.
This sheet is deposited on a part 39, fixed on the lower table of a press, after having placed in the corrugations of the parts 40 and 41, calibrated according to the profile to be produced. The parts 40 are represented by FIG. 12, and the parts 41 in FIG. 13. They are provided with holes for locating rods 42. By pressing the column thus formed by the part 43, fixed on the upper table of the press, the element takes the form shown in FIGS. 7 and 8. 44 are shims separating the successive pieces 40 and 41, which are removed as pressure is exerted on a new corrugation face.
The extensions 45, at the ends of the parts 40, give the desired shape to the communication channels 28 (fig. 7) while the parts 46, attached to the parts 41, conform the bottoms of the corrugations which close, on the middle part. of their length, the oil channels 11; these parts must be added to allow the withdrawal, after pressing, of the parts 41 The parts 40 must, for the same purpose, be cut at one end, and juxtaposed, by exp. by the office of ergots, such as 47.
As generally, the heights of the corrugations are standardized, and only the lengths of the elements vary, depending on the heights of the tanks to which they are applied, the middle parts 48 - 49 and 50 - 51 of the parts 40 and 41 can be made up of the juxtaposition of partial elements, to constitute the desired lengths. The size and cost of the pressing tool can thus be significantly reduced. This process is particularly suitable for the formation of small elements which do not require joining by continuous welding of the successive corrugations.
Figs, 14 to 20 illustrate a method for producing such a connection during the shaping itself.
The sheet is first corrugated on a normal bending machine with a suitable pitch (in the case shown in fig. 14, double the final pitch); the chucks of the machine can be set up so that
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profile the two ends of the corrugations according to the shape 52 - 53 - 52 to constitute, at the ends of the length, the communication channels 28 (see fig. 7).
The corrugations are then successively brought closer to one another, as shown in FIG. 15, so that the neighboring funds touch each other, and close the undulation included between them. given the large pitch, it is possible to introduce through the opening 54 - 55, which can be temporarily enlarged if necessary by moving one of the faces aside; the corrugation, the arm of an electric pressure welding machine, whose pusher or the press roller, according to arrow 56, tolerates it melts against that of the neighboring bottom, where a mandrel 57 is inserted, and to produce a series of evenly spaced welds, or a continuous weld line.
This gives the profiled heat exchanger element in FIG. 16, which is suitable for fluids of equivalent physical characteristics and with similar velocities.
Oven to give the channels intended for one of the fluids a section smaller than that of the channels intended for the other fluid, it is maintained, as shown in FIG. 17, such an element on a table 58 between two calibrated parts 59; it is placed in the corrugations, the section of which must be reduced by the calibrated parts 60. By simultaneously lowering in the corrugations whose section must be increased, the calibrated mandrels 61, the shape shown in FIG. 18 is given to the element. The acute angled shape of the narrow channels at 62 could be altered by subjecting this member to a new chucking operation, performed in these channels, on the same principle.
If an especially high mechanical strength of the vessel is required, as is the case for vessels which occasionally have to withstand vacuuming, it is possible, as shown in figs.
19 and 20, to place in the bottom of the corrugations, at the intersections of the channels perpendicular and parallel to the corrugated surface, the appropriate shaped spacers, which can even be fixed by welding during the operation described in se referring to the pin 15. The pins 19 and 20 represent a spacer in the form of a thin tube 63, deformed by the mandrating operation, another in the form of a tube 64, previously put into the desired T-shape, yet another formed of a folded sheet 65.
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These spacers, placed over the entire length of the middle part, can be continuous or discontinuous. For elements of great height, it is possible to place in the channels discontinuous spacers such as 66, held in place by welding carried out by the pressure-welding machine; the large width of the channels intended for the gaseous fluid allows the introduction, for this purpose, of the arms of the machine.
Figs. 21 and 22 show a very rigid form of elements according to the invention, produced by folding by the normal folding machine at different pitches, then, by inclining the corrugations and bringing the bottoms together, so as to constitute a series of outer surfaces 67 - 67 - 67, corrugated with large pitch, therefore very effective, and wide triangular channels 68 - 68 - 68 closed, ensuring an active circulation of the gaseous fluid, To further reinforce the rigidity, the ends of the corrugations can be pressed, as shown in dotted lines at 69, and then weld them to each other, for example by the pressure welding machine following the arrows 70.
In the process illustrated by FIGS. 23 and 24, the element, formed by the folding machine, has been subjected to a first pressing according to the process shown in FIGS. 11 to 13, so as to give it the profile shown in FIG. 23, where the shape of the funds of the undulations is such that they overlap. After having introduced in the corrugations of the chucks of suitable shape, not shown in fig., The element is pressed between two calibrated metal surfaces 71 and 72, to give it the shape of fig. 24. This form lends itself to the joining by electric welding by the welding machine, of the successive channels, carried out after shaping of the element, and carried out according to the arrows 73, against mandrels placed for this purpose inside the channels.
Any communications at the ends with the enclosure containing the same fluid as the narrow channels is achieved by straightening the sheets forming the bottoms, as shown in dotted lines at 74.
Figs. 25 and 26 show the possibility, when the channels intended for one of the fluids are very narrow, of producing a shape according to the invention, starting from a usual shape, like that of FIG. 25.
It suffices to bend the end of these channels, as shown at 75 (fig. 21) so that it comes into contact with the neighboring channel and
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to effect pressure on the middle part with a mandrel of suitable shape to achieve the closure, at 76, of the narrow channels, relative to the interior enclosure.
In the case of very high corrugations, it is possible, as shown in fig. 26, to produce corrugations according to the invention, by widening, not the bottoms, but the faces of the corrugations, at a determined point of their height: 77. 1; the corrugation then consists of a corrugation according to the invention , 78, extended by a cantilever corrugation of the usual shape: 79.
The corrugation according to the invention simply lends itself to the execution of heat exchanger elements of curved shape. Fig. 28 represents such an element in the form of a quadrant, composed of the assembly of two parts each comprising three corrugations. The half section to the left of axis 80-81 shows the channels communicating with the interior enclosure closed with respect to this enclosure, while the half section to the right of this axis shows these channels open, as they should be. be at the ends of the corrugated surface, to allow communication with the enclosure. The figure shows that the closure of the channels can be obtained in this case by the simple inclination with respect to each other of the successive undulations, for which a suitable internal radius of curvature 92 is sufficient.
The openings of these channels at the ends ostentven pressing these roundings, as shown at 83, to reduce them to the minimum admissible for the quality and thickness of the -sheet used. The corrugations being internally shouldered one against the other over the large median part of their length, the maintenance of their spacing at the ends is ensured.
The curved heat exchangers can advantageously be used for the constitution of cylindrical shaped devices, such as water heaters, bath heaters, air heaters; they are also suitable for forming corners of rectangular exchangers, of which they considerably increase the transmission capacity. They are then, as shown in fig. 28, connected along axes 30-84 and 80-85 to straight elements.
Figs. 29 and 30 show a radiator provided with undulations according to the invention, and intended for cooling, by the ambient air, of a
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liquid contained in a tank. The device consists of an exchanger 86, according to fig. 3, connected by butt welding to a support plate 87, provided with two pipes 88 which can be connected to the top and the bottom of the tank to be cooled. The air rises by loss of density in the wide vertical channels 89, forming chimneys, and along the side surfaces, following the arrows 90.
Figs. 31 to 34 show, still by way of example, a heat exchanger for two fluids with similar physical characteristics and with speeds of the same order. Fig. 31 is a vertical section, and FIGS. 32 to 34 are sections respectively through 91 - 92, 93 - 94, 95 - 96. the exchanger 97, provided with corrugations according to FIG. 4, is fixed by butt welding on a frame 98, U-shaped; this frame is attached to a plate 99, provided with two rectangular openings corresponding to the two pipes 100 for entering and leaving one of the fluids. The casing 101 of the exchanger is attached to this plate 99; elleest 'provided with two pipes 102, for the entry and exit of the other fluid.
For the surplus, the sections of fig. 27 to 29 correspond to those of fig. 6 to 8, and do not ask for explanations. Although the fluids are animated at their own speeds due to external actions, the form of undulations according to fig. 4 was chosen for this application because it achieves, in the same space, and with equal waves, a larger exchange surface, at the same time as greater robustness.
The above description has shown that the heat exchanger for fluids, consisting of corrugated elements according to the invention, eliminates the drawbacks inherent in the communication over their entire length of the usual corrugations with the enclosures containing the respective fluids, this which increases the useful effect for an equal exchange surface, or makes it possible to achieve a desired useful effect with a smaller exchange surface; that it occupies less space for an equal exchange surface, and much less for equal useful effect;
that it is of a mechanical robustness making it possible to proportion the sections of the channels to the physical characteristics of the fluids, with a view to obtaining a better efficiency, while reducing the weight, both of the apparatus itself. even as fluids interested in exchanges, and which are nevertheless easy to manufacture, do not require
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not more labor intensive than an exchanger made up of usual corrugated elements.
The reduction in the exchange surfaces, as well as the possible reduction in thicknesses, makes it possible to envisage the application of the exchangers with corrugations according to the invention to fluids harmful to the preservation of ordinary metal sheets, by the use of unsaturated metals. - quables by these fluids, such by exp. than stainless steel.
The invention is not limited to the embodiments described by way of example, but extends to any inter-fluid heat exchanger system which is within the spirit or within the scope of one or more several of the following claims: S CLAIMS
1.- Corrugated sheet elements for the walls of heat exchangers between fluids, characterized in that the longitudinal channels formed by the corrugations, located on the one hand of the corrugated surface, are practically closed, by the shape and the dimensions given to the bottoms of the neighboring undulations, so as to make these bottoms contiguous and to separate the set of channels, located on this part of the corrugated surface, from the enclosure containing the same fluid as this set of channels.
2. - Corrugated iron elements for the walls of heat exchangers between fluids, characterized in that the longitudinal channels formed by the corrugations, located on either side of the corrugated surface, are practically closed, by the shape and dimensions given to the bottoms of the neighboring undulations, so as to make these bottoms contiguous and to separate the two sets of channels, each located on the one hand of the corrugated surface, of the enclosures containing the same fluids as each of these sets of channels.