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Echangeur thermique pour matières fluides.
La présente invention a pour objet un échangeur thermi- que pour matières fluides, telles que liquides ou gaz, dans lequel les fluides, entre lesquels l'échange thermique doit se produire, sont conduits de part et d'autre d'une cloison constituée par un matériau bon conducteur de la chaleur, sur les deux faces de cette cloison.
Une forme d'exécution connue d'un échangeur thermique de ce genre comprend un tube métallique, préférablement en cuivre, raccordable à une tuyauterie d'amenée d'un fluide cédant de la chaleur, tel que de la vapeur d'eau, ce tube étant entouré par un tube extérieur, disposé concentriquement autour du premier et constitué par un matériau isolant, ou par le même matériau que le tube intérieur, mais entouré dans ce cas extérieurement par un matériau calorifuge, le fluide récepteur de chaleur, par exemple un liquide, étant conduit entre les dits tubes, dans le même sens ou en sens opposé par rapport au fluide cédant la chaleur.
Pour augmenter la transmission de chaleur par unité de longueur d'un échangeur thermique de ce genre il est connu d'em- ployer des moyens par lesquels l'un des fluides, ou les deux flui- des, est ou sont obligés de couler dans un sens hélicoïdal le long de la paroi transmettrice de chaleur du tube, ou le long de plusieurs parois de tube de ce genre, la matière constitutive du ou des fluides étant ainsi brassée, ce qui a pour résultat une répartition rapide et uniforme de la chaleur échangée. A cet effet on a construit des échangeurs thermiques, dont le tube intérieur est garni d'une paroi hélicoïdale, dressée sur ce tube et s'appli- quant contre le tube extérieur.
Par conséquent le fluide conduit entre le tube intérieur et le tube extérieur passe par un canal entourant hélicoldalement le tube intérieur et possédant une sec- tion transversale de forme rectangulaire ou trapézoïdale* La pa- roi dressée sur le tube intérieur doit être constituée également par un matériau bon conducteur de la chaleur, et la transmission de chaleur est améliorée lorsqu'on a soin que cette paroi fasse corps avec le tube intérieur, ou soit unie à ce dernier par sou- dure ou par assemblage. Des échangeurs thermiques de ce genre sont connus en principe du brevet allemand n .642.878 et des brevets américains Nos.1.854.619 et 2.060.936.
Il a été constaté que la transmission de chaleur peut être considérablement améliorée lorsqu'on dispose la,paroi héli- coïdale sur le tube de manière que la hauteur du canal formé soit considérablement plus grande, au moins deux fois plus grande que sa largeur, donc que la distance entre les spires de la paroi dressée sur le tube intérieur soit tout au plus égale à la moitié de la hauteur de cette paroi. Le brevet anglais n .404.077 pré- voit une exécution, dite de champ, de ce genre.
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Un facteur exerçant une influence importante sur la trans- mission de la chaleur par unité de longueur d'un 'changeur ther- inique de ce genre, comprenant un canal d'une section déterminée, réside dans l'épaisseur de la paroi hélicoïdale dressée.
La présente invention a pour but de créer un échangeur thermique au moyen duquel on puisse fortement chauffer ou forte- ment refroidir des matières fluides en très peu de temps. Un échangeur thermique de ce genre a une grande importance surtout pour le chauffage de matières viscueuses renfermant des substan- ces organiques à l'état dissous ou en suspension. Si le chauffage est trop lent il y a danger que les substances orgniues, sen- sibles à la chaleur,soient décomposées ou transformées pendant le chauffage.
Or, suivant la. présente invention il est possible de construire un échangeur thermioue de manière que le liquide à chauffer y soit porte à la température voulue avec une rapidité telle, que, pratiquement, il ne, puisse pas se produire une dé- composition ou une transformation du linuide pendant le chauffa- ge. Donc, la durée du chauffage est pratiquement plus courte que le temps nécessaire pour transformer les constituants du liouide.
L'échangeur thermique pour matières fluides, telles que liquides ou gaz, faisant l'objet de la présente invention et comprenant un tube intérieur, bon conducteur de la chaleur, par leouel on peut faire passer le fluide chauffant ou réfrigérant, et, sur ce tube intérieur, une paroi hélicoïdale dressée, bonne con- ductrice de la chaleur et entourée par un tube extérieur, préfé- rablement calorifuge-le fluide à chauffer ou à réfrigérer pouvant être conduit entre le tube intérieur et le tube extérieur, est caractérisé en ce que la hauteur de la paroi dressée sur le tube intérieur est au moins deux fois plus grande que le distance moyenne entre deux spires consécutives de cette paroi;
et en ce que l'épaisseur de la partie inférieure de la dite paroi est égale à au moins un tiers de cette distance entre deux de ses spires consécutives. Il a été constaté par expérience ou'un ^changeur thermique suivant la présente invention permet de réaliser un échange thermique extraordinairement important et d'atteindre ainsi complètement le but visé.
Il est possible d'employer une paroi intermédiaire ou cloison d'une forme connue, à savoir, dont l'épaisseur diminue régulièrement du bas vers le haut. Une forme de ce genre offre des avantages dans le cas ob la paroi dressée sur le tube in- térieur est produite par coulée, mais elle a le désavantage qu'à l'endroit où la transmission de chaleur est maximum, à savoir, à la partie inférieure de le dite paroi, la largeur de l'ouverture de passage du cour"'nt est minisum et que, par conséquent, la quantité de matière s'écoulant à cet endroit par unit,? de temps est Egalement minimum.
Pour écarter ce défaut on peut employer suivant la pré- sente invention une paroi dressée sur le tube intérieur et dont l'épaisseur augmente du bas vers le haut. Dans ce cas la quantité maximum de liquide se trouve, dans la section de passage, à l'endroit où la transmission de chaleur est maximum.
Au lieu de ces formes anormales d'une paroi dressée sur le tube intérieur, on peut employer uneparoi dont la partie supérieure présente une Epaisseur exactement égale à celle de sa partie inférieure, mais qui est -,unie de la manière décrite dans le brevet n .453.974 du Demandeur, de perforations obliques grâce auxquelles le liquide, se trouvant pres d'une spire du côté extérieur, est refoulé,. à travers les perforations ou les trous de la spire suivante, vers le côté intérieur. 'Ceci entraîne un brassage très énergique et, partant, une amélioration de la trans- mission de chaleur.
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Heat exchanger for fluid materials.
The present invention relates to a heat exchanger for fluid materials, such as liquids or gases, in which the fluids, between which the heat exchange must take place, are conducted on either side of a partition formed by a good heat conductor material on both sides of this partition.
A known embodiment of a heat exchanger of this type comprises a metal tube, preferably copper, which can be connected to a pipe for supplying a fluid which gives off heat, such as water vapor, this tube being surrounded by an outer tube, arranged concentrically around the first and formed by an insulating material, or by the same material as the inner tube, but in this case surrounded on the outside by a heat-insulating material, the heat-receiving fluid, for example a liquid , being conducted between said tubes, in the same direction or in the opposite direction with respect to the fluid transferring the heat.
In order to increase the heat transmission per unit length of such a heat exchanger it is known to employ means by which one of the fluids, or both fluids, is or are forced to flow in. a helical direction along the heat-transmitting wall of the tube, or along several such tube walls, the constituent material of the fluid (s) being thus stirred, which results in a rapid and uniform distribution of heat exchanged. To this end, heat exchangers have been constructed, the inner tube of which is lined with a helical wall, erected on this tube and pressing against the outer tube.
Consequently the fluid conducted between the inner tube and the outer tube passes through a channel helicoldly surrounding the inner tube and having a cross section of rectangular or trapezoidal shape * The wall erected on the inner tube must also be formed by a a good heat conductor material, and heat transmission is improved when care is taken that this wall is integral with the inner tube, or is joined to the latter by welding or by assembly. Heat exchangers of this kind are known in principle from German Patent Nos. 642,878 and US Pat. Nos. 1,854,619 and 2,060,936.
It has been found that the heat transmission can be considerably improved by arranging the helical wall on the tube so that the height of the formed channel is considerably greater, at least twice as large as its width, therefore. that the distance between the turns of the wall erected on the inner tube is at most equal to half the height of this wall. British patent no. 404,077 provides for a so-called field execution of this kind.
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A factor which exerts a major influence on the heat transfer per unit length of such a heat changer, comprising a channel of a determined cross section, is the thickness of the upright helical wall.
The object of the present invention is to provide a heat exchanger by means of which fluid materials can be greatly heated or cooled in a very short time. A heat exchanger of this kind is of great importance especially for the heating of viscous materials containing organic substances in dissolved or suspended state. If the heating is too slow there is a danger that the organic substances, sensitive to heat, will be decomposed or transformed during the heating.
Now, according to the. present invention it is possible to construct a heat exchanger so that the liquid to be heated is brought there to the desired temperature with such rapidity that, in practice, no decomposition or transformation of the linuide can take place during the heating. Therefore, the heating time is substantially shorter than the time required to transform the constituents of the liquid.
The heat exchanger for fluid materials, such as liquids or gases, forming the subject of the present invention and comprising an inner tube, a good conductor of heat, through which the heating or cooling fluid can be passed, and, on this inner tube, an upright helical wall, good conductor of heat and surrounded by an outer tube, preferably heat insulating - the fluid to be heated or cooled which can be conducted between the inner tube and the outer tube, is characterized in that that the height of the wall erected on the inner tube is at least twice as great as the average distance between two consecutive turns of this wall;
and in that the thickness of the lower part of said wall is equal to at least one third of this distance between two of its consecutive turns. It has been found by experience that a heat exchanger according to the present invention makes it possible to achieve an extraordinarily large heat exchange and thus completely achieve the intended aim.
It is possible to use an intermediate wall or partition of a known shape, namely, the thickness of which decreases regularly from the bottom to the top. Such a form offers advantages in the case where the wall erected on the inner tube is produced by casting, but it has the disadvantage that at the place where the heat transmission is maximum, namely, at the bottom. lower portion of said wall, the width of the passage opening of the yard is minimum and therefore the amount of material flowing there per unit of time is also minimum.
In order to avoid this defect, according to the present invention, it is possible to use a wall erect on the inner tube and the thickness of which increases from bottom to top. In this case the maximum quantity of liquid is found, in the passage section, at the place where the heat transmission is maximum.
Instead of these abnormal forms of an upright wall on the inner tube, a wall may be employed, the upper part of which has a thickness exactly equal to that of its lower part, but which is -, united in the manner described in patent no. 453.974 of the Applicant, oblique perforations through which the liquid, located near a coil on the outer side, is discharged ,. through the perforations or holes of the next coil, towards the inside. This results in a very vigorous stirring and hence an improvement in the heat transfer.