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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de
BREVET D'INVENTION Robert VAN CAUWENBERGHE "ECHANGEUR DE CHALEUR " S La présente invention est relative à un échangeur de chaleur, en particulier à un économiseur pour chaudière à vapeur, dans lequel un liquide circule dans des canaux à l'intérieur d'éléments de section transversale extérieure rectangulaire munis extérieurecient d'ailettes et léchés par un fluide gazeux.
On connaît des échangeurs de chaleur de ce genre constitués par des tubes entourés d'ailettes disposées paral- lélement à un plan perpendiculaire à leur axe. Ces tubes doivent être réunis deux à deux à chacune de leurs extrémi- tés par des raccords. Ils constituent des faisceaux.
Les échangeurs de chaleur de ce genre provoquent des remous dans la circulation du fluide gazeux par suite des variations dans la section de passage des gaz le long de leur trajet. Ces remous provoquent une perte de charge inutile.,
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et si les gaz sont poussiéreux, dos poussières se déposent sur les tubes, ce qui est nuisible à la transmission de la chaleur
La présente invention a comme objet un échangeur de chaleur qui ne présente pas ces inconvénients et qui procure en outre des avantages supplémentaires.
Dans l'échangeur de chaleur suivant l'invention, les ailettes susdites existent le long des deux grandes faces seulement et sont arrasées dans le plan des deux petites faces non munies d'ailettes.
Grâce à la forme rectangulaire des éléments pourvus d'ailettes sur leurs deux grandes faces seulement, si on em- pile ces éléments en les superposant exactement, les ailettes de deux éléments successifs se prolongent et se touchent pres- que et, lorsqu'on juxtapose de tels empilages, les ailettes de deux éléments se faisant vis-à-vis se présentent en face l'une de l'autre et se touchent ou à peu près sur toute la longueur. La section de passage des gaz est donc uniforme.
L'échangeur de chaleur suivant l'invention réalise une perte de charge réduite et permet de grandes vitesses des gaz favorables à une bonne transmission de chaleur et à l'en- ! traînement des poussières. Celles-ci n'ayant pas tendance à se déposer, on peut rapprocher fortement led ailettes sans risque d'obstruction. En outre, cette réalisation permet au flux de chaleur passant des gaz au liquide, de circuler dans les ailettes en filets parallèles et non radiaux comme dans les éléments où les ailettes intéressent toute la péri- phérie. Ce parallélisme est favorable à une faible chute de température dans l'ailette.
Enfin, on peut donner aux ailettes une épaisseur décroissante depuis le corps jusqu'à leur bord libre, c'est-à-dire une section transversale qui décroît rationnellement avec le flux de chaleur à transmettre.
Le faible écartement entre ailettes que permet l'é- changeur suivant l'invention est une caractéristique parti-
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culièrement avantageuse. En effet, la faible épaisseur des filets gazeux qui en résulte est essentielle pour une bonne transmission de la chaleur de gaz à métal. Cette transmission élevée par mètre carré et la grande surface d'échange par kilog et mètre cube d'échangeur donnent à l'appareil un rendement élevé rapporté à l'unité de poids ou de/volume, ou de perte de charge dans les gaz.
D'autre part, la forme rectangulaire donnée au corps de l'élément facilite les modes de réalisation suivants : a) Les ailettes viennent de coulée avec le corps. En donnant aux ailettes une épaisseur décroissante vers le bord, on facilite le démoulage et on réalise la solution rationnelle indiquée plus haut. Le fait que les ailettes n'existent que sur deux faces facilite le moulage et le démoulage. b) Les ailettes sont en tôle d'épaisseur uniforme ou décrois- sante vers le bord. Elles sont emprisonnées dans le borps au moment de la coulée. c) Les ailettes sont en tôle et fixées au corps, soit par un masticage au mastic de fer dans des rainures ad hoc, soit par soudure.
On peut avantageusement compléter l'échangeur de chaleur suivant l'invention en créant à l'intérieur de chaque élément, au moyen de voiles, des- canaux parallèles parcou- rus par le liquide. Cette disposition assure une bonne utilisation de la forme rectangulaire de l'élément par le liquide, une grande surface de contact entre le liquide et le métal, une répartition uniforme du flux de chaleur dans les parois et un bon entretoisement des faces latérales du corps qui peut ainsi résister plus facilement à une forte pression interne.
Suivant une variante, dans le cas où les canaux xxx susdits sont perpendiculaires aux ailettes, chaque canal communique avec le suivant par une ouverture à une seule
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de ses extrémités dans la cloison qui le sépare du canal suivant, l'ensemble des dites ouvertures étant ménagé de façon que l'ensemble des canaux de chaque élément constitue un serpentin.
En raccordant les éléments d'un mené empilage en série par des coudes à 1800 rapportés, on constitue un long serpentin dans lequel le liquide circule, de préférence, en sens opposé au mouvement général des gaz. Les divers empilages juxtaposés sont parcourus en parallèle par le liquide.
L'agencement de plusieurs canaux parcourus en série par le liquide dans un même élément permet de donner au liquide une vitesse assez grande, éminemment favorable à une bonce transmission de la chaleur.
De préférence, chaque élément comprend un nombre pair de canaux. De cette façon, les coudes raccordant les éléments entre eux sont tous disposés sur une seule face de l'échangeur, ce qui est favorable à l'entretien et au faible encombrement.
Suivant une autre variante, chaque élément comporte plusieurs canaux parallèles aux ailettes comnuniquant entre eux à leurs deux extrémités par des collecteurs intérieure et parcourus en parallèle par le liquide.
Un élément peut être formé de plusieurs tronçons reliéd entre eux par des nipples qui assurent la continuité des collecteurs intérieurs, comme dans un radiateur.
Lorsque, en cas de nécessité, on superpose plusieurs éléments suivant cette variante, le collecteur supérieur d'un élément est relié au collecteur inférieur de l'élément suivant par un coude à 180 rapporté. Les éléments d'un même empilage sont donc également parcourus en série par le liquide, de préférence, en sens opposé au mouvement général des gaz. Les divers empilages juxtaposés sont aussi parcou-
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rus en parallèle par le liquide.
Quelle que soit la variante utilisée, les éléments formant un même empilage sont réunis deux à deux par des plaques fixées contre une des faces d'extrémité et par des coudes raccords à l'autre extrémité de façon à maintenir exactement les unes au-dessus des autres les ailettes correspondantes des éléments superposés.
L'assemblage réalisé de cette façon assure le paral- lélisme des éléments et la coïncidence de leurs ailettes.
Il permet, d'autre part, de retirer d'un empilage un élément avarié, A cet effet, on remplace la plaque reliant l'élément avarié à l'élément supérieur par une plaque spéciale formant pont, boulonnée à l'élément supérieur et prenant appui sur les éléments voisins. Les éléments au-dessus de l'élément avarié sont alors soutenus par cette plaque.
L'assemblage mécanique des éléments constituant un empilage permet aussi de retirer en bloc tout l'empilage en le faisant glisser sur sa poutre-support, sans qu'il en résulte un déplacement relatif des éléments constitutifs et indépendamment des autres empilages.
Ce retrait en bloc peut être utile pour permettre de procéder, soit au contrôle de l'alignement parfait des ailettes d'un même empilage, soit à un examen parfait de l'état de propreté des surfaces et éventuellement à un nettoyage extérieur aisé.
D'autres particularités et détails de l'invention apparaîtront au cours de la description des dessins annexés au présent mémoire, qui représentent schématiquement, et à titre d'exemple seulement, quatre économiseurs selon l'invention.
La figure 1 est une coupe longitudinale dans un élément d'un économiseur, dans lequel les canaux intérieurs pour la circulation du liquide sont perpendiculaires aux
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ailettes extérieures léchées par les gaz, cette coupe étant faite suivant la ligne I-I de la figure 2.
La figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne II-II de la figure 1.
La figure 3 est une vue latérale de cet élément suivant la flèche X.
La figure 4 est une coupe transversale suivant la ligne IV-IV de la figure 1.
La figure 5 est une vue latérale d'un économiseur constitué au moyen d'éléments suivant les figures 1 à 4, ces éléments étant vus suivant la flèche Y de la figure 1.
La figure 6 est une coupe suivant la ligne VI-VI de la figure 5.
La figure 7 est une vue en perspective, après'coupe verticale par un plan de symétrie, d'un élément dans lequel les canaux intérieurs pour la circulation du liquide sont parallèles aux ailettes extérieures léchées par les gaz.
La figure 8 est une coupe verticale du même genre que celle de la figure 4 dans un élément semblable à celui dont il est question aux figures 1 à 6, dans le cas où cet élément est disposé de façon que les gaz et le liquide circulent horizontalement.
La figure 9 est une vue en perspective dans un élément semblable à celui de la figure 7, dans le cas où cet élément est disposé de façon que les gaz et le liquide circulent horizontalement.
Dans ces différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques.
Aux figures 1 à 4, on a représenté un élément d'économiseur pour chaudière à vapeur destiné à être parcouru par de l'eau sous pression refoulée dans une chaudière à haute pression.
Cet élément a une section transversale de forme exté-
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rieure rectangulaire, comme on peut s'en rendre compte plus spécialement en examinant les figures 3 et 4.
L'élément représenté est un élément en fonte comprenant quatre canaux 2, 3, 7 et 10. Les canaux 2 et 3 sont séparés l'un de l'autre par une cloison 4. L'eau est amenée en 5 à une des extrémités du canal 2. Celui-ci communique avec le et canal 3 par une ouverture 6 ménagée dans la cloison 4 à l'extrémité opposée à l'entrée 5. L'eau circule donc dans le canal 3 en sens inverse de celui dans lequel elle circule dans le canal 2; celui-ci est désigné par canal d'aller, tandis que l'autre est désigné par canal de retour.
Le canal de retour 3 est en communication avec le canal d'aller 7 par une ouverture 8 ménagée dans une cloison 9 séparant ces deux canaux. L'ouverture 8 est située à l'extrémité du canal 3 opposée à celle où se trouve l'ouverture 6.
Le canal d'aller 7 est en communication avec le canal de retour 10 par une ouverture 11 semblable à l'ouverture 6 et ménagée dans une cloison 12 séparant les canaux 7 et 10.
L'eau circule donc dans cet élément comme dans un serpentin.
A sa sortie du.canal de retour 10, l'eau est dirigée vers le canal d'aller de l'élément adjacent par un raccord ou coude de 1800 tel que 13, représenté en traits mixtes.
Les cloisons telles que 4, 9 et 12 sont formées par coulée en même temps que les parois latérales 14 et 15. Elles entretoisent donc celles-ci.
Par le fait que chaque élément comprend un nombre pair de canaux, tous les raccords tels que 13 sont disposés sur la même face d'extrémité de chaque empilage, ce qui réduit l'encombrement et facilite l'entretien.
Pour faciliter le noyautage de l'élément lors de sa coulée, ainsi que son inspection en service, on a prévu de ménager des orifices 16 et 17 dans la paroi terminale 18 de part et d'autre de la cloison 9 qui sépare le canal de
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retour 3 de la première paire du canal d'aller 7 de la deuxième paire.
Lorsque l'élément est en service, ces orifices sont obturés par une plaque 19. Le noyau servant au cours de la coulée de 1'élément peut être soutenu aisément dans sa partie voisine de la paroi terminale opposée 20 par des broches engagées dans les cloisons adjacentes de la façon généralement utilisée en fonderie.
Lorsqu'on superpose plusieurs des éléments tels que celui représenté aux figures 1 à 4, on forme des empilages qui peuvent être juxtaposés de la façon représentée à la figure 5.
Les éléments sont maintenus exactement l'un au-dessus de l'autre dans chaque empilage au moyen de plaques 21 bou- lonnées contre leurs faces d'about 18 au moyen de tiges filetées 22. Ces tiges peuvent servir également à supporter certains éléments des empilages avant d'enlever un ou plusieurs des éléments situés en dessous de ceux considérés.
En effet, dans ce cas, pour supporter ces derniers éléments, il suffit, comme représenté aux figures 5 et 6, de faire passer les tiges filetées de l'élément qui ne va plus être supporté, dans une plaque 23 reposant sur les plaques 21 adjacentes, de préférence par l'intermédiaire de coins enfoncés entre les plaques 21 et 23 afin de supprimer le contact entre l'élément restant en place et l'élément à enlever.
Les éléments de l'économiseur sont pourvus d'ailettes 24 très rapprochées les unes des autres. Elles sont avantageusement d'épaisseur décroissante depuis les parois 14 et 15 jusqu'à leur extrémité. Elles ne garnissent que les faces latérales 14 et 15 ; end'autres termes, les faces inférieure% 25 (figures 1 et 4) et supérieure 26 des éléments sont lisses. Grâce à cette particularité, les canaux
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entre les ailettes/ de passage des gaz/sont continus et de section uniforme et, d'autre part, le retrait d'un élément peut se faire sans difficultés,
Comme dit plus haut, les ailettes peuvent être en tôle et rapportées sur le corps ou emprionnées dans celui-ci au moment de la coulée.
A la figure 7, on a représenté un élément d'échangeur de chaleur dans lequel des canaux 27 pour la circulation du liquide, au lieu d'être', perpendiculaires aux ailettes 24 comme aux figures précédentes, sont parallèles à ces ailettes,
De plus, chacun de ces canaux 27, au lieu d'être connecté à une seule de ses extrémités au canal suivant, est connecté à ses deux extrémités aux deux canaux adjacents par des col- lecteurs 28 et 29. Ils sont donc parcourus en parallèle par le liquide.
Pour réaliser un empilage à l'aide d'éléments sui- vant la figure 7, on raccorde le collecteur supérieur 29 d'un élément au collecteur 28 de l'élément reposant sur celui considéré en premier lieu, au moyen de raccords sem- blables au raccord 13 de la figure 1. Dans ce cas, ces raccords sont, de préférence, disposés alternativement aux deux faces d'extrémité de chaque empilage.
Pour éviter qu'un élément tel que celui de la figure 7 ait un poids exagéré dans le cas où il est relative- ment haut, on peut le constituer de plusieurs tronçons ali- gnés et reliés entre eux par des nippées comme les éléments d'un radiateur de chauffage central, Les collecteurs de deux tronçons successifs communiquent alors entre eux à travers ces nipples.
Lorsque les éléments suivant la figure 7 sont suf- fisamment hauts pour qu'on ne doive pas en empiler plu- sieurs l'un sur l'autre, les canaux parcourus par les gaz sont absolument continus, de surface lisse et de section
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uniforme d'une extrémité à l'autre. Ceci contribue grande- ment au maintien d'une propreté parfaite de la surface exté- rieure des éléments et à une bonne transmission de la chaleur.
Dans les formes de réalisation qui précèdent, les éléments sont disposés de façon que les gaz circulent verticalement entre les ailettes.
Dans le cas où le trajet des gaz est horizontal, on peut rabattre les éléments de 90 autour d'un axe horizontal de façon que les ailettes soient situées au- dessus et en dessous du corps de l'élément, comme représenté à la figure 8 ou à la figure 9. L'élément représenté à chacal ne de ces figures correspond respectivement à celui de la figure 4 ou à celui de la figure 7 qui a été rabattu de 90 pour que le liquide suive un parcours horizontal en même temps que les gaz. Le retrait d'un élément peut s'effectuer ' facilement moyennant la présence d'une nervure 30 qui relie, parallèlement au corps de l'élément, les bords extérieurs des ailettes situées au-dessus et en dessous de ce corps, Ces nervures s'étendent sur toute la longueur de chaque élément.
Elles jouent le rôle de surface d'appui pendant le service et de surface de glissement en cas de retrait.
On peut prévoir plusieurs nervures parallèles sur chaque face de l'élément. On peut aussi n'en disposer que d'un coté de chaque élément.
A la figure 5, on a représenté en 31 une barre de section approximativement parabolique que l'on peut dispo- ser à l'une ou aux deux extrémités de chaque empilage pour former déflecteur évitant le choc des filets gazeux contre le corps de l'élément voisin, les remous, pertes de charge et dépôts de poussières.
Il est évident que l'invention n'est pas exclusivement limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus et @
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représentées aux dessins ci-annexés et que bien des modifications peuvent être apportées dans la forme, la disposition et la constitution de certaines des parties intervenant dans sa réalisation, à condition que ces modifications ne soient pas én contradiction avec l'objet de chacune des revendications suivantes.
Il va de soi, par exemple, que les orifices 16 et 17 de la forme de réalisation représentée aux figures 1 à 6, au lieu d'être obturés par une seule plaque 19 s'étendant de part et d'autre de la cloison 9, pourraient être obturés par deux plaques s'étendant chacune d'un côté seulement de la cloison, ou par des bouchons filetés.
REVENDICATIONS
1, Echangeur de chaleur, en particulier économiseur pour chaudière à vapeur, dans lequel un liquide circule dans des canaux à l'intérieur d'éléments de section transversale extérieure rectangulaire munis extérieurement d'ailettes et léchés par un fluide gazaux, caractérisé en ce que les ailettes susdites existent le long des deux grandes faces seulement et sont arrasées dans le plan des deux petites faces non munies d'ailettes.