<Desc/Clms Page number 1>
MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de
BREVET D'INVENTION
EMI1.1
la société : AKTIEBOLAGET LJUNGSTROMS ANGTURBIN- "Dispositif d'échange de chaleur" Priorité d'une demande de brevet déposée en Suède le 28 mai 1945.
La présente invention se rapporte à l'échange de chaleur et plus particulièrement à une construction en plaques destinée à transmettre de la chaleur d'un mi- lieu gazeux à un autre, soit par le procédé appelé procédé par régénération suivant lequel la construction en plaques est chauffée par contact par un gaz chaud pour céder ensui- te sa chaleur à un gaz plus froid parcourant subséquemment les mêmes canaux de la construction, soit par le procédé appelé procédé par récupération suivant lequel la chaleur est transférée d'un milieu plus chaud à un milieu plus froid par conduction à travers des claques séparant des canaux adjacents parcourus simultanément par les milieux chaud et froid respectivement.
<Desc/Clms Page number 2>
Les types habituels d'appareils auxquels l' invention se rapporte sont bien connus, un exemple du type à régéné- ration étant décrit dans le brevet des Jtats-Unis n 2.023.965 accordé à Alf Lysholm le 10 décembre 1935 et un exemple du type à récupération étant décrit dans le brevet des Etats-Unis n 2.064.931 accordé à Alf Lysholm le 22 décembre 1936.
Dans tous ces appareils, la capacité de transfert de la chaleur d'un dispositif d'une grandeur donnée est une fonction du degré de transfert de la cha- leur entre un milieux gazeux et la construction mais l'uti- lité commerciale ou lerendement du dispositif n'est pas seulement déterminé par le coefficient de transfert de la chaleur obtenu niais également par le facteur :le la résis- tance opposée au courant du milieux gazeux traversant le diapositif aussi bien qu'aux fauteurs du coût et du poids de la construction en plaques requise, de la facili- té de nettoyage des passages pour le gaz, etc..
Dans les dispositifs antérieurs de l'espèce considé- rée ici, des coefficients de transfert de la chaleur satis- faisants étaient obtenus par des constructions produisant un tourbillonnement vigoureux du courant de gaz, ;nais ceux-ci étaient obtenus au prix d'une grande résistance au courant et par conséquent d'une forte chute de pression, dans le dispositif, inconvénient auquel s'ajoutait habituel- lement la difficulté de nettoyer les surfaces des plaques.
Pour remédier à ceci, il a été exécuté des constructions en plaques dont celles faisant objet des brevets Lysholm mentionnés ci-dessus constituent des types, et dans les- quellesil a été pré vu des passages ou des canaux p our le gaz sensiblement droits et sans obstacles possédant une ou plusieurs parois formées par une ou par plusieurs plan- ques munies de gaufrures ou de rayures peu profondes dis-
<Desc/Clms Page number 3>
posées obliquement dans le but de créer une composante latérale du courant dans la couche limite de la colonne de gaz, qui produit une friction moléculaire avec l'âme de la colonne ce qui a pour effet d'empêcher la stratification du gaz et d'amener progressivement la totalité du gaz en rapport aveu la paroi du canal d'échange de chaleur,
assurant de ce fait un degréélevé satisfaisant de trans- fert de chaleur à la paroi du canal, tandis qu'en même temps une résistance relativement faible au courant du gaz est maintenue comparativement aux types antérieures.
L'objet général de la présente invention , est de perfectionnera le type d'appareil à canal ouvert, qui vient d'être décrit en prévoyant de nouvelles formes et agencements pour la construction en plaques, qui améliore- ront le degré de transfert de chaleur, qui réduiront même davantage la résistance au courant de gaz, qui fourniront des canaux dimensionnés de façon à, faciliter le nettoyage des parois, qui permettront que les dispositifs puissent être comstruits avec des plaques d'une même configuration de sorte que le coût de la fabrication des p.laques est ré- duit, et qui pour une capacité de transfert de chaleur donnée requièrent moins de tôle que jusqu'ici, ce qui réduit le coût davantage et également le poids.
Dans le but de comprendre mieux en détail la nature et les objets de l'invention et les avantages résultant de son utilisation , il est utile de se référer à la par- tie suivante de cette description ainsi qu'aux dessins j.oints, qui en forment une partie et dans lasquels:
La fig. 1 est une vue en plan d'une partie d'une plaque agencée pour être employée lors de l'exécution de l'invention .
La fig. 2 est une section de l'extrémité de la pla-
<Desc/Clms Page number 4>
que montrée dans la Fig. 1.
La fig. 3 est une vue en perspective montrant des plaques de l'espèce illustrée dans la Fig. 1 assemblées conformément à l'invention.
Les fig. 4 à 8 inclusivement sont des vues si;ni-- laires à la Fig. 3 et montrent des foruaes de plaquer différentes particulières et des agencements pour l' exécu- tion des principes de l'invention .
La fig. 9 est une vue similaire e à la Fig. 3 montrant une variante dans l'agencement des nervures de la construe- tion de la plaque .
Les fig. 10 et 11 sont des vues en plan illustrant encore d'autres variantes de l'agencement des nervures de la@plaque.
Dans les constructions de plaques comme elles sont exécutées jusqu'ici, lecourant latéral de la couche li- mite a été produit de telle manière que la friction entre la couche limite et l'âme de la colonne de gat, tend r, produire une composante rotative unidirectionnel'! e du cou- rant de la masse de gaz entière dans le canal, ce qui avait pour effet que le gaz avait la tendance d'avancer dans le canai comme une colonne unique suivant un trajet généralement hélicoïdal pour le courant. De tels appareils ont trouvé une utilisation commerciale très étendue et l'expérience a montré que les meilleurs résultats avec ceux-ci ont été obtenus avec des canaux à gaz dont la largeur est un multiple élevé de la profondeur.
Ceci don - ne un canal p oss éda nt un rayon hydraulique d'une valeur relativeuient faible, c' est-à-dire le rapport entre la surface de la section transversale et le contour, et il est clair que du point de vue de la résistance opposée au courant, plus la valeur du layon hydraulique est éle-
<Desc/Clms Page number 5>
vée, meilleurs seront les résultats . D'un autre côté, si on s'inspire de l'enseignement ci-dessus, et si on donne aux aanaux une forme plus étroite et plus profonde pour aug- menter le rayon hydraulique, on constate que le transfert de chaleur devient moins efficace et pour cette raison, cette voie est impraticable.
Toutefois, on a découvert que l'augmentation du rayon hydraulique, si hautement souhaitable, peut être obtenu, pas seulement sans diminution de l'efficacité du transfert de chaleur mais avec une efficacité nettement plus élevée en plaçant et en agençant les rayures obliques dans la ou les parois du canal, de telle façon que les composantes laté- rales induites dans les différentes parties de la couche limite dans la mêmè section tendent à subdiviser la colonne de gaz unique en un certain nombre de colonnes partielles, avançant parallèlement les unes aux autres, sensiblement dans la même direction à travers le même canal mais avec des composantes latérales du courant d'un sens de rotation opposé par rapport à l'axe longitudinal du canal et produi- sant des trajets hélicoïdaux en sens opposé pour les diffé- rentes colonnes partielles.
Ce trait caractéristique nouveau pour le courant peut être obtenu avec une variété de constructions de plaques es- sentiellement différentes mais dans le but d'expliquer l'invention de manière que ses avantages apparaissent clai- rement, il suffit de décrire un petit nombre de réalisa- tions qui ne produisent pas seulement le courant désiré mais également des avantages subsidiaires , qui seront mis en évidence dans ce qui suit.
En se référant maintenant à la réalisation montrée dans les Figs. 1 à 3, il pourra être constaté que la construc- tion de plaque est composée d'un certain nombre de plaques similaires désignées dans l'ensemble par 10. Celles-ci sont habituellement en tôle de métal mince, susceptibles
<Desc/Clms Page number 6>
d'être laminée ou pressée dans la configuration désirée, mais l'invention n'est pas nécessairemtn limitée à l'emploi de plaques en métal.
Les plaques 10 sont formées de manière à présenter des arêtes parallèles espacées 12 et 14 respectivement,les premières faisant saillie d'un côté de la plaque et les dernières de l'autre côté, ntre les arêtes, les plaques sont gaufrées pour fournir une série de raynures obliques 16, qui comme il pourra être constaté dans les dessins, sont relativement peu profondes compara- tiveinent à la hauteur dus arêtes 12 et 14 et qui sont relativement étroites comparativanent à la distance entre lesarêtes.
Comme montré, les rayures sont inclinées avec un angle d'environ 30 , qui peut être modifié cependant,vers les arêtes s'étendant longitudinalement et, pour autant que cela concerne l'invention, les rayures peuvent former un gaufrage d'une configuration ondulée comme indiqué éven- tuellement avec des surfaces planes plus nettement accu- sées. comme il résulte dela Fig. 3, les plaques sont assem- blées de manière que les arêtes de plaques adjacentes sont décalées latéralement les unes par rapport aux autres pour former une série de canaux parallèles 18, dont les parois, se trouvant face à face, présentent des rayures inclinées obliquement vers le même bord latéral du canal.
Avec cette disposition, les couches limites du gaz, à des côtés oppo- sés du canal, sont chacune guidées vers le même côté du canal, ce qui a pour effet, que les parties de la couche limite se trouvant en des points différents sur le contour de la section, ont dea composantes de courant latérales d'un sens de rotation opposé par rapport à l'axe longitu- dinal 20 du canal, comme indiqué par les flèches 22, la direction de l'ensemble du courant des gaz passant par le
<Desc/Clms Page number 7>
canal, étant indiqué par les flèches 4.
Lorsque les courants de gaz de la couche limite à des côtés opposés du canal atteignent la paroi latérale, ils sont déviés par celle-ci et puisque leurs mouvements ont des sens opposés de rota- tion, ils se heurtent et se font dévier mutuellement pour produire une composante de courant latérale de retour tra- versant la région centrale ou la région de l'âme du canal comme indiqué par les flèches 26.
La colonne de gaz dans le canal est ainsi subdivisée en colonnes partielles suivant en général des trajets héli- coïdaux de sens opposés et comme il pourra êtrefacilement constaté dans la Fig. 3, la profondeur du canal par rapport à sa largeur peut être considérablement plus grande que s'il s'était produit seulement une colonne unique suivant un trajet hélicoïdal, parce que,à cause du mouvement latéral plus accentué produit dans la partie centrale de l'âme du canal, toutes les molécules du gaz sont amenées rapidementtrés près ou en contact réel avec la surface de la paroi du canal .
On comprendra, que suivant la longueur du canal, les rayures d'une rangée quelconque sont inclinées dans la même direction d'une extrémité du canal à l'autre de sorte que chaque colonne partielle de gaz garde le mouvement rotatif dans le même sens sur toute la longueur du canal.
Quoiqu'il puisse paraître de prime abord que la construction décrite ci-dessus doive produire un courant tourbillonnant de telle façon qu'une augmentation de la ré- sistance au courant en est le résultat, des essais réels avec des formes de constructions de plaques du commerce ont montré que ce n'était pas le cas et qu'en réalité, grâce semble-t-il à, semble-t-i]l'utilisation de canaux ayant un rayon hydrau- lique plus grand, que ceux employés précédemment , la résis- tance opposée au courant ou la chute de pression est dimi-
<Desc/Clms Page number 8>
nuée comparativement aux constructions antérieures dans des conditions similaires .
A titre d'exemple, ona essayé une construction de plaque en métal ferreux de l'espèce décrite ci-dessus, dans laquelle les canaux avaient une largeur de 37,5 mm et une profondeur de 4,6 mm (distance moyenne entre les plaques) avec des rayures de 2,3 mm de profondeur , disposées comme montré dans la Fig.
3, dans les mêmes conditions et avec le même équipement d'essai, en com- paraison avec une construction de plaque de l'espèce la plus efficace, qui était connue et maintenant en usage par- tout, et qui produit un courant hélicoïdal unique dans un canal de 50 mm de largeur , de 3,8 mm de profondeur avec des rayures de 2,7 mm de profondeur, on a trouvé qu'entre les limites des vitesses employées commercialement dans ces appareils, la chute de pression spécifique dans le nouvel appareil est approximativement de 30 % inférieure à celle de l'ancien, l'amélioration variant habituellement en rapport inverse de l'allure du courant de gaz.
Ces essais ont démontré également que la construction nouvelle possède un degré de transfert de chaleur plus élevé que l'ancienne, représentant une amélioration du coefficient de transfert de chaleur de gaz à métal d'appro- ximativement 18 % ,entre les limites de vitesse de gaz utilisées lors des essais, cette amélioration étant sensi- blement constante.
Selon les conditions spécifiques d'utilisation, comme la nature et la température du gaz, la vitesse désirée pour le courant traversant l'appareil et d'autres facteurs du même ordre, le rapport entre la largeur et la profondeur du canal donnant lerésultat optimum peut varier considéra- blement , particulièrement , si l'on tient compte du fait,
<Desc/Clms Page number 9>
que, dans certains cas, un degré de transfert de chaleur a plus d'importance que la valeur de la chute de pression et que dans d'autre cas, l'inverse peut êtrevrai et encore dans d'autres cas, le critère \ peut être déterminé par une combinaison de ces deux facteurs.
En conséquence , les dimensions et les proportions données ci-dessus doivent être interprétées seulement dans un sens illustratif et ne limitant d'aucune façon la portée de l'invention.
En ce qui concerne la construction physique elle-même desplaques, des modifications importantes peuvent être faites sans sortir du cadre de l'invention. Pour la facilité de la fabrication, les plaques peuvent être munies d'arêtes et gaufrées, comme montré dans la Fig. 4, avec des arêtes s'étendant seulement d'un coté du plan général de la plaque ou, comme montré dans la Fig. 5, l'es- pacement des plaques peut être réalisé par des arêtes s'étendant longitudinalement et constituées par des nervures séparées 30 soudées par;. points, bradées ou fixées d'une autre façon aux plaques . Dans tous les cas on peut dire que les arêtes ou les nervures constituent des dispositifs d'espacement, quipeuvent former également lesparois latérales du canal.
Selon la portée de l'intention, l'agencement des rayu- res obliquas n'est pas limité à la disposition montrée dans les exemples décrits ci-dessus , Comme montré dans la Fig. 6, les rayures entre les arêtes ou pièces d'espacement adjacentes, peuvent avoir la forme d'arêtes de poisson ou de chevrons, les rayures faceà face, deplaques adjacentes étant inclinées en général parallèlement les unes aux au- tres, tendant à créer ainsi dans le passage, quatre colonnes partielles, comme indiqué par les flèches 32.
<Desc/Clms Page number 10>
Dans toutes lesréalisations décrites précédemment, les rayures face à'face de plaques adjacentes sont inclinées dans la même direction et tandis que cette disposition courante est préférée, on peut avoir recours à d'autres, tout en restant dans le cadre de l'invention. Dans la Fig. 7 par exemple, il est montré une construction consistant en des plaques de la même configuration que celles montrées dans la Fig. 6, mais les plaques alternantes sont tournées de bout en bout dans le snécne plan, de sorte que les che- vrons formés par les rayures ont la pointe dirigée loni- tudinalement dans des directions opposées.
Avec cette construction, le nombre des colonnes parti elles est réduit à, deux mais dans ce cas, chaque colonne occupe la profon- deur totale du canal seulement sur une partie de sa largeur comme montré par les flèches 34, ce qui contraste avec les réalisations montrées dans les Fige. 1 jusqu'à 5 dans les- quelles chaque colonne occupait toute la largeur mais seule- ment une partie dela profondeur du canal. Dans le cas ou la disposition des rayures est telle, qu'elle tend à produire des colonnes degaz partielles s'étendant à travers toute la profondeur du canal, il sera clair que dans ces constructions des p laques alternantes peuvent présenter des surfaces planes 36 entre les arêtes d'espacement sans con- trarier le courant latéral caractéristique comme montré dans la Fig. 8.
Il sera également clair, que dans le cas, où il est fait usage de plaques alternantes planes, il est sans importance de quelle façon les plaques intermédiaires munies de rayures sont posées pour ce qui concerne le rapport entre la direction de leurs rayures, puisque dans une telle construction, les rayures des différentes plaques ne se trouvent pas face à face, les unes des autres dans le mêmecanal.
<Desc/Clms Page number 11>
Il sera évident après ce qui précède que des construc tions de plaque pouvant servir à mettre l'invention en exécution avec succès, peuvent être constituées dans la plupart des cas par des paquets ou des groupes de plaques de la même configuration et comme il pourra être constaté particulièrement dans les Fig. 3 et 4, l'espacement désiré entre les plaques peut être facilement assuré à l'aide d'arêtes, qui ont la forme d'encoches ouvertes, cette construction étant particulièrement avantageuse du point de vue du coût, puisqu'il n'est pas nécessaire de fabriquer des pièces d'espacement ni de fixer celles-ci aux plaques.
Il est toutefois évident, qu'avec des plaques comme celles montrées dans la Fig. 4, le déplacement latéral d'une plaque par rapport à l'autre peut avoir comme effet que les plaques s'emboîtent les unes dans les autres, puisque leur configuration est la même . Ceci ne peut pas arriver avec la construction d'échange de chaleur par récupération habi- tuelle dans laquelle les plaques doivent êtrefixées .;air leurs extrémités à des pièces de tête ou similaires pour la répartition des gaz sur les jeux de canaux alternants qu'ils traversent . Dans la forme habituelle du dispositif pour l'échange de chaleur par régénération cependant, ceci ne doit pas être nécessairement le cas.
Dans cette construction , l'agencement des plaques constitue ordinai- rement un rotor cylindrique, composé de compartiments de forme sectorale et"pour des raisons de: coût, de la facilité de remplacement en cas de corrosion ou d'autres domrna, les diverses plaques
EMI11.1
dommages et pour d'autres co.nsiderationsJ n6 sont. !Lao tue.L- lement pas fixées rigidement les unes aux autres.
Ainsi,sons l'influence de la vibration, on a cause d'un léger flé- chissement ou à cause d'une autre raison une ou plusieurs
<Desc/Clms Page number 12>
plaques d'un paquet de plaques de la même forme, peut se déplacer suffisamment dans le sens latéral pour s'emboî- ter dans la plaque adjacente , ce qui n'a pas seulement pour effet de fermer une rangéede canaux mais également de détacher les plaques restantes d'un paquet de phoques formant une unité et qui ne sont pas connectées rigidement les unes aux autres .
Jusqu'ici, des difficultés dues à l'emboîtement n'ont pas été rencontrées pour les paquets de plaques d'échange de chaleur par régénération, purée que les plaques adjacentes n'étaient pas de la même confi- guration dans les premières formes d'exécution qui ont donnée les résultats les plus satisfaisantes et qui ont été les plus employées . conformément à un autre aspect de la présente inven- tion, les avantages que des plaques de la même configura- tion peuvent procurer, peuvent être conservés, sans ris- dont quer un emboîtement, par la façon @ les arêtes parallèles sont réparties les unes par rapport aux autres et par rapport aux bords marginaux de la plaque .
Ainsi, par exemple, pour des plaques de la forme montrée dans la Fig. 4, la configuration peut être la même mais avec une distance différente entre les arêtes adjacentes dans le sens de la largeur de la plaque . Lorsque des plaques pareilles sont assemblées dans un paquet, les plaques alternantes sont retournées pour former un assemblage tel que celui montré dans la Fig. 9.
Dans la figure, la différence des distances entre les arêtes a été exagérée dans un but illustratif, mais il sera évident qu'avec une différence d'espacement relativement petite, le risqae de l'emboîtement , à cause du déplacement latéral est évité et la différence dans la largeur des canaux résultant de l'espacement variable peut être maintenu suffisamment fai-
<Desc/Clms Page number 13>
ble pour qu'elle n'ait pas unè influence sensible sur la capacité de transfert moyenne du paquet de plaques.
Pour certaines configurations de plaques, une diffé- rence de distance entre les arêtes conjointement avec le retournement des plaques adjacentes, ne serait pas prati- était donné suivant laquelle
EMI13.1
que , BEaoogHqxae 1' exigenc e $fiÉ# 1 es rayures se trouvant face à face sur des plaques adjacentes doivent présenter une disposition symétrique les unes par rapport aux autres dans chaque canal.
Dans ces cas, le but envisagé peut être atteint d'une manière économique, tout en maintenant l'égalité des dis- tances entre les arêtes en exécutant les tôles constituant les plaques , en forme de bandes plus longues que les pla- ques nécessaires, avec des arêtes espacées uniformément et interrompues à certains intervalles sur leurlongueur.
Une de ces dispositions est montrée dans la Fig. 10 , dans laquelle les arêtes 38 sont formées en rangées s'étendant ensemble dans le sens longitudinal et les plaques sont cisaillées de la bande de telle manière que les arêtes se trouvent à des distances inégales par rapport aux bords marginaux terminant la plaque, la distance a étant inférieu- re à la distance b .Avec de telles plaques, le retourne- ment des plaques alternantes produit un décalage longitu- dinal entre les arêtes comme indiqué par les traits en poin- tillé désignant des arêtes 38a d'une plaque retournée se trouvant sous la plaque désignée par des traits pleins .
La fig. 11 montre encore une autre disposition, dans laquelle les interruptions dans les arêtes sont décalées les unes par rapport aux autres et les plaques coupées de telle façon , que lorsque'des plaques alternantes sont re- tournées, leurs arêtes sont situées comme indiqué par les contours en pointillé 40a.
<Desc/Clms Page number 14>
Il est clair que des contours spécifiques de sur- face entre les arêtes peuvent être employés avec les différentes dispositions des arêtes décrites ci-dessus à titre d'exemple et il sera de plus évident que beaucoup de modifications et de changements dans les différentes constructions montrées dans cet exposé peuvent être appor- tées à celles-ci, sans sortir du cadre de l'invention dont la portée est définie par les revendications annexées.
REVENDIAATIONS.
1. Appareil d'échange de chaleur consistant en une construction de plaques agencées de manière à former un certain nombre de canaux ouverts d'une section transversale à. surfacesensiblement uniforme, destinés à, être traversés par un courant de gaz entre des plaques adjacentes dans un sens général donné, en une certain nombre de rayures d'une largeur relativement étroite et d'une faible profondeur comparativement à la largeur et la profondeur des dits ca- naux, les dites rayures étant disposées obliquement par rapport au dit sens général du courant donné pour créer une composante latérale du courant dans la couche limite de la colonne de gaz et adjacente aux rayures, les dites rayures étant de plus disposées de manière à produire un courant latéral dans un sens de rotation opposé, par rapport à l'axe longitudinal du canal,
dans les différentes parties de la couche limite se trouvant dans la même section trans- Vers#le du canal en des Endroits différents du contour.
<Desc / Clms Page number 1>
DESCRIPTIVE MEMORY filed in support of a request for
PATENT
EMI1.1
the company: AKTIEBOLAGET LJUNGSTROMS ANGTURBIN- "Heat exchange device" Priority of a patent application filed in Sweden on May 28, 1945.
The present invention relates to heat exchange and more particularly to a plate construction intended to transmit heat from one gaseous medium to another, either by the process known as the regeneration process according to which the plate construction is heated by contact by a hot gas to subsequently give up its heat to a colder gas subsequently passing through the same channels of the construction, or by the process called the recovery process in which heat is transferred from a warmer medium to a colder medium by conduction through slaps separating adjacent channels simultaneously traversed by the hot and cold mediums respectively.
<Desc / Clms Page number 2>
The usual types of apparatus to which the invention relates are well known, an example of the regenerative type being described in United States Patent No. 2,023,965 issued to Alf Lysholm on December 10, 1935 and an example of the regenerative type. recovery being disclosed in U.S. Patent No. 2,064,931 issued to Alf Lysholm on December 22, 1936.
In all of these devices, the heat transfer capacity of a device of a given size is a function of the degree of heat transfer between a gaseous medium and the building but the commercial utility or efficiency of the building. The device is not only determined by the heat transfer coefficient obtained but also by the factor: the resistance to the current of the gaseous media passing through the slide as well as to the contributors to the cost and weight of the construction plates required, ease of cleaning gas passages, etc.
In previous devices of the kind considered here, satisfactory heat transfer coefficients were obtained by constructions producing a vigorous vortex of the gas stream, but these were obtained at a great cost. resistance to current and consequently of a large drop in pressure in the device, a drawback to which was usually added the difficulty of cleaning the surfaces of the plates.
To remedy this, plate constructions have been carried out, of which those covered by the Lysholm patents mentioned above constitute types, and in which there have been provided substantially straight passages or channels for the gas without obstacles having one or more walls formed by one or more hides provided with embossments or shallow stripes dis-
<Desc / Clms Page number 3>
laid obliquely in order to create a lateral component of the current in the boundary layer of the gas column, which produces molecular friction with the core of the column which has the effect of preventing stratification of the gas and of bringing progressively all of the gas in relation to the wall of the heat exchange channel,
thereby ensuring a satisfactory high degree of heat transfer to the channel wall, while at the same time a relatively low resistance to gas flow is maintained as compared to previous types.
The general object of the present invention is to improve the type of open channel apparatus just described by providing new shapes and arrangements for plate construction which will improve the degree of heat transfer. , which will even further reduce the resistance to the gas flow, which will provide channels sized to facilitate cleaning of the walls, which will allow the devices to be constructed with plates of the same configuration so that the cost of the Plate manufacturing is reduced, and which for a given heat transfer capacity requires less plate than heretofore, which further reduces cost and also weight.
In order to better understand in detail the nature and the objects of the invention and the advantages resulting from its use, it is useful to refer to the following part of this description as well as to the accompanying drawings, which form part of it and in which:
Fig. 1 is a plan view of part of a plate arranged for use in carrying out the invention.
Fig. 2 is a section of the end of the pla-
<Desc / Clms Page number 4>
as shown in Fig. 1.
Fig. 3 is a perspective view showing plates of the species illustrated in FIG. 1 assembled in accordance with the invention.
Figs. 4 to 8 inclusive are views if; ni-- lar to FIG. 3 and show particular different plating methods and arrangements for carrying out the principles of the invention.
Fig. 9 is a view similar to FIG. 3 showing a variation in the arrangement of the ribs of the construction of the plate.
Figs. 10 and 11 are plan views illustrating still other variations in the arrangement of the ribs of the plate.
In plate constructions as carried out heretofore, the side current of the boundary layer has been produced such that the friction between the boundary layer and the core of the gat column tends to produce a component. unidirectional rotary '! e of the flow of the entire mass of gas in the channel, causing the gas to tend to advance through the channel as a single column in a generally helical path for the stream. Such devices have found very extensive commercial use and experience has shown that the best results with them have been obtained with gas channels whose width is a high multiple of the depth.
This gives a poss channel eda nt a hydraulic radius of a relatively low value, i.e. the ratio of the cross-sectional area to the contour, and it is clear that from the point of view of the resistance to the current, the higher the value of the hydraulic
<Desc / Clms Page number 5>
the better the results will be. On the other hand, if we draw on the teaching above, and if we give the aanals a narrower and deeper shape to increase the hydraulic radius, we find that the heat transfer becomes less efficient. and for this reason, this route is impracticable.
However, it has been found that the increase in hydraulic radius, so highly desirable, can be achieved, not only without a decrease in heat transfer efficiency but with significantly higher efficiency by placing and arranging the oblique grooves in the or the walls of the channel, so that the lateral components induced in the different parts of the boundary layer in the same section tend to subdivide the single gas column into a number of partial columns, advancing parallel to each other , substantially in the same direction through the same channel but with lateral components of the current of an opposite direction of rotation with respect to the longitudinal axis of the channel and producing helical paths in opposite directions for the different columns partial.
This characteristic feature new to current can be achieved with a variety of substantially different plate constructions, but for the purpose of explaining the invention so that its advantages will become clear, it suffices to describe a few embodiments. - tions which not only produce the desired current but also subsidiary advantages, which will be highlighted in what follows.
Referring now to the embodiment shown in Figs. 1 to 3, it will be seen that the plate construction is made up of a number of similar plates generally designated as 10. These are usually made of thin sheet metal, likely
<Desc / Clms Page number 6>
to be rolled or pressed into the desired configuration, but the invention is not necessarily limited to the use of metal plates.
The plates 10 are formed to have parallel spaced ridges 12 and 14 respectively, the former projecting from one side of the plate and the latter from the other side, between the ridges, the plates are embossed to provide a series. oblique grooves 16, which as will be seen in the drawings, are relatively shallow compared to the height of the ridges 12 and 14 and which are relatively narrow compared to the distance between the ridges.
As shown, the stripes are inclined at an angle of about 30, which can be varied however, towards the longitudinally extending ridges and, as far as the invention relates, the stripes can form an emboss of a wavy configuration. as indicated, possibly with more sharply accentuated flat surfaces. as it follows from Fig. 3, the plates are assembled in such a way that the edges of adjacent plates are laterally offset from one another to form a series of parallel channels 18, the walls of which, facing each other, have stripes inclined obliquely towards each other. the same lateral edge of the channel.
With this arrangement, the boundary layers of the gas, on opposite sides of the channel, are each guided to the same side of the channel, which has the effect that the parts of the boundary layer lying at different points on the channel. contour of the section, have lateral current components of an opposite direction of rotation with respect to the longitudinal axis 20 of the channel, as indicated by arrows 22, the direction of the whole gas flow passing through the
<Desc / Clms Page number 7>
channel, being indicated by arrows 4.
When the boundary layer gas streams on opposite sides of the channel reach the side wall, they are deflected by it and since their movements have opposite directions of rotation, they collide and deflect each other to produce a lateral return current component passing through the central region or core region of the channel as indicated by arrows 26.
The gas column in the channel is thus subdivided into partial columns generally following helical paths in opposite directions and as can easily be seen in FIG. 3, the depth of the channel in relation to its width may be considerably greater than if only a single column had occurred following a helical path, because, due to the more pronounced lateral movement produced in the central part of the l The core of the channel, all gas molecules are brought quickly to near or in actual contact with the surface of the channel wall.
It will be understood, that along the length of the channel, the stripes of any row are inclined in the same direction from one end of the channel to the other so that each partial column of gas keeps the rotary movement in the same direction on the entire length of the canal.
Although it may at first appear that the construction described above must produce a swirling current in such a way that an increase in resistance to current is the result, actual tests with forms of plate constructions of the trade have shown that this was not the case and that in reality, thanks apparently to the use of channels having a greater hydraulic radius, than those used previously, the resistance - resistance opposite to the current or the pressure drop is reduced
<Desc / Clms Page number 8>
cloud compared to previous constructions under similar conditions.
By way of example, a ferrous metal plate construction of the kind described above has been tried in which the channels had a width of 37.5 mm and a depth of 4.6 mm (mean distance between the plates. ) with 2.3mm deep grooves, arranged as shown in Fig.
3, under the same conditions and with the same test equipment, in comparison with a plate construction of the most efficient species, which was known and now in use everywhere, and which produces a single helical current in a 50 mm wide, 3.8 mm deep channel with 2.7 mm deep grooves, it was found that between the speed limits used commercially in these devices, the specific pressure drop in the The new apparatus is approximately 30% less than that of the old one, the improvement usually varying inversely with the rate of the gas flow.
These tests also demonstrated that the new construction has a higher degree of heat transfer than the old one, representing an improvement in the gas-to-metal heat transfer coefficient of approximately 18%, between the speed limits of. gases used during the tests, this improvement being substantially constant.
Depending on the specific conditions of use, such as the nature and temperature of the gas, the speed desired for the current passing through the apparatus and other similar factors, the ratio between the width and the depth of the channel giving the optimum result may vary considerably, especially if one takes into account the fact,
<Desc / Clms Page number 9>
that in some cases a degree of heat transfer is more important than the value of the pressure drop and that in other cases the reverse may be true and yet in other cases the criterion \ may be determined by a combination of these two factors.
Accordingly, the dimensions and proportions given above should be interpreted only in the sense of illustration and not limiting in any way the scope of the invention.
As regards the physical construction itself of the plates, significant modifications can be made without departing from the scope of the invention. For ease of manufacture, the plates can be provided with ridges and embossed, as shown in Fig. 4, with ridges extending only from one side of the general plane of the plate or, as shown in FIG. 5, the spacing of the plates may be accomplished by longitudinally extending ridges formed by separate ribs welded together. dots, sold off or otherwise attached to the plates. In all cases it can be said that the ridges or ribs constitute spacing devices, which can also form the side walls of the channel.
Depending on the scope of the intention, the arrangement of the oblique stripes is not limited to the arrangement shown in the examples described above, as shown in FIG. 6, the stripes between adjacent ridges or spacers may be in the form of fishbones or chevrons, the face-to-face stripes of adjacent plates being inclined generally parallel to each other, thus tending to create in the passage, four partial columns, as indicated by arrows 32.
<Desc / Clms Page number 10>
In all the embodiments described above, the face-to-face stripes of adjacent plates are inclined in the same direction and while this current arrangement is preferred, others can be used, while remaining within the scope of the invention. In Fig. 7 for example, there is shown a construction consisting of plates of the same configuration as those shown in FIG. 6, but the alternating plates are turned end to end in the plane, so that the chevrons formed by the stripes have the point directed longitudinally in opposite directions.
With this construction, the number of left columns is reduced to two but in this case, each column occupies the total depth of the channel only over part of its width as shown by arrows 34, which contrasts with the realizations. shown in Figs. 1 to 5 in which each column occupied the whole width but only a part of the depth of the channel. In the event that the arrangement of the stripes is such that it tends to produce partial gas columns extending through the entire depth of the channel, it will be clear that in these constructions alternating lacquers may have flat surfaces 36 between the spacer ridges without interfering with the characteristic lateral flow as shown in FIG. 8.
It will also be clear, that in the case, where use is made of alternating planar plates, it is irrelevant how the intermediate plates provided with stripes are laid with regard to the ratio between the direction of their stripes, since in such a construction, the stripes of the different plates are not facing each other in the same channel.
<Desc / Clms Page number 11>
It will be evident from the foregoing that plate constructions which may serve to carry out the invention successfully, can in most cases be constituted by packs or groups of plates of the same configuration and as may be expected. noted particularly in Figs. 3 and 4, the desired spacing between the plates can be easily ensured by means of ridges, which have the form of open notches, this construction being particularly advantageous from the point of view of cost, since it is not no need to fabricate or attach spacers to the plates.
It is evident, however, that with plates like those shown in FIG. 4, the lateral displacement of one plate relative to the other can cause the plates to fit into each other, since their configuration is the same. This cannot happen with the usual recuperative heat exchange construction in which the plates have to be fixed.; Air their ends to head pieces or the like for the distribution of gases over the sets of alternating channels that they cross. In the usual form of the device for heat exchange by regeneration, however, this need not necessarily be the case.
In this construction, the arrangement of the plates ordinarily constitutes a cylindrical rotor, composed of sector-shaped compartments and "for reasons of cost, ease of replacement in the event of corrosion or other damage, the various plates.
EMI11.1
damage and for other co.nsiderationsJ n6 are. ! Lao kills. They are not rigidly attached to each other.
Thus, under the influence of vibration, we have caused a slight sag or some other reason one or more
<Desc / Clms Page number 12>
plates of a bundle of plates of the same shape, can move sideways enough to fit into the adjacent plate, which not only closes a row of channels but also loosens the channels. remaining plates of a packet of seals forming a unit and which are not rigidly connected to each other.
Hitherto, difficulties due to interlocking have not been encountered for the packs of regenerative heat exchanging plates, as the adjacent plates were not of the same configuration in the first forms of heat exchange. execution which gave the most satisfactory results and which were used the most. in accordance with another aspect of the present invention, the advantages which plates of the same configuration can provide can be retained without risking interlocking by the way the parallel edges are distributed one by one. relative to others and relative to the marginal edges of the plate.
Thus, for example, for plates of the form shown in FIG. 4, the configuration can be the same but with a different distance between the adjacent ridges in the width direction of the plate. When such plates are assembled into a bundle, the alternating plates are turned over to form an assembly such as that shown in FIG. 9.
In the figure, the difference in the distances between the edges has been exaggerated for illustrative purposes, but it will be evident that with a relatively small difference in spacing, the risk of interlocking, due to lateral displacement is avoided and the difference in the width of the channels resulting from the variable spacing can be maintained sufficiently low
<Desc / Clms Page number 13>
ble so that it does not have a noticeable influence on the average transfer capacity of the plate pack.
For some plate configurations, a difference in distance between the edges together with the flipping of adjacent plates, would not be practiced according to which
EMI13.1
that, BEaoogHqxae 1 'requirement $ fiÉ # 1 The scratches facing each other on adjacent plates must be symmetrical to each other in each channel.
In these cases, the envisaged object can be achieved in an economical manner, while maintaining the equality of the distances between the edges by making the sheets constituting the plates, in the form of strips longer than the necessary plates, with evenly spaced ridges interrupted at intervals along their length.
One of these arrangements is shown in FIG. 10, wherein the ridges 38 are formed in rows extending together in the longitudinal direction and the plates are sheared from the web such that the ridges lie at unequal distances from the marginal edges terminating the plate, the distance a being less than the distance b. With such plates, the inversion of the alternating plates produces a longitudinal offset between the edges as indicated by the dotted lines designating edges 38a of an inverted plate. found under the plate designated by solid lines.
Fig. 11 shows yet another arrangement, in which the interruptions in the ridges are offset from each other and the plates cut in such a way that when alternating plates are turned over their ridges are located as indicated by the outlines. dotted line 40a.
<Desc / Clms Page number 14>
It is clear that specific surface contours between the edges can be employed with the different edge arrangements described above by way of example and it will further be evident that many modifications and changes in the different constructions shown. in this disclosure may be made thereto, without departing from the scope of the invention, the scope of which is defined by the appended claims.
CLAIMS.
1. Heat exchange apparatus consisting of a construction of plates arranged to form a number of channels open from cross section to. substantially uniform surfaces, intended to be traversed by a current of gas between adjacent plates in a general direction, in a number of stripes of relatively narrow width and shallow depth compared to the width and depth of said channels, said stripes being arranged obliquely with respect to said general direction of the given current to create a lateral component of the current in the boundary layer of the gas column and adjacent to the stripes, said stripes being furthermore arranged so as to produce a lateral current in an opposite direction of rotation, with respect to the longitudinal axis of the channel,
in different parts of the boundary layer lying in the same cross section of the channel in different places of the contour.