BE477254A - - Google Patents

Description

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   BREVET D'INVENTION      
Société dite-; 
GENERAL AMERICAN TRANSPORTATION CORPORATION ------------------------------------------- Appareil échangeur de chaleur avec dispositif pour l'évacua- tion des gaz   incondensables.   



   --------------------------- Convention Internationale : Priorité d'une demande de brevet 
 EMI1.1 
 d'invention no "f ,810 déposée aux Etats-Unis dtamdriqué le 29 novembre 1946 au nom de Harold Ezra JACOBY. 
 EMI1.2 
 ------------------------------------------------------------- 
Cette invention concerne-les appareils échangeurs de chaleur et plus particulièrement un-procédé et un   disposi   tif perfectionnés d'évacuation des gaz incondensables hors d'un échangeur de chaleur. 



   Les échangeurs de-chaleur du type auquel se,rapporte l'invention comprennent normalement un certain nombre de tubes formant un faisceau et montés à leurs extrémités dans une paire de flasques porte-tubes. Ce faisceau de tubes et les flasques porte-tubes sont logés dans un carter ou une enveloppe de forme convenable. Le fluide qui doit être chauffé circule à l'inté- rieur des tubes, et un milieu chauffant comprenant une vapeur condensable est introduit dans l'enveloppe et astreint à se condenser sur les parois externes des tubes, ce qui fournit une certaine quantité de chaleur aux tubes et, à travers leurs parois, au fluide chauffé qui les parcourt.

   Les échangeurs de chaleur de ce genre sont généralement appelés échangeurs- à titubes sous carter" et peuvent constituer des ensembles compacts entièrement renfermés dans leur enveloppe ou bien encore des éléments chauffants incorporés à un équipement tel 

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 qu'un évaporateur, un cristallisateur, un rebouilleur, une chaudière d'utilisation de la chaleur perdue, etc.. 



   La vapeur ou plus généralementle fluide chauffant condensable qui est utilisée dans un pareil échangeur thermi- que contient normalement une petite proportion de gaz inconden- sable et au fur et à mesure que la masse des vapeurs conden- sables se condense, la proportion de gaz dans le mélange de gaz et de vapeur a tendance à augmenter, Si l'on évacue ce gaz incondensable, il tend à faire adhérer le gaz à la paroi chauffante, c'est-à-dire qu'il a tendance à masquer en quelque sorte certaines parties de la paroi chauffante, de sorte que la vapeur d'eau de qualité supérieure nouvellement arrivée est empêchée de venir en contact avec ces parois. Il est donc essentiel à un fonctionnement efficace que ce gaz incondensable soit effectivement évacué. 



   La pratique courante utilisée jusqu'à présent consiste à introduire la vapeur ou plus généralement le fluide de chauffa- ge condensable en un point de la périphérie de l'enveloppe de 1+échangeur de chaleur et à évacuer dans la mesure du possible les gaz incondensables en un autre point de la périphérie de l'enveloppe placé à une certaine distance du point d'admission du fluide chauffant. C'est ainsi, par exemple, que, dans les cas où les tubes de l'échangeur thermique sont disposés verti- calement, la vapeur est introduite dans son enveloppe en un point voisin du sommet du faisceau de tubes et que le gaz in- condensable mélangé à la vapeur d'eau est évacué en un endroit de la périphérie de l'échangeur thermique opposé à l'extrémité inférieure du faisceau de tubes. Cette pratique antérieure est critiquable à divers points de vue.

   En effet, comme les gaz incondensables sont évacués à la.périphérie du faisceau de tubes, il subsiste à l'intérieur   'de   ce faisceau un noyau central formant un cône de gaz qui est relativement inactif. 



  Ce noyau inactif de gaz incondensable s'accumule autour des 

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 tubes centraux de l'échangeur de chaleur et réduit ainsi notablement la paroi de chauffage effectif qui est disponible pour le transfert de chaleur. 



   Un autre inconvénient du dispositif de ventilation usuel, c'est qu'il permet aux vapeurs qui arrivent de s'écouler directement depuis leur point d'admission jusqu'au point de ventilation. Normalement l'enveloppe ou carter de l'échangeur de chaleur est nettement séparée du faisceau de tubes et il existe par conséquent entre la paroi interne de cette enveloppe et le-faisceau de tubes un espace annulaire qui offre une résistance relativement faible à l'écoulement des vapeurs. Com- me ces dernières ont tendance à s'écouler à une vitesse plus grande en empruntant des canaux qui   offren.t   moins de résistance à l'écoulement, une proportion notable du fluide de chauffage qui arrive peut s'écouler à travers cet espace annulaire direc- tement vers l'orifice de ventilation fixe et contourner ainsi les parois de chauffe de l'éohangeur de chaleur.

   La teneur en vapeur d'eau du gaz qui s'écoule vers l'orifice de ventila- tion est donc accrue, tandis que le rendenent thermique de l'échangeur de chaleur est réduit. 



   Un but de l'invention est de créer   un.procédé   perfec- tionné pour évacuer les gaz incondensables hors d'un échangeur de chaleur, ce procédé étant spécialement conçu pour réduite au minimum la quantité de vapeur d'eau qui est évacuée en même temps que le gaz   inoondensable   et pour augmenter en même temps le rendement du transfert thermique dans l'échangeur. 



   Un autre but de l'invention est de créer un appareil pour la réalisation industrielle de ce procédé perfectionné. 



   D'autres buts de l'invention découlent de la suite de cette description. 



   Considéré selon un de ses aspects   généraux,   le procé- dé que prévoit l'invention consiste à prévoir un tube formant évent construit et disposé à l'intérieur de l'échangeur thermi- 

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 que de telle sorte que le gaz incondensable puisse être évacué hors de l'échangeur en un point voisin de l'axe longitudinal d'un faisceau de tubes logé dans cet échangeur et espacé longitudinalement de l'endroit où. la vapeur   oondensable   est introduite dans l'échangeur.

   C'est ainsi par exemple que si l'échangeur est disposé verticalement, la vapeur d'eau ou autre vapeur condensable contenant une petite proportion de gaz incondensable peut être admise en un point de la périphérie supérieure de l'échangeur et le gaz destiné à l'évent évacué au centre de l'extrémité inférieure du faisceau de tubes. En évacuant ce gaz en cet endroit préféré, on sup- prime l'espace mort dans lequel le gaz incondensable pourrait s'accumuler. De plus, toute quantité de vapeur s'écoulant à'travers l'espace annulaire compris entre l'enveloppe de l'é- changeur et le faisceau de tubes doit passer nécessairement le long des surfaces chauffantes des tubes avant d'atteindre l'orifice d'évacuation des gaz.

   Le procédé que prévoit l'invention augmente par conséquent le rendement d'utilisation du fluide chauffant et de la paroi chauffante de l'échangeur thermique. 



   Dans les dessins schématiques annexés est représen- tée, à titre d'exemple illustratif mais non limitatif, une des réalisations possibles d'un appareil conforme à l'invention, étant entendu que les détails de cet appareil peuvent être modifiés de diverses manières par les techniciens pour faire face aux exigences imposées par les utilisations particulières envisagées. 



   La fige 1 est une vue en coupe verticale d'un échangeur thermique formant un ensemble logé entièrement dans une enveloppe et comportant le dispositif conforme à   l'inven-   tion. ' 
La fig. 2 est une vue en coupe verticale d'un évaporateur auquel est incorporé un échangeur thermique con- forme à l'invention. 

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   Comme représenté, en particulier dans la fig, l,      le faisceau de tubes désigné dans sun ensemble par 10 comprend un certain nombre de tubes (dont quelques-uns seulement sont représentés dans la fig. 1) formant un ensemble cylindrique et montés à leurs extrérnités supérieures dans un flasque porte- tubes   12   et à leurs extrémités inférieures dans un flasque porte-tubes 14. Le faisceau de tubes 10 et les flasques 12 et 14 sont logés dans une enveloppe 16 qui s'étend au delà des extrémités de ce faisceau pour former avec le flasque inférieur 14 une chambre d'entrée   la. et   avec le flasque supérieur 12 une chambre de sortie 20.

   Le fluide à chauffer pénètre dans la chambre 18 par un tuyau d'admission 22 et parcourt les tubes constitutifs du faisceau 10 dans lequel il est chauffé par la condensation d'un milieu chauffant condensable à l'extérieur des tubes. Le fluide chauffé passe alors dans la chambre de sortie 20 et s'échappe hors de l'échangeur par un tuyau d'éva- cuation 24. 



   La vapeur d'eau ou plus généralement la vapeur con-   densable   pénètre dans l'échangeur par un tuyau d'admission   26   et frôle les tubes du faisceau 10 en cheminant de façon   générale   vers le bas le long de ces tubes, de manière à se condenser sur les parois des tubes et à céder sa chaleur latente qui est transférée au milieu chauffant qui se trouve à l'intérieur des tubes. 



   Dans la partie supérieure de   1 échangeur   est montée une chicane supportée par un plateau annulaire 29 fixé. à la paroi interne de l'enveloppe 16. La chicane 27, le 'plateau 29 et l'enveloppe 16 délimitent par leur ensemble un conduit annu- laire que parcourt la vapeur d'eau qui pénètre dans l'appareil avant de venir en contact avec les tubes formant le faisceau 10. Le rôle de la chicane 27 est d'empêcher la vapeur d'eau qui entre dans l'appareil de heurter directement le faisceau de tubes 10. Cette chicane améliore donc la distribution de la vapeur autour de la périphérie du faisceau de tubes. Le 

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 condensat est évacué dans le voisinage de la partie inférieure du faisceau de tubes par un tuyau de purge 28. 



   Comme indiqué ci-avant, le fluide chauffant conden- sable contient   normalement une   faible proportion de gaz incon- densables. Pour a-ssurer l'évacuation de ces gaz, le faisceau de tubes 10 est muni en son centre d'un tuyau de ventilation 
30 qui s'étend entre les flasques porte-tubes 12 et 14 de ma- nière analogue aux autres tubes du faisceau mais qui est masqué à son extrémité supérieure, de sorte que les gaz ne peuvent s'écouler qu'à partir d'une extrémité du tube.

   L'extrémité ouverte du tube 30 traverse le flasque 14, la chambre 18 et l'enveloppe   16   et dépasse à l'extérieur de l'échangeur.   'En   un point voisin de l'extrémité inférieure du faisceau de tubes, le. tuyau 30 est percé d'un ou plusieurs trous 32 par lesquels le gaz peut   s'écouler   dans le tuyau 30 et de là hors de l'échangeur. 



   Pour régler l'évacuation des gaz condensables, il est prévu un dispositif de commande automatique   3  qui peut être du type pneumatique ordinaire et qui peut comprendre d'une part un élément 36 réagissant à la température logé dans une niche 38 voisine de l'endroit où les gaz incondensables pénè- trent dans le tuyau 30 et, d'autre part, une vanne de réglage 
40 à commande pneumatique et le dispositif de commande 34 proprement dit dont le rôle est d'assurer la position de cette vanne, de façon à maintenir les gaz d'échappement à une tempé- rature prédéterminée* Etant donné que la température des vapeurs qui s'échappent varie en fonction de leur teneur en .

   vapeur d'eau, on peut régler le dispos.itif de contrôle de la température afin de maintenir la teneur en vapeur d'eau des vapeurs qui s'échappent égale à la valeur prédéterminée désirée et réduire ainsi au minimum les pertes de valeur dans le gaz qui s'échappe. 



   Avec la construction représentée dans la fig. 1, tout écoulement en "by-pass" de vapeur d'eau depuis l'orifice d'ad- 

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 mission de cette vapeur jusqu'à l'orifice de sortie des gaz   @   est empêché. En effet, la totalité de la vapeur d'eau doit nécessairment venir en contact avec le faisceau de tubes 10 avant d'arriver à l'orifice de sortie des gaz. De plus, il n'y a aucune chance qu'un noyau inactif de gaz incondensable se forme à l'intérieur de l'échangeur comme cela serait le cas si le gaz d'évacuation s'écoulait à partir de la périphérie de l'échangeur plutôt qu'en un point.voisin de son axe longitu- dinal. 



   Comme représenté dans la fig. 2, l'échangeur. de chaleur est incorporé ici à un évaporateur du type décrit dans une demande de brevet américain déposée le 27 février 1946 sous le n  650.468 et pourvu d'un tuyau formant évent construit et disposa, suivant la présente invention. Cet évaporateur com- porte un faisceau de tubes 10a semblable au faisceau de tubes 
10 et s'étendant entre les flasques porte-tubes 12a et 14a. Le fluide qu'il   s'agit.de   chauffer et qui est constitué par exemple par une solution destinée à être évaporée pénètre à la partie inférieure de l'évaporateur par un tuyau 22a et traverse la chambre 18a et les tubes du faisceau 10a pour gagner une chambre supérieure 20a et s'échapper hors de l'évaporateur par une tubu- lure 24a.

   La vapeur condensable qui peut être de la vapeur d'eau vaporisée au cours d'un fonctionnement précédent de l'éva- porateur pénètre dans la partie assurant l'échange thermique de l'évaporateur par un tuyau 26a et vient en contact avec les tubes du faisceau 10a. Cette vapeur frôle la face supérieure de la chicane 27a et les tubes du faisceau selon 'un trajet' généralement descendant et se condense pour céder sa chaleur latente au fluide qui se trouve dans les tubes. Le condensat est évacué près de la partie inférieure du faisceau de tubes par un tuyau 28a.

   Le gaz incondensable est évacué par un tuyau 
30a à extrémité ouverte qui traverse la flasque 14a et s'étend sur une petite distance dans le faisceau de tubes 10a et se 

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 prolonge dans l'autre sens en traversant la chambre 18a et la paroi   16a   pour faire saillie à l'extérieur de   l'éva@ora-     teur.   



   L'extrémité ouverte du tuyau   30a   est placée sur l'axe longitudinal du faisceau de tubes près de sa partie inférieure et joue le même rôle que le tuyau 30 de la construc- tion représentée en   fig.   1 pour s'opposer à ce que la vapeur d'admission ne circule en "by-pass" et n'empêche l'accumulation d'un noyau ou cône de gaz   inconcdensable   au centre du faisceau de tube. Un robinet-vanne 40a à commande manuelle est monté sur-le tuyau 30a pour permettre de faire varier le débit   d' éva-   cuation des gaz incondensables. 



   On remarquera que le tuyau 30 que comporte la construc- tion représentée dans la fig. 1 s'étend   d'un   flasque porte-tubes à l'autre, tandis que le tuyau 30a incorporé à la construction représentée en   fig. 2   ne s'élève que sur une courte distance dans le faisceau de tubes. En fait, la construction que montre la fig. 1 est la construction à adopter de préférence en ce sens qu'elle supprime la possibilité de l'écoulement de la va-, peur en "by-pass" par la partie centime du faisceau de tubes. 



  Si le tube central de ce faisceau est supprimé (comme le montre la fig.   2)   un trajet non entravé est ne nagé pour l'écoulement de la vapeur d'une extrémité du faisceau à l'autre extrémité, de sorte que la vapeur a tendance à s'écouler plus rapidement par ce trajet que par les autres trajets entre les tubes du faisceau. 



  Par ailleurs si le tuyau d'évacuation s'étend d'un flasque porte- tubes à l'autre comme le montre la   fig.   1, cet écoulement de la vapeur en "by-pass" est empêché. 



   On voit donc par ce qui précède que le procédé et le dispositif que prévoit l'invention augmentent le rendement d'utilisation de la surface chauffante, à l'intérieur d'un   échan-   geur thermique et réduisent les pertes de vapeur dues à l'écou- lement à l'extérieur des gaz incondensables à partir de l'échan- geur. En plaçant l'orifice de sortie des gaz près du centre du 

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 faisceau de tubes, on supprime les espaces morts à l'intérieur      de 1!échangeur, de sorte qu'il n'y a aucune change qu'un noyau ou cône de gaz incondensable se forme et ne masque la paroi chauffante du faisceau. de tubes.

   En outre, la totalité des vapeurs condensables qui pénètre dans l'appareil doit traverser. une certaine partie du faisceau de tubes avant d'atteindre l'orifice de sortie des gaz, ce qui réduit d'autant l'écoulement de la vapeur par "by-pass" directement vers l'orifice de sortie. 



  L'évacuation du gaz d'échappement peut être contrôlée par un thermomètre comme indiqué ou encore par un dispositif de   contrô-   le étudié pour réagir directement au degré   hydroscopique   des vapeurs ou d'une autre manière convenable, afin de réduire au minimum les pertes de vapeur par la canalisation d'écoulement. 



   Il doit être entendu que la description qui précède est simplement illustrative d'une possibilité de réalisation de l'invention et que diverses variantes sont possibles sans sortir de sa portée. C'est ainsi par exemple que les tubes logés à l'intérieur de l'échangeur de chaleur peuvent être disposés de manière à former un certain nombre de faisceaux individuels au lieu d'un faisceau unique et que ces faisceaux individuels peuvent être séparés l'un de l'autre par une chicane ou une paroi ou tout simplement par un conduit ouvert. 



  Il est désirable en pareil cas de prévoir des orifices de sortie du gaz près des axes longitudinaux des faisceaux sépa- rés qui sont logés à l'intérieur de l'échangeur. D'autres variantes comprises dans la portée de l'invention seront évi- dentes pour les techniciens au courant de ce genre d'appareil,

Claims (1)

1. REVENDICATIONS ------------------------ 1. Mode de fonctionnement d'un appareil échangeur de chaleur du type comportant un faisceau de tubes logé dans une enveloppe consistant à introduire un fluide chauffant sous forme de vapeur condensable contenant une faible proportion du gaz incondensable dans l'enveloppe dans laquelle sont logés les tubes, à évacuer le condensat de l'enveloppe, caractérisé en ce qu'il comprend la phase d'évacuation du gaz incondensa- ble à un endroit situé près de l'axe longitudinal du faisceau de tubes dans l'enveloppe, les endroits d'évacuation du gaz incondensable étant espacés longitudinalement des endroits d'admission de la vapeur.

   2. Mode de fonctionnement d'un appareil échangeur de chaleur suivant la revendication 1, comprenant la phase d'ad- mission du fluide chauffant à une extrémité de l'enveloppe et d'évacuation du gaz incondensable à l'autre extrémité de l'enveloppe.

   3. Mode de fonctionnement d'un appareil échangeur de chaleur, suivant les revendications 1 et 2, comprenant la phase d'évacuation du condensat à un endroit situé près de la périphérie de l'enveloppe opposé à l'extrémité de l'enveloppe par laquelle le fluide chauffant est admis, l'évacuation du gaz incondensable ayant lieu à un endroit situé près de l'axe longitudinal du faisceau de tubes éloigné de la périphérie de l'enveloppe et aussi éloigné de l'endroit par lequel le fluide chauffant est admis dans l'enveloppe.

   4. Appareil échangeur de chaleur exécutant le procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un faisceau de tubes est logé dans l'enveloppe, les .extrémités des tubes étant montées dans une paire de flasques porte-tubes espacés, un papier condensable contenant une petite quantité de gaz incondensable étant introduit dans l'enveloppe, et le conden- <Desc/Clms Page number 11> sat étant évacué de l'enveloppe comprenant des dispositifs permettant d'évacuer le gaz incondensable de l'enveloppe, à l'aide d'un tuyau d'évacuation situé près de l'axe longi- tudinal du faisceau de tubes 5.

   Appareil échangeur de chaleur suivant la revendica- tion 4, caractérisé en ce que le tuyau pour le dispositif EMI11.1 d'évacuation du gaziacondensable est situé à'un endroit es- pacé longitudinalement de l'endroit par lequel le fluide chauffant est introduit dans l'enveloppe.

   -6. Appareil échangeur de chaleur suivant la revendica- tion 4, comprenant un dispositif de contrôle pour régler la vitesse d'évacuation du gaz incondensable.

   7. Appareil échangeur de chaleur .suivant les revendi- cations 4 et 6, comprenant, faisant partie du dispositif de contrôle pour régler l'évacuation du gaz incondensable, un dispositif qui règle automatiquement la vitesse d'évacua- tion du gaz incondensable en fonction de la proportion de gaz incondensable dans le fluide chauffant à un endroit près du tuyau d'admission du gaz incondensable.

   8. Appareil échangeur de, chaleur suivant les revendi- cations 6 et 7, comprenant un dispositif qui règle la vi- tesse d'évacuation de gaz incondensable en fonction de la température du gaz incondensable près du tuyau d'admission du gaz incondensable.

   9. Appareil échangeur de chaleur suivant la revendi- cation 4, comprenant, faisant partie du dispositif d'éva- cuation du gaz incondensable, un tube logé centralement dans le faisceau de tubes et situé entre les-flasques porte-tubes espacés, le tube étant fermé µ une extrémité et émergeant de l'appareil à l'autre extrémité, et il est muni d'un orifice d'admission de gaz incondensable à un endroit espacé longitudinalement de l'endroit par lequel le fluide chauffant est admis dans l'appareil. <Desc/Clms Page number 12>

   ,la. Appareil échangeur de chaleur suivant la revendi- cation 9, caractérisé en ce que l'extrémité du tube d'évacua- tion du gaz incondensable près de l'endroit d'admission du fluide chauffant est fermée, tandis que l'autre extrémité du tube à l'intérieur de l'enveloppe présente un orifice pour le gaz incondensable par lequel le gaz incondensable peut être évacué.

   11. Mode de fonctionnement d'un appareil échangeur de chaleur, comme décrit en substance, et dans le but expliqué.

   12. Appareil échangeur de chaleur, en substance comme décrit et représenté, et devant servir au but expliqué, Bruxelles, le 10 novembre 1947 P.Pon. : sté dite : GENERAL AMERICAN TRANSPORTATION CORPORATION. EMI12.1

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