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ECHANGEUR THERMIQUE.
L'invention concerne un échangeur de chaleur ou thermique convenant à la transmission thermique dans les deux sens (chauffage et refroidissement) entre deux fluides identiques ou différents, même des fluides dont l'état se modifie pendant l'échange thermique: L'échangeur thermique selon l'invention permet de réaliser des charges particu- lièrement élevées sur les surfaces d'échange thermique, par exemple (dans les générateurs de vapeur) pour tirer avan- tage d'une charge élevée sur la chambre de combustion, et permet d'obtenir de très faibles différenves de température entre les fluides en relation d'échange thermique, tout en
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étant d'un encombrement et d'un poids minimum, l'inertie thermique étant réduite à l'extrême, tandis que les pertes de pression des fluides en mouvement sont très faibles;
Il est vrai que, dans les échangeurs connus à ce jour, on a réussi à améliorer progressivement la transmission thermique par l'extension des surfaces de séparation des fluides (par exemple en remplaçant la chaudière à grand volume d'eau par une chaudière tubulaire) et par l'accrois- sement des mouvements internes et du brassage des fluides - en relation d'échange thermique;
toutefois, tous les échan- geurs connus, même les plus modernes, sont caractérisés en ce qu'une faible partie seulement du fluide à chauffer ou à refroidir est en relation directe d'échange thermique avec les parois assurant la transmission thermique, tandis que le gros du fluide ne participe à l'échange qu'indiréc- tement et graduellement, à savoir, par transmission ther- mique dans le fluide même, ce qui limite déjà notablement la valeur totale de la transmission thermique. A cela s'a- joute la formation d'une pellicule-limite calorifuge du fluide sur les parois assurant l'échange thermique (parois de séparation).
En méconnaissant les principes de laphysi- que moléculaire qui sont à la base de la transmission ther- mique, on croyait pouvoir augmenter de plus en plus la va- leur de cette transmission en augmentant les surfaces de séparation et les vitesses d'écoulement, ainsi que la pres- sion des fluides en mouvement ; ces efforts abou- tissent à une limite impossible à dépasser, atteinte actuel- lement enpratique, étant donné leurs résultats fort déce- vants et de plus en plus minimes, ainsi qu'en raison des pertes de pression rapidement croissantes avec la vitesse d'écoulement.
Par contre, l'invention part d'un principe tout dif- férent, dont l'exactitude a été confirmée pleinement tant
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par des calculs mathématiques que par les résultats d'es- sais étendus. Comme il ressort de la loi de Maxwell, sur la distribution de vitesses moléculaires (courbe intégrale connue en forme de cloche, de la fonction des probabilités), la partie perpendiculaire aux parois de séparation, des chocs exercés contre ces parois par les molécules ou atomes du fluide et dus aux mouvements moléculaires thermiques, détermine une portion telles dominante de la transmission thermique totale qu'elle peut servir pratiquement comme l'unique mesure de la valeur de celle-ci.
Par conséquent, une hausse notable, notamment par bords, du coefficient de transmission thermique ne peut être obtenueque si, d'u- ne part, une proportion maximum des molécules de chaque plan de section transversal du trajet du fluide considère participe directement a ces chocs perpendiculaires (sup- pression au possible de la conduction thermique interne et de la convection, qui freinent et retardent la trans- mission entre fluides) et, d'autre part, on favorise la partie perpendiculaire aux parois précitées de ces chocs:
Le premier de ces deux buts est atteint selon l'invention par le fait que l'ordre de grandeur de l'écartement des parois de séparation qui limitent les sections transver - sales d'écoulement se rapproche autant que possible de l'ordre de grandeur du trajet libre des molécules, la seule limite étant imposée ici par des considérations tech- nologiques, tandis que le second objectif est réalisé par le fait que les surfaces de séparation présentent des chan- gements de direction brusques au possible , c'est à dire qui se situent également dans la gamme d'ordres de gran- deur moléculaires.
Cette dernière disposition détermine une distribution notablement uniforme des chocs perpendi- culaires entre la plupart ou la totalité de toutes les directions de l'espace, de sorte que la probabilité qu'une
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molécule du fluide provoque dans n'importe quelle direction de son mouvement thermique, un choc perpendiculaire à une paroi, tend vers un maximum.
Ce changement de direction en tout sens, que les parois de séparation doivent présenter à un degré maximum, est obtenu selon l'invention par les dis- positions ci-après, que l'on combineie utilement entre elles:
Courbure accentuée au possible des surfaces de séparation. au moins dans un plan (par l'emploi de tubes à section (lu- mière) réduite au minimum, ce qui.permet en outre d'atteindre le premier des objectifs précitée utilisation, pour cette courbure, de tous les plans de l'espace, en entrelaçant ces tubes ou en y prévoyant dans les surfaces de séparation des ondulations serrées au possible ;
finalement, transposition du changement de direction dans le domaine des ordres de grandeurs moléculaires grâce à une rugosité appropriée des parois. Ces dispositions peuvent être secondées dans le sens dynamique par un mouvement relatif aussi rapide que possible des parois par rapport à un au moins des fluides en relation d'échange thermique, ce qui assure en outre une moindre résistance à l'écoulement, avec dégagement et éva- cuation automatique de particules ou groupes moléculaires éventuels qui rétrécissent ou obstruent les sections d'é- coulement.
Contrairement aux échangeurs connus à ce jour, toutes les mesures selon l'invention ne recherchent pas une amélioration de la transmission thermique par un bras- sage accru des fluides, dont une accélération au possible de la succession des chocs moléculaires qui opèrent gra- duellement la transmission'thermique, mais visent et réa- lisent, par une utilisation maximum de l'espace occupé par le fluide, en ce qui concerne l'écartement et la multipli- cité des directions des surfaces de séparation, une parti-
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cipation simultanée au possible de toutes les molécules aux chocs perpendiculaires contre les parois, c'est-à-dire la transmission directe de la chaleur.
Comme ceci a pour effet d'éliminer pratiquement la conduction intérieure et la con- vection d'une part, et d'empêcher la formation d'une pellicu- le thermiquement isolante sur les parois (une telle pellicu- le est caractérisée par un déplacement moléculaire thermique du fluide suivant une directionprincipalement parallèle aux parois) grâce aux changements de direction brusques de ces parois, d'autre part, la transmission thermique s'effectue ici, comparativement aux échangeurs connus, avec une constan- te de temps inférieure de plusieurs ordres de grandeur, donc pratiquement sans inertie. Ceci permet des charges extrême- ment élevées des surfaces de séparation, et donc de faibles différences de température, ainsi que de faibles trajets dans le sens de l'écoulement, pour un intervalle déterminé du chan- gement d'état d'un fluide.
Comme la vitesse de transport (d'écoulement) des fluides en relation d'échange thermique, dans le cas de la présente invention, n'exerce aucune in- fluence sur le coefficient de transmission en raison du ca- ractère pratiquement simultané et direct des chocs moléculai- res, cette vitesse peut être abaissée à volonté, de sorte que les pertes de pression des fluides en question sont très ré- duites malgré les sections d'écoulement de l'ordre capillaire.
Donc, la section de passage (lumière) totale, déterminée par la quantité de fluide à transporter et par la vitesse d'é- coulement de celui-ci est obtenue selon l'invention par la éléments mise en parallèle d'un nombre convenable déchangeurs de cha- leur individuels à lumière réduite selon l'invention. Etant donné que, comme indiqué plus haut, un intervalle détermine du changement d'état thermique du fluide n'exige qu'un court trajet de ce dernier, on peut prévoir au besoin un nombre
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élevé de collecteurs pour équilibrer la pression et la tempé- rature des courants de fluide parallèles.
En outre, la réduction des lumières individuelles des éléments échangeurs ainsi qu'une courbure accentuée de leurs parois ou un entrelaage de ces corps, permettent d'utiliser des parois très minces même pour.les pressions les plus éle- vées, voire d'aller jusqu'au minimum imposé par les considé- rations technologiques, sans pour cela diminuer la résistan- ce mécanique ou la rigidité de ces parois. Outre une amélio- ration de l'échange thermique, il en résulte, dans l'échan- geur selon l'invention, une réduction extrême de matière, d'encombrement et de poids.
En outre, et selon l'invention, on tient compte, en combinaison avec les mesures exposées de la grande part que prend le rayonnement à la transmission de chaleur lorsque les différences de température sont élevées, principalement dans les générateurs de vapeur, ce rayonnement étant favorisé, se- lon l'invention, par des mesures spéciales, ce qui élargit la gamme des différences de température qui entreen ligne de compte.
Finalement, dans les échangeurs thermiques selon l'in- vention qui fonctionnent avec des températures et des différen- ces de température plus élevées des fluides en présence, on prévoit l'emploi simultané de l'écoulement à équi-courant et à contre-courant dans un seul échangeur thermique, conjoin- tement avec les nouvelles mesures précitées, afin d'amélio- rer encore au possible la transmission thermique, tout en limitant les contraintes thermiques agissant sur les matières employées:
Dans les dessins annexés :
La figure 1 représente schématiquement et en coupe partielle un mode d'exécution de l'échangeur thermique Se-
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lon l'invention, sous la forme d'un générateur de vapeur.
Les figures 2 à 14 sont des exemples d'exécution d'échangeurs thermiques dont les éléments constitutifs sont formés par des tubes ou nappes tubulaires croisés ou super- posés dans l'espace qui, s'arcboutant mutuellement ou reliés entre-eux, forment une sorte d'entrelacement tubulaire auto- portant, les figures 3 à 4 montrant également la disposition des collecteurs pour le fluide traversant les systèmes tubu- laires.
La figure 15 montre schématiquement un système d'écou- lement des fluides en présence selon l'invention, avec alter- nance d'équi-courant et de contre-courant.
Dans le générateur de vapeur selon la figure 1, les brûleurs 1 sont prévus dans un porte-brûleurs 2 monte sur une chaudière dont les vaporisateurs sont constitués par trois faisceaux tubulaires 3, 4, 5 spiralés en forme de cylindres: Le porte-brûleurs comporte les canaux d'arrivée 6 pour l'air préchauffé à 500 environ, qui est amené au porte-brûleurs le long du manteau du faisceau extérieur 5 depuis le réchauf- feur d'air.
Une partie de cet air est dérivée des tuyaux 6 pour être fournie comme air secondaire aux flammes des brû- leurs: L'air primaire arrive par les tuyaux 6 du porte-brû- leurs aux brûleurs individuels non représentés dans les dessins et répartis sur les sections annulaires entre les faisceaux 3, 4 et 5 et la section intérieure du faisceau 3, pour réali- ser une charge uniforme de l'espace de combustion. Les brû- leurs individuels sont reliés par des tuyaux 7 à un vaporisa- teur ou gazéificateur 8 pouvant être chauffés électriquement par exemple:
Le combustible (carburant) est envoyé au porte- brûleurs par une pompe, des tuyaux séparés étant prévus pour les différents brûleurs afin d'obtenir une alimentation uni-
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forme . Le débouché de chaque brûleur est muni d'un corps incandescent chauffé électriquement qui opère l'allumage lors de la mise ne marche et empêche ensuite une rupture ou une extinction éventuelle de la flamme. Les faisceaux 3, 4 et 5 enroulés en forme de vis à filets multiples,se terminent par les tuyaux de sortie de vapeur 9 qui émergent du porte- brûleurs sur lequel ils sont uniformément répartis, pour être ensuite réunis (non représenté).
Suivant une autre dis- position, les tuyaux de vapeur 9 sont disposés dans l'inté- rieur du générateur, dont ils émergent en un endroit autre que le porte-brûleur, ce qui procure l'avantage de pouvoir établir le porte-brûleurs comme élément distinct pouvant être aisément enlevé de la chaudière ou remplacé:
Les faisceaux 3,4, et 5 formant les vaporisateurs et constitués, sous la forme de vis à filets multiples, @ par des tuyaux branchés en parallèle et présentant les lumières capillaires et les parois minces selon l'invention, sont en- roulés à spires serrées dans la partie du générateur tournée vers le porte-brûleurs, partie dans laquelle le rayonnement détermine la majeure partie de la transmission de chaleur vu la température élevée des flammes ou des gaz, tandis que, dans la partie adjacente du générateur, dans laquelle la part de la convection dans la transmission thermique augmente progres- sivement, ces spires sont séparées par des intervalles pour offrir une surface de contact maximum aux gaz chauds.
Dans la dernière partie du générateur qui sert principalement au réchauffage de l'air, les différents tubes sont rassemblés au centre et se dirigent vers les pompes d'alimentation sous la forme d'un faisceau tubulaire 10. Pour favoriser le rayonnement et donc la transmission thermique, on prévoit dans la première partie de la chaudière, à l'intérieur et entre les vaporisa- teurs 3, 4 et 5, des corps de rayonnement co-axiaux 11, 12 et
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13 ayant la ib rme de cylindres creux et constitués Utile- ment en une matière réfractaire à haut pouvoir émetteur,par exemple la stéatite, ces corps présentent des parois mimes, éventuellement poreuses ou à perforations multiples, afin de réaliser un temps de chauffe réduit, ainsi qu'un encombre- ment et un poids peu importants.
La seconde partie du géné'- rateur comporte également des corps de rayonnement 14,15, 16 creux présentant par exemple la forme de cylindres/fermés à parois simple ou double, rétrécis à une extrémité, de telle Sor- te qu'ils dévient les gaz chauds vers le vaporisateur, fa- voris ant ainsi le passage de ces gaz entre les tubes des va- porisateurs enroulés à spires écartées dans cette partie de la chaudière. Ainsi, le rayonnement reste efficace même aux faibles températures des gaz chauds, tandis que la convec- tion se trouve favorisée à ces températures. L'action des corps de rayonnement peut être complétée ou remplacée par celle de matières gazeuses ou pulvérulentes, à haut pouvoir de rayonnement, mélangées aux gaz chauds.
Le générateur de vapeur proprement dit se prolonge par un réchauffeur d'air que les gaz chauds traversent dans les tubes 17, tandis que l'air circule entre ces tubes: Dans la disposition représentée ici, l'air fourni par un compresseur est introduit par un tube 18 entourant le fais- ceau 10, s'échappe des ouvertures 19 dé ce tube pour baigner les tubes 17 à gaz chaud, parvient ainsi radialement vers l'extérieur et se dirige ensuitesuivanture direction axiale vers le porte-brûleurs 2 en passant entre les vaporisateurs 5 et une enveloppe en tôle 20 entourant ce dernier. Grâce à cette disposition, les pertes de cnaleur vers l'extérieur subies par le générateur de vapeur sont réduites à un mini- mum.
En outre, ce système d'écoulement d'air, joint à la construction du vaporisateur 5 dans la zone des températures
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maximum sous la forme d'un faisceau tubulaire à spires ser- rées, permet de supprimer toute maçonnerie réfractaire dans le générateur de vapeur selon l'invention.
Afin de réaliser (outre une vitesse partout unifor- me des flammes et une charge uniforme de. lchambre de com- bustion, obtenues grâce à l'alimentation et la répartition convenables des brûleurs) une charge uniforme des surfaces de chauffe d'une part, et un état uniforme de la vapeur dans les tubes branchés en parallèle de tous les vaporisateurs d'autre part, l'invention prévoit que les diamètres, de mê- me que les nombres de filets des vaporisateurs concentri- ques et chauffées des deux côtés, c'est à dire intérieur et extérieur, seront dans un rapport (valable pour n'importe quel nombre de tels vaporisateurs) de 1 : 2 : 3 : 4 : 5, etc.., ce qui peut être trouvé par le calcul.
Dans les va- porisateurs chauffés d'un seul côté (vaporisateurs, dans la figure 1) le nombre de filets, et donc celui des tubes de vapeur branchés en parallèle, doit être réduit à la moi- tié de la valeur, qui, dans le cas considéré,correspond à la proportion ci-dessus:
Selon l'invention, l'espace intérieur du vaporisa- teur intérieur extrême (3 dans la fig.l) peut, au lieu d'être chauffé par des gaz brûlés:à l'aide de brûleurs y associés, comme montré au dessin, peut contenir, du moins partiellement, le (ou un) moteur à vapeur alimenté par le générateur de vapeur, notamment une turbine à vapeur: On obtient ainsi une construction compacte.
De plus, on élimine toute perte de chaleur par rayonnement ou convec- tion, du moteur à vapeur.
Selon l'exemple de la figure 2, les différents éléments échangeurs thermiques sont constitués par des serpentins 21 dont les spires circulaires sont disposées
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en hélice le long de l'axe. Le fluide appelé à traverser les serpentins entre par le raccord 22 à l'extrémité supé- rieure da serpentin et sort par le raccord 23 à l'extrémité inférieure. Les serpentins 21 sont disposés de façon que les spires s'entrepénètrent, en laissant entre les spires des surfaces aux dimensions aussi uniformes que possible: Ainsi, la section libre entre les spires des serpentins juxtaposes est subdivisée en sections partielles, ce qui assure un écou- lement uniformisé du fluide passant entre les serpentins.
Les serpentins 21 assemblés en un seul groupe se suppor- tent mutuellement à leurs points d'intersection avec les ser- pentins voisins et peuvent être réunis entre eux en ces points par soudure ou analogue, de sorte que le groupe assemblé for- me,un tout auto-portant. ne
La figure 2/montre qu'un groupe de serpentins emboîtés les uns dans les autres.
Cependant, deux ou plusieurs de ces groupes peuvent être réunis en un élément échangeur de chaleur complet; dans ce cas, il y a non seulement emboîtement des ser- pentins de chaque groupe, mais aussi intersection des serpen- tins du groupe intérieur avec ceux du groupe qui l'entoure; Afin d'augmenter au possible le nombre des tubes, l'arrivée du fluide devant traverser les tronçons tubulaires peut être prévu aussi bien de l'extérieur que de l'intérieur, éventuel- lement aussi dans des positions intermédiaires.
L'exemple selon la figure 2 montre une disposition cy- lindrique des tubes; cependant, cette disposition peut être aussi .'différente par exemple elliptique, parabolique ou ana- logue, ou rectiligne, ou rectiligne avec une courbure voulue.
Dans chaque cas il y a lieu de veiller à ce qu'on obtienne, perpendiculairement au sens d'écoulement du fluide passant entre les tubes, des intervalles tels que le courant du fluide
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sera réparti aussi uniformément que possible sur l'ensemble de sa section d'écoulement.
La disposition selon la figure 3 prévoit des chambres annulaires 24 et 25 reliées par des tubes 26 à lumière mini- mum. Un échangeur thermique de ce type consiste de préféren- ce en un nombre de chambres 24, 25 en série, les tubes de liaison 26 étant formés et exécutés de telle manière que les sections libres laissées pour le passage du fluide entre ces tubes présentent des superficies uniformes au possible, uni- formisant ainsi l'écoulement,du fluide. Le fluide peut être introduit dans les éléments échangeurs soit par admission sé- parée pour chaque élément annulaire, soit par admission com- mune à plusieurs chambres. Ici également, les tubes reliant les chambres annulaires peuvent présenter toutes formes et dispositions voulues.
Lorsqu'il s'agit de grandes dimensions, on peut prévoir, au lieu de deux chambres annulaires selon la figure 3, un plus grand nombre de telles chambres, lesquelles seront alors concentriques et reliées entre elles par des tubes analogues aux tubes intenédiaires 26.
La disposition et l'exécution des tubes à lumière mi- nimum selon l'invention peut également consister à entourer l'ensemble du système tubulaire d'une enveloppe formée de tu- bes enroulés en serpentins à spires serrées, la disposition pouvant être telle qu'un système tubulaire-à spires entre- croisées vient se juxtaposer à un tronçon relativement Court d'un tel serpentin.
En outre, les diverses combinaisons de système tubulaire selon l'invention peuvent être appliquées conjointement avec des tubes servant à amener ou à évacuer le fluide et po- sé suivant l'axe longitudinal de l'échangeur, renforçant ain- si le système tubulaire auquel ils servent de tubes de support:
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Le développement plus poussé des échangeurs thermiques selon l'invention, formés par des tubes capillaires entrela- césaboutit aux réalisations selon les figures 4 à 14, où les éléments entrecroisés ou entrelacés consistent non plus en tubes individuels mais en nappes tubulaires, afin de réa- liser un nombre maximum de tubes en parallèle avec le mini- mum d'encombrement, comme cela est nécessaire par exemple dans les générateurs de vapeur à grande puissance. Ici, tout comme dans les variantes selon les figures 2 et 3 on a tenu compte de la nécessité d'un degré d'alimentation uniforme de longueurs égales de tubes ou systèmes tubulaires branchés en parallèle, grâce à une construction et disposition symétriques de toutes les branches parallèles.
En outre, les variantes selon les figures 4 à 14 sont caractérisées en ce que les tubes ou systèmes tubulaires branchés en parallèle et faisant partie du trajet d'écoulement d'ensemble du fluide, débouchent dans le nombre requis de collecteurs traversés successivement par le fluide, afin de réaliser un équilibrage fréquent de la pression et de la température des courants partiels indi- viduels du fluide, effet particulièrement avantageux dans les générateurs de vapeur:
La figure 4 est une coupe d'un échangeur thermique, montrant un exemple d'une disposition par nappes tubulaires selon l'invention.
Dans cette disposition, les tubes sont juxtaposés à faibles intervalles par cinq en formant des nappes 27, de tel- le sorte que la nappe présente trois côtés formant essentiel- lement un triangle équilatéral: Les extrémités des tubes for- mant une telle nappe sont raccordées à des chambres 28 pré- vues dans une enveloppe circulaire 29 entourant les nappes 27. Lorsque les différentes nappes 27 sont disposées selon la figure 4, on obtient un entrelacement tubulaire dans le-
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quel les extrémités des tubes aboutissent dans des collec- teurs successifs 28, de sorte qu'on obtient un système de col- lecteurs relies par les nappes tubulaires, système formant le trajet continu du fluide à chauffer ou à refroidir.
L'espace situé au milieu de l'entrelacement tubulaire formé par les nappes peut servir, dans le cas de générateurs de vapeur, à abriter une turbine à vapeur alimentée par la vapeur fournie par ce générateur:
Selon l'invention, les anneaux 29 formant les collec- teurs 28 peuvent être construitsde diverses manières.
La fi- . gure 5 montre un exemple d'exécution en coupe: Dans cette variante, l'enveloppe servant comme collecteur annulaire con- siste en deux anneaux 30, 31 à sections rectangulaires, as- semblés avec l'enveloppe annulaire 33 à l'aide de boulons de dilatation 32, avec interposition de joints 34, 35 et 36: Un évidement lenticulaire 37 prévu dans l'enveloppe 33 et qui est soumis,à une pression intérieure dans les générateurs de vapeur par exemple, agit de façon àpresser les bords latéraux de l'enveloppe 33 dans des dégagements des anneaux 30, 31 et contre les joints 34, 35 prévus dans ces évidements.
Les ex- trémités des tubes 38 formant les nappes sont introduites dans les anneaux 30, 31 où elles sont brasées, et débouchent ainsi dans les collecteurs 39 formés par les anneaux 30, 31 et l'en- veloppe annulaire 33. Le collecteur annulaire 30, 31, 39 est séparé du système tubulaite entrelacé par une chemise 40 et, de l'extérieur, par les chemises 41, 42,l'air contenu dans l'intervalle entre ces chemises constituant un bon calorifu- ge.
Les figures 6 et 7 montrent un anneau collecteur ana- logue, la figure 6 étant une coupe suivant C-D de la figure 7, laquelle est une coupe suivant A-B de la figure 6: Dans
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cette variante, les collecteurs 43 sont formés 1 par deux an- neaux 44,45 pourvus d'évidements assemblés à serrage par des boulons 46, anneaux dans lesquels pénètrent les extrémités des tubes 47, pour y être brasées: Entre les anneaux 44, 45 est interposé un joint annulaire fermé 48 qui assure l'étan- chéité du collecteur 33.
La figure 8 montre une autre variante des collecteurs annulaires et l' assemblage des différents anneaux et leur raccordement aux deux parties extrêmes de l'enveloppe annu- laire par lesquelles se fait l'arrivée et l'évacuation du fluide. Selon la variante de la figure 8, on prévoit deux piè- ces annulaires extrêmes 49, 50 entre lesquelles se situent les collecteurs annulaires 52 raccordés au tube 51 du système tubulaire entrelacé, les pièces 49,50 étant assemblées par des boulons 53 qui traversent ces collecteurs. Les pièces 49, 50 présentent respectivement des canaux annulaires 54, 55, dont le premier sert à l'admission du fluide, par exemple de l'eau à vaporiser, tandis que le second sert à collecteur et à évacuer le fluide, par exemple la vapeur développée'.
Les col- lecteurs annulaires situés entre les pièces 49,50 sont cons- titués par des anneaux 52 munis d'évidements etjuxtaposés avec interposition de joints annulaires 56. Les évidements des parois latérales des anneaux 52 forment des chambres 57 où aboutissent les extrémités des tubes 51. Les chambres 57 sont reliées par les tubes 51 de telle façon qu'on obtient une canalisation comprenant l'ensemble du système tubulaire entrelacé et dont les derniers collecteurs sont reliés par les canaux 58 ou 59 aux canaux annulaires 54 ou 55.
Selon les figures 9 à 11, les anneaux contenant les chambres 57 et entourant le système tubulaire entrelacé peu- vent être remplacés par des barres creuses 60 juxtaposées avec interposition de joints 61 et réunies par des tirants 6S
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Pour absorber les efforts de flexion aux points de rencontre, on peut intercaler des pièces intermédiaires 63 à section en T (ligure11). Une telle construction des éléments de l'é- changeur thermique tient particulièrement compte d'une divi- sion poussée en sdction et donc de l'interchangeabilité de ces éléments.
L'emploi de tubes entrelacés selon l'invention per- met en outre la disposition à deux chambres opposées, fermant un système continu et reliées par des tubes. Cette construc- tion offre la possibilité d'occuper entièrement un plan par des tubes et d'utiliser ainsi complètement la surface par- courue, sans avoir à occuper plusieurs pians par des croise- ments que l'entrelacement rend nécessaires. Ceci réduit no- tablement la hauteur ou la longueur d'un tel échangeur de chaleur, par exemple élément de chaudière. Cette construc- tion n'est cependant avantageuse que dans les parallélogrammes équilatéraux, lorsqu'on doit satisfaire à la condition qui stipule que les tronçons tubulaires exposés à un degréd'é- chauffement déterminé, doivent présenter des longueurs iden- tiques.
La figure 12 montre une telle construction sous la forme d'un carré qui, dans les petites unités, sera employé seul et, dans les grandes unités, sous la forme d'un carré quadruple (étoile), comme montré dans cette figure. La dis- position des tubes 64 et le sens d'écoulement du fluide sont montrés schématiquement dans la figure 12. Les tubes 64 dé- bouchent dans les collecteurs 65 forant'les côtés du carré et communiquant avec une chambre centrale 66 ainsi que des cambres latérales 67 pour l'admission et l'évacuation.
A titre de variante, la figure 13 montre l'assemblage de parallélogrammes équilatéraux obliques en un hexagone, pour se rapprocher de la disposition circulaire de l'instal-
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lation. Des collecteurs et des points d'admission et d'éva- cuation sont prévus tout comme dans la disposition en carré selon la figure 12.
La figure 14 montre une construction composée d'un grand nombre de parallélogrammes obliques, ce qui détermine un "anneau" hexagonal qui, dans les générateurs de vapeur, peut servir à contenir le moteur à vapeur.
Pour combiner, dans les échangeurs thermiques selon l'invention, notamment des générateurs de vapeur, une transmis- sion thermique maximum avec le plus grana ménagement possible des éléments échangeurs en ce qui concerne les contraintes ther- miques, il est éventuellement utile que les fluides en relation d'échange thermique parcourent les surfaces de séparation par- tie à équi-courant et partie à contre-courant,. Bans le cas de générateurs à vapeur, on obtient ainsi l'avantage que, dans la partie travaillant à équi-courant, dans laquelle afflue les gaz chauds, une proportion relativement importante de la quan- tité de chaleur des gaz-chauds est dépensée pour le préchauf- fage et la vaporisation de l'eau amenée.
On obtient ainsi que les différences de température dans les parois de l'élément échangeur (par exemple tubes parcourus par la Vapeur.) , par rapport au fluide à chauffer sont maintenues dans des limites tellement étroites, que l'on peut utiliser, comme matériaux de construction, des matières dites de remplacement, c'est à dire des matériaux qui ne comportant que peu ou point de nickel) de chrome ou analogues, peuvent supporter des températures jus- que 600 C. environ.
Par conséquent, et selon l'invention, la variante ci- après prévoit que, dans un échangeur thermique, servant comme générateur de vapeur, la Partie destinée aU préchauffage et à la vaporisation sera éventuellement alimentée à équi-courant par rapport au sens d'écoulement des gaz chauds, tandis que l'autre
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partie de cet échangeur, située vers le point de sortie des gaz chauds, et où s'effectue la surchauffe de la vapeur, travaillera à contre-courant à raison de la température sensiblement réduite de la chambre de combustion. En outre, suivant le type de l'é- changeur -et les rapports de température qu'il détermine, on peut prévoir plusieurs alternances de parties à équi-courant et à con- tre-courant, avec prédominance de groupes à équi-courant ou à contre-courant, selon les nécessités.
La figure 15 montre schématiquement l'application de ce principé à un générateur de vapeur selon l'invention, où la va- peur traverse un système de serpentins à lumière et épaisseur de paroi minimum:
Dans l'exemple selon la figure 15, la partie du généra- teur de vapeur parcourue par la vapeur est:constituée par deux groupes de serpentins 68 et 69. Les serpentins 68 relient deux chambres annulaires 70 et 71 ; on peut prévoir un nombre élevé, 10 par exemple, de tubes hélicoidaux 68. L'eau à vaporiser ar- rive dans la chambre 70 par le tube-72, tandis que la vapeur arrive dans la seconde partie du générateur de vapeur par le tube 73. Cette dernière partie est constituée à son tour par des cham- bres annulaires 74, 75, 76 reliées, la première avec la seconde et la seconde avec la troisième, par un système tubulaire héli- coidal 69.
Ici également, on peut employer un grand nombre de serpentins, par exemple vingt serpentins entre les chambres 74 et 75 et trente serpentins entre les chambres 75, 76. Le tube 73 amène la vapeur à la dernière chambre 74, d'où cette Vapeur parvient dans la chambre 76 à travers les serpentins 79 et la chambre intermédiaire 70, en s'écoulant à contre-courant des gaz chauds qui traversent les générateurs de vapeur dans la di- rection indiquée par la flèche, la vapeur se dirigeant de la cham- bre 76 vers l'endroit d'utilisation en passant par le tube 77.
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Etant donné que, comme indiqué par les flèches, les gaz chauds arrivent dans le générateur de vapeur en rencontrent d'abord la chambre annulaire 70 que traverse d'autre part l'eau à vaporiser, le premier groupe de serpentins, prévu entre les chanbres 70 et 71, travaille à équi-courant par rapport au sens d'écoulement des gaz. Cette partie sert, dans l'exemple repré- senté, à produire de la vapeur jusqu'à la limite de la vapeur saturée. La vapeur saturée amenée dans la chambre 74 par le tube 73 est déjà surchauffée sur son trajet à travers les serpentins 69 jusqu' à la chambre 76 communiquant avec le tube de prise de vapeur 77, trajet accompli à contre-courant par rapport à l'é- coulement des gaz:chauds dont la température se trouve déjà sensiblement réduite.
La prévision d'une ou de plusieurs cham- bres intermédiaires 75 vise principalement à éviter un écoule- ment non uniforme. De telles chambres intermédiaires peuvent au besoin être prévues aussi dans la partie à équi-courant:
Dans ,la partie à contre-courant, on peut obtenir, grâce à des surfaces largement calculées pour l'échange thermique) par exemple, grâce à une élévation convenable du nombre et/ou du diamètre des serpentins 69, une transmission thermique plus élevée et, par conséquent, une utilisation particulièrement économique de la chaleur que possèdent encore les gaz chauds après avoir coupé la partie à équi-courant ;
d'autre part, et vu -La caisse sensible de la température de la encore de com- bustion survenue déjà dans la partie à équi-courant, on peut utiliser des matériaux de substitution même dans les générateurs de vapeur à grande puissance. Enprincipe, le nombre ou le dia- mètre des tubes doit être plus élevé dans la partie de l'échan- geur thermique travaillant à contre-courant, que dans sa partie à équi-courant. On obtient ainsi, dans toutes les parties de l'échangeur, des vitesses d'écoulement qui, eu égard à la trans- mission thermique dans les différentes zones de température, déterminent des températures de parois réduites au possible.
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Dans toutes les variantes et applications des échangeurs thermiques selon l'invention, il peut être utile d'élever la trans- mission thermique tout en réduisant la résistance à l'écoulement, cela grâce à des mouvements relatifs des surfaces de séparation par rapport à un au moins des fluides en mouvement, de préférence par des vibrations de haute et de très haute fréquence, vibrations orientées au moins partiellement dans le sens transversal à la direction d'écoulement, ce qui détermine en outre un relâchement automatique de particules éventuellement engagées dans les lumiè- res étroites.
De tels mouvements peuvent être obtenus de diverses manières; il est cependant particulièrement avantageux d'utiliser à cet effet le courant d'au moins un des deux fluides: REVENDICATIONS.
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1.- Echangeur thermique, caractérisé par des surfaces d'é- change thermique qui, au moins en ce qui concerne l'un des fluides en relation d'échange thermique, présentent un écartement minimum, avec des changements de direction aussi brusques que possible, d'où une participation aussi uniforme que possible de toutes les molécules de chaque section transversale du flux aux chocs molé- culaires qui déterminent essentiellement la transmission thermique entre la surface d'échange et le fluide, chocs perpendiculaires à la paroi considérée, tout en élevant le nombre et la valeur d'im- pulsion de ces chocs.
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HEAT EXCHANGER.
The invention relates to a heat or heat exchanger suitable for thermal transmission in both directions (heating and cooling) between two identical or different fluids, even fluids whose state changes during heat exchange: The heat exchanger according to the invention makes it possible to achieve particularly high loads on the heat exchange surfaces, for example (in steam generators) to take advantage of a high load on the combustion chamber, and makes it possible to obtain very low temperature differences between fluids in heat exchange relationship, while
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being of minimum size and weight, thermal inertia being reduced to the extreme, while the pressure losses of fluids in motion are very low;
It is true that, in the exchangers known to date, it has been possible to progressively improve the thermal transmission by extending the fluid separation surfaces (for example by replacing the boiler with a large volume of water by a tubular boiler) and by the increase in internal movements and mixing of fluids - in a heat exchange relationship;
however, all known heat exchangers, even the most modern, are characterized in that only a small part of the fluid to be heated or cooled is in direct heat exchange relation with the walls ensuring thermal transmission, while the a large part of the fluid only participates in the exchange indiscriminately and gradually, that is, by thermal transmission in the fluid itself, which already considerably limits the total value of the thermal transmission. To this is added the formation of a heat-insulating boundary film of the fluid on the walls ensuring heat exchange (separation walls).
By ignoring the principles of molecular physics which are at the basis of thermal transmission, it was believed to be able to increase more and more the value of this transmission by increasing the areas of separation and the velocities of flow, thus. than the pressure of moving fluids; these forces lead to an impossible limit to be exceeded, which is currently reached in practice, given their very disappointing and increasingly minimal results, as well as due to the rapidly increasing pressure losses with the flow velocity. .
On the other hand, the invention starts from a completely different principle, the accuracy of which has been fully confirmed both
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by mathematical calculations than by the results of extensive tests. As emerges from Maxwell's law, on the distribution of molecular speeds (known integral curve in the shape of a bell, of the function of probabilities), the part perpendicular to the separation walls, of the shocks exerted against these walls by the molecules or atoms of the fluid and due to thermal molecular motions, determines such a dominant portion of the total thermal transmission that it can serve practically as the only measure of the value thereof.
Consequently, a notable increase, in particular by edges, of the thermal transmission coefficient can only be obtained if, on the one hand, a maximum proportion of the molecules of each plane of transverse section of the path of the fluid considered participate directly in these shocks perpendicular (elimination as much as possible of internal thermal conduction and convection, which slow down and delay transmission between fluids) and, on the other hand, the part perpendicular to the aforementioned walls of these shocks is favored:
The first of these two aims is achieved according to the invention by the fact that the order of magnitude of the spacing of the separation walls which limit the transverse flow sections is as close as possible to the order of magnitude of the free path of the molecules, the only limit being imposed here by technological considerations, while the second objective is achieved by the fact that the separation surfaces present sudden changes of direction as much as possible, that is to say which are also in the range of orders of molecular magnitude.
The latter arrangement determines a markedly uniform distribution of perpendicular shocks between most or all of all directions in space, so that the probability that a
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fluid molecule causes in any direction of its thermal movement, a shock perpendicular to a wall, tends to a maximum.
This change of direction in any direction, which the partition walls must exhibit to a maximum degree, is obtained according to the invention by the following arrangements, which are usefully combined with one another:
Curvature accentuated as much as possible of the separation surfaces. at least in one plane (by the use of tubes with a section (light) reduced to the minimum, which also makes it possible to achieve the first of the aforementioned objectives use, for this curvature, of all the planes of the space, by interlacing these tubes or by providing therein in the separation surfaces of the corrugations as tight as possible;
finally, transposition of the change of direction in the domain of orders of molecular magnitude thanks to an appropriate roughness of the walls. These arrangements can be assisted in the dynamic direction by as rapid a relative movement as possible of the walls with respect to at least one of the fluids in a heat exchange relationship, which also ensures less resistance to flow, with clearance and automatic evacuation of any particles or molecular groups which constrict or obstruct the flow sections.
Unlike the exchangers known to date, all the measures according to the invention do not seek an improvement in heat transmission by increased brazing of the fluids, including an acceleration as possible of the succession of molecular shocks which gradually operate the. thermal transmission, but aim and achieve, by a maximum use of the space occupied by the fluid, as regards the spacing and the multiplicity of the directions of the separation surfaces, a parti-
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Simultaneous cipation as much as possible of all molecules at perpendicular impacts against the walls, that is to say the direct transmission of heat.
As this has the effect of practically eliminating internal conduction and convection on the one hand, and preventing the formation of a thermally insulating film on the walls (such a film is characterized by displacement thermal molecular fluid following a direction mainly parallel to the walls) thanks to the sudden changes of direction of these walls, on the other hand, the thermal transmission takes place here, compared to known exchangers, with a time constant lower by several orders of magnitude, therefore practically without inertia. This allows extremely high loadings of the separation surfaces, and therefore small temperature differences, as well as small paths in the direction of flow, for a determined interval of the change of state of a fluid.
As the speed of transport (flow) of fluids in heat exchange relation, in the case of the present invention, exerts no influence on the coefficient of transmission due to the practically simultaneous and direct character of the fluids. molecular shocks, this speed can be lowered at will, so that the pressure losses of the fluids in question are very reduced despite the flow sections of the capillary order.
Therefore, the total passage section (light), determined by the quantity of fluid to be transported and by the flow rate of the latter, is obtained according to the invention by the elements placed in parallel with a suitable number of exchangers. individual heat in reduced light according to the invention. Since, as indicated above, a determined interval of the change of thermal state of the fluid requires only a short path of the latter, a number can be provided if necessary
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high manifold to balance the pressure and temperature of parallel fluid streams.
In addition, the reduction of the individual openings of the exchanger elements as well as an accentuated curvature of their walls or an interweaving of these bodies, make it possible to use very thin walls even for the highest pressures, or even to go up to the minimum imposed by technological considerations, without reducing the mechanical strength or rigidity of these walls. In addition to an improvement in the heat exchange, the result, in the exchanger according to the invention, is an extreme reduction in material, size and weight.
In addition, and according to the invention, account is taken, in combination with the measures set out, of the large part that radiation takes in the heat transmission when the temperature differences are high, mainly in steam generators, this radiation being favored, according to the invention, by special measures, which widens the range of temperature differences which come into play.
Finally, in the heat exchangers according to the invention which operate with higher temperatures and temperature differences of the fluids present, provision is made for the simultaneous use of the equi-current and counter-current flow. in a single heat exchanger, together with the aforementioned new measures, in order to further improve thermal transmission as much as possible, while limiting the thermal stresses acting on the materials used:
In the accompanying drawings:
Figure 1 shows schematically and in partial section an embodiment of the heat exchanger Se-
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lon the invention, in the form of a steam generator.
FIGS. 2 to 14 are exemplary embodiments of heat exchangers the constituent elements of which are formed by tubes or tubular sheets crossed or superimposed in space which, mutually arching or interconnected, form a sort of self-supporting tubular interlacing, FIGS. 3 to 4 also showing the arrangement of the collectors for the fluid passing through the tubular systems.
FIG. 15 schematically shows a system for flowing the fluids present according to the invention, with alternation of equi-current and counter-current.
In the steam generator according to FIG. 1, the burners 1 are provided in a burner holder 2 mounted on a boiler whose vaporizers consist of three tubular bundles 3, 4, 5 spiraled in the form of cylinders: The burner holder comprises the inlet channels 6 for air preheated to approximately 500, which is supplied to the burner holder along the outer bundle mantle 5 from the air heater.
Part of this air is derived from the pipes 6 to be supplied as secondary air to the burner flames: The primary air arrives through the pipes 6 of the burner holder to the individual burners not shown in the drawings and distributed over the annular sections between bundles 3, 4 and 5 and the inner section of bundle 3, to achieve a uniform charge of the combustion space. The individual burners are connected by pipes 7 to a vaporizer or gasifier 8 which can be heated electrically, for example:
The fuel (fuel) is sent to the burner holder by a pump, separate pipes being provided for the different burners in order to obtain a uniform supply.
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shape. The outlet of each burner is provided with an electrically heated incandescent body which operates the ignition when it is switched on and then prevents a rupture or possible extinction of the flame. The bundles 3, 4 and 5 wound in the form of multiple thread screws, terminate in the steam outlet pipes 9 which emerge from the burner holder on which they are uniformly distributed, to be then joined (not shown).
According to another arrangement, the steam pipes 9 are arranged inside the generator, from which they emerge at a location other than the burner holder, which provides the advantage of being able to establish the burner holder as separate element that can be easily removed from the boiler or replaced:
The bundles 3, 4, and 5 forming the vaporizers and constituted, in the form of multiple-threaded screws, by pipes connected in parallel and having the capillary lumens and the thin walls according to the invention, are wound in turns. tightened in the part of the generator facing the burner holder, part in which the radiation determines the major part of the heat transmission due to the high temperature of the flames or gases, while, in the adjacent part of the generator, in which the As the convection in thermal transmission gradually increases, these turns are separated by intervals to provide maximum contact surface for hot gases.
In the last part of the generator, which is used mainly for heating the air, the various tubes are gathered in the center and go to the feed pumps in the form of a tube bundle 10. To promote radiation and therefore transmission thermal, there are provided in the first part of the boiler, inside and between the vaporizers 3, 4 and 5, co-axial radiation bodies 11, 12 and
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13 having the shape of hollow cylinders and usefully made of a refractory material with high emitting power, for example soapstone, these bodies have mime walls, possibly porous or with multiple perforations, in order to achieve a reduced heating time, as well as a small footprint and weight.
The second part of the generator also comprises hollow radiating bodies 14, 15, 16 having for example the shape of closed cylinders / single or double walled, narrowed at one end, such that they deflect them. hot gases towards the vaporizer, thus favoring the passage of these gases between the tubes of the vaporizers wound with spaced turns in this part of the boiler. Thus, the radiation remains effective even at low temperatures of the hot gases, while convection is favored at these temperatures. The action of the radiation bodies can be supplemented or replaced by that of gaseous or pulverulent materials, with high radiant power, mixed with the hot gases.
The steam generator proper is extended by an air heater through which the hot gases pass through the tubes 17, while the air circulates between these tubes: In the arrangement shown here, the air supplied by a compressor is introduced by a tube 18 surrounding the bundle 10, escapes from the openings 19 of this tube to bathe the hot gas tubes 17, thus reaches radially outwards and then runs in the axial direction towards the burner holder 2, passing between the vaporizers 5 and a sheet metal casing 20 surrounding the latter. Thanks to this arrangement, the losses of heat to the outside undergone by the steam generator are reduced to a minimum.
In addition, this air flow system, together with the construction of the vaporizer 5 in the temperature zone
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maximum in the form of a tubular bundle with tight turns, makes it possible to eliminate any refractory masonry in the steam generator according to the invention.
In order to achieve (in addition to an everywhere uniform speed of the flames and a uniform load of the combustion chamber, obtained thanks to the suitable supply and distribution of the burners) a uniform load of the heating surfaces on the one hand, and a uniform state of the vapor in the tubes connected in parallel of all the vaporizers on the other hand, the invention provides that the diameters, as well as the number of threads of the vaporizers which are concentric and heated on both sides, ie interior and exterior, will be in a ratio (valid for any number of such vaporizers) of 1: 2: 3: 4: 5, etc., which can be found by calculation.
In single-sided heated vaporizers (vaporizers, in figure 1) the number of threads, and therefore that of vapor tubes connected in parallel, must be reduced to half of the value, which in the case considered, corresponds to the above proportion:
According to the invention, the interior space of the extreme interior vaporizer (3 in fig.l) can, instead of being heated by flue gases: using associated burners, as shown in the drawing, can contain, at least partially, the (or a) steam engine powered by the steam generator, in particular a steam turbine: A compact construction is thus obtained.
In addition, any heat loss by radiation or convection from the steam engine is eliminated.
According to the example of FIG. 2, the various heat exchanger elements are constituted by coils 21, the circular turns of which are arranged
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helically along the axis. The fluid called upon to pass through the coils enters via connector 22 at the upper end of the coil and exits via connector 23 at the lower end. The coils 21 are arranged so that the turns interpenetrate, leaving between the turns surfaces with dimensions as uniform as possible: Thus, the free section between the turns of the juxtaposed coils is subdivided into partial sections, which ensures a flow. - uniformly uniform fluid passing between the coils.
The coils 21 assembled in a single group support each other at their points of intersection with the neighboring coils and can be joined together at these points by welding or the like, so that the assembled group forms a all self-supporting. born
Figure 2 / shows that a group of coils nested in each other.
However, two or more of these groups can be combined into a complete heat exchange element; in this case, there is not only the interlocking of the coils of each group, but also the intersection of the coils of the inner group with those of the surrounding group; In order to increase the number of tubes as much as possible, the arrival of the fluid which is to pass through the tubular sections can be provided both from the outside and from the inside, possibly also in intermediate positions.
The example according to FIG. 2 shows a cylindrical arrangement of the tubes; however, this arrangement can also be different, for example elliptical, parabolic or the like, or rectilinear, or rectilinear with a desired curvature.
In each case, care must be taken to obtain, perpendicular to the direction of flow of the fluid passing between the tubes, intervals such as the flow of the fluid
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will be distributed as uniformly as possible over its entire flow section.
The arrangement according to Figure 3 provides annular chambers 24 and 25 connected by tubes 26 with minimum lumen. A heat exchanger of this type preferably consists of a number of chambers 24, 25 in series, the connecting tubes 26 being formed and constructed in such a way that the free sections left for the passage of the fluid between these tubes have surface areas. as uniform as possible, thus uniformizing the flow of the fluid. The fluid can be introduced into the exchanger elements either by separate inlet for each annular element, or by common inlet with several chambers. Here too, the tubes connecting the annular chambers can have any desired shape and arrangement.
When it comes to large dimensions, it is possible to provide, instead of two annular chambers according to FIG. 3, a greater number of such chambers, which will then be concentric and connected to each other by tubes similar to the intermediate tubes 26.
The arrangement and the execution of the tubes with minimum light according to the invention can also consist in surrounding the whole of the tubular system with a casing formed of tubes wound in coils with tight turns, the arrangement being able to be such that 'a tubular system with intersecting turns is juxtaposed with a relatively short section of such a coil.
In addition, the various combinations of tubular system according to the invention can be applied in conjunction with tubes serving to supply or evacuate the fluid and positioned along the longitudinal axis of the exchanger, thus reinforcing the tubular system to which they serve as support tubes:
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The further development of the heat exchangers according to the invention, formed by interlaced capillary tubes, leads to the embodiments according to Figures 4 to 14, where the intersecting or interlaced elements no longer consist of individual tubes but of tubular layers, in order to achieve run a maximum number of tubes in parallel with the minimum space requirement, as is necessary for example in high power steam generators. Here, as in the variants according to Figures 2 and 3, account has been taken of the need for a uniform degree of supply of equal lengths of tubes or tubular systems connected in parallel, thanks to a symmetrical construction and arrangement of all parallel branches.
In addition, the variants according to Figures 4 to 14 are characterized in that the tubes or tubular systems connected in parallel and forming part of the overall flow path of the fluid, open into the required number of collectors successively crossed by the fluid , in order to achieve frequent balancing of the pressure and temperature of the individual partial streams of the fluid, a particularly advantageous effect in steam generators:
FIG. 4 is a section of a heat exchanger, showing an example of an arrangement by tubular layers according to the invention.
In this arrangement, the tubes are juxtaposed at small intervals by five forming layers 27, such that the sheet has three sides essentially forming an equilateral triangle: The ends of the tubes forming such a sheet are connected. to chambers 28 provided in a circular envelope 29 surrounding the layers 27. When the various layers 27 are arranged according to FIG. 4, a tubular interlacing is obtained in the-
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which the ends of the tubes end in successive manifolds 28, so that a system of manifolds connected by the tubular layers is obtained, a system forming the continuous path of the fluid to be heated or cooled.
The space located in the middle of the tubular interlacing formed by the layers can be used, in the case of steam generators, to house a steam turbine powered by the steam supplied by this generator:
According to the invention, the rings 29 forming the manifolds 28 can be constructed in various ways.
The fi-. Figure 5 shows an example of execution in section: In this variant, the casing serving as an annular collector consists of two rings 30, 31 with rectangular sections, assembled with the annular casing 33 by means of bolts expansion 32, with interposed joints 34, 35 and 36: A lenticular recess 37 provided in the casing 33 and which is subjected, to an internal pressure in the steam generators for example, acts so as to press the side edges of the 'envelope 33 in the clearances of the rings 30, 31 and against the seals 34, 35 provided in these recesses.
The ends of the tubes 38 forming the layers are introduced into the rings 30, 31 where they are brazed, and thus open into the manifolds 39 formed by the rings 30, 31 and the annular casing 33. The annular manifold 30. , 31, 39 is separated from the interlaced tubularite system by a jacket 40 and, from the outside, by the jackets 41, 42, the air contained in the gap between these jackets constituting a good thermal insulation.
Figures 6 and 7 show a similar collector ring, Figure 6 being a section along C-D of Figure 7, which is a section along A-B of Figure 6: In
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This variant, the collectors 43 are formed 1 by two rings 44,45 provided with recesses assembled by clamping bolts 46, rings into which penetrate the ends of the tubes 47, to be brazed therein: Between the rings 44, 45 a closed annular seal 48 is interposed which ensures the seal of the collector 33.
FIG. 8 shows another variant of the annular collectors and the assembly of the various rings and their connection to the two end parts of the annular casing through which the fluid inlet and outlet takes place. According to the variant of FIG. 8, two end annular parts 49, 50 are provided between which are located the annular collectors 52 connected to the tube 51 of the interlaced tubular system, the parts 49,50 being assembled by bolts 53 which pass through these. collectors. The parts 49, 50 respectively have annular channels 54, 55, the first of which serves for the admission of the fluid, for example water to be vaporized, while the second serves as a collector and to evacuate the fluid, for example the developed vapor '.
The annular collectors located between the parts 49, 50 are constituted by rings 52 provided with recesses and juxtaposed with the interposition of annular seals 56. The recesses of the side walls of the rings 52 form chambers 57 where the ends of the tubes end. 51. The chambers 57 are connected by the tubes 51 in such a way that a pipe is obtained comprising the whole of the interlaced tubular system and the last collectors of which are connected by the channels 58 or 59 to the annular channels 54 or 55.
According to Figures 9 to 11, the rings containing the chambers 57 and surrounding the interlaced tubular system can be replaced by hollow bars 60 juxtaposed with interposition of joints 61 and joined by tie rods 6S.
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To absorb the bending forces at the meeting points, it is possible to insert intermediate pieces 63 with a T-section (ligure11). Such a construction of the elements of the heat exchanger takes particular account of a strong division into section and therefore of the interchangeability of these elements.
The use of interlaced tubes according to the invention also allows the arrangement of two opposed chambers, closing a continuous system and connected by tubes. This construction offers the possibility of entirely occupying a plane by tubes and thus completely using the surface covered, without having to occupy several planes by crossings which the interlacing makes necessary. This significantly reduces the height or length of such a heat exchanger, for example a boiler element. This construction, however, is only advantageous in equilateral parallelograms, when the condition has to be satisfied which stipulates that the tubular sections exposed to a determined degree of heating must have identical lengths.
Figure 12 shows such a construction in the form of a square, which in small units will be used alone and, in large units, in the form of a quadruple (star) square, as shown in this figure. The arrangement of the tubes 64 and the direction of fluid flow are shown schematically in figure 12. The tubes 64 open into the manifolds 65 drilling the sides of the square and communicating with a central chamber 66 as well as arches. side 67 for admission and evacuation.
Alternatively, Figure 13 shows the assembly of oblique equilateral parallelograms into a hexagon, to approximate the circular arrangement of the installation.
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lation. Inlet and outlet manifolds and points are provided as in the square arrangement according to figure 12.
Figure 14 shows a construction made up of a large number of oblique parallelograms, which determines a hexagonal "ring" which, in steam generators, can be used to contain the steam engine.
In order to combine, in the heat exchangers according to the invention, in particular steam generators, a maximum heat transmission with the greatest possible care of the exchanger elements with regard to the thermal stresses, it is possibly useful that the fluids in a heat exchange relationship, the separation surfaces are part equi-current and part counter-current ,. In the case of steam generators, the advantage is thus obtained that, in the part working at equi-current, in which the hot gases flow, a relatively large proportion of the quantity of heat of the hot gases is expended for preheating and vaporization of the supplied water.
It is thus obtained that the temperature differences in the walls of the exchanger element (for example tubes traversed by the vapor.), With respect to the fluid to be heated, are kept within such narrow limits that one can use as materials of construction, so-called replacement materials, ie materials which contain little or no nickel) of chromium or the like, can withstand temperatures up to approximately 600 ° C..
Consequently, and according to the invention, the variant below provides that, in a heat exchanger, serving as a steam generator, the part intended for preheating and vaporization will optionally be supplied at equi-current with respect to the direction of flow of hot gases, while the other
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part of this exchanger, located towards the hot gas outlet point, and where the steam is superheated, will work against the current at a rate of the significantly reduced temperature of the combustion chamber. In addition, depending on the type of exchanger and the temperature ratios it determines, several alternations of equi-current and counter-current parts can be provided, with predominance of equi-current groups. or against the current, as needed.
Figure 15 shows schematically the application of this principle to a steam generator according to the invention, where the steam passes through a system of coils with light and minimum wall thickness:
In the example according to FIG. 15, the part of the steam generator traversed by the steam is: constituted by two groups of coils 68 and 69. Coils 68 connect two annular chambers 70 and 71; a large number, for example 10, of helical tubes 68 can be provided. The water to be vaporized enters the chamber 70 through the tube-72, while the steam enters the second part of the steam generator through the tube. 73. This last part is in turn made up of annular chambers 74, 75, 76 connected, the first with the second and the second with the third, by a helical tubular system 69.
Here too, a large number of coils can be employed, for example twenty coils between chambers 74 and 75 and thirty coils between chambers 75, 76. Tube 73 brings the vapor to the last chamber 74, from where this vapor arrives. into chamber 76 through coils 79 and intermediate chamber 70, countercurrently flowing hot gases which pass through the steam generators in the direction indicated by the arrow, the steam directing from the chamber. bre 76 to the place of use through the tube 77.
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Since, as indicated by the arrows, the hot gases arrive in the steam generator by first encountering the annular chamber 70 through which the water to be vaporized on the other hand passes, the first group of coils, provided between the tubes 70 and 71, works at equi-current with respect to the direction of flow of the gases. This part serves, in the example shown, to produce steam up to the limit of saturated steam. The saturated steam brought into the chamber 74 by the tube 73 is already superheated on its path through the coils 69 to the chamber 76 communicating with the steam intake tube 77, a path accomplished against the current relative to the gas flow: hot, the temperature of which is already appreciably reduced.
The main purpose of providing one or more intermediate chambers 75 is to avoid non-uniform flow. Such intermediate chambers can also be provided in the equi-current part if necessary:
In, the counter-current part, it is possible to obtain, thanks to surfaces largely calculated for the heat exchange) for example, thanks to a suitable increase in the number and / or the diameter of the coils 69, a higher thermal transmission and , consequently, a particularly economical use of the heat which the hot gases still possess after having cut off the equi-current part;
on the other hand, and given the sensitive case of the temperature of the combustion still occurring already in the equi-current part, substitute materials can be used even in high power steam generators. In principle, the number or diameter of the tubes must be greater in the part of the heat exchanger working against the current than in its part with equi-current. In this way flow velocities are obtained in all parts of the exchanger which, having regard to the thermal transmission in the various temperature zones, determine wall temperatures which are as low as possible.
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In all the variants and applications of the heat exchangers according to the invention, it may be useful to increase the heat transmission while reducing the resistance to flow, this by virtue of relative movements of the separation surfaces with respect to a at least moving fluids, preferably by high and very high frequency vibrations, vibrations oriented at least partially in the direction transverse to the direction of flow, which further determines an automatic release of particles possibly engaged in the narrow lights.
Such movements can be achieved in various ways; it is however particularly advantageous to use for this purpose the stream of at least one of the two fluids: CLAIMS.
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1.- Heat exchanger, characterized by heat exchange surfaces which, at least with regard to one of the fluids in heat exchange relation, have a minimum gap, with changes of direction as abrupt as possible , from where a participation as uniform as possible of all the molecules of each transverse section of the flow in the molecular shocks which essentially determine the thermal transmission between the heat exchange surface and the fluid, shocks perpendicular to the wall considered, while increasing the number and impulse value of these shocks.