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' SURFACES 'DEVELOPPEES >POVR. ECHàNGBURS. DE CHALEUR ET PROCEDE 'DE PREPARATION'DE CELLES-CI..
La présente invention est relative à des échangeurs de chaleur et se rapporte plus particulièrement à des surfaces développées pour échan- geurs de chaleur.
Il a été définitivement montré que la forme la plus efficace de surface développée consiste en une multiplicité d'éléments en forme de tiges ou de fil, de diamètre relativement petite et peu'espacesles uns des autres; ces éléments sont reliés à et s'étendent à partir de la paroi de base qui sépare les deux milieux entre lesquels le transfert de chaleur doit avoir lieu.
L'avantage de cette forme de surface développée est longuement discuté dans le brevet américain 204690635, octroyé à David DALIN et Gustav V. HAGBY le 10 mai 1949.
Comme on l'explique dans ce texte, les éléments analogues à des fils ou à des tiges doivent être construits en métal ayant une haute conductibilité thermique., en mentionnant particulièrement le cuivre et l'a- luminium. Un procédé de jonction de l'élément à la paroi de base réalisa- ble industriellement est.décrit dans la demande de brevet américain de Da- vid DALIN, N 82.572 déposée le 21 mars 1949.
Un des inconvénients de la surface développée décrite dans le . brevet et la demande susdits consiste en ce que le cuivre exposé à l'air ou à des gaz contenant de l'oxygène s'oxyde rapidement quand sa température dépasse 260 C et bien que, dans des conditions analogues, l'aluminium ait une meilleure résistance à l'oxydation, le perfectionnement ne suffit pas à lutter contre la température élevée qui prévaut par exemple dans les foyers de chaudières à vapeur et leurs carneaux à gazet l'aluminium ne donne pas de résultats aussi satisfaisants que le cuivre dans ce but,
parce que le cuivre a une conductibilité environ double de celle de l'aluminium et un coefficient de dilatation moins élevée
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Egalement dans des situations comprenant des fluctuations impor- tantes et rapides de température,la différence des coefficients de dilata- tion entre l'acier ou les aciers spéciaux dont la paroi de base est de pré- férence constituée et le cuivre ou l'aluminium dont sont constitués les élé- ments, exerce un effort tellement important sur les joints soudés au moyen desquels les éléments sont fixés à la paroi de base, que ces joints cristal- lisent et se rompent.
Une autre restriction à l'emploi de cuivre pour les éléments à surface développée consiste en son inaptitude à résister aux gaz à réacti- vité chimique existant dans certains cas d'emploi mais à moirs que les élé- ments à surface développée ne soient construits en cuivre ou en aluminium, seuls métaux pouvant être préparés industriellement et possédant la conduc- tibilité calorifique exigée, les avantages de cette surface développée idéa- le sont perdus .
Le problème auquel la présente invention se rapporte, est ainsi clairement délimité, et consiste à trouver quelque moyen de protéger les éléments à surface développée contre l'oxydation et la corrosion sans nuire de façon appréciable à leur conductibilité calorifique et de créer des moyens pour éviter la cristallisation et la rupture des joints par lesquels les éléments sont fixés à la paroi de base. L'expédient évident consistant à galvaniser les éléments au moyen d'un métal approprié pour conférer la ré- sistance à l'oxydation et la corrosion à des températures élevées est hors de question, parce que, en dehors de la question de prix, la galvanisation devrait s'exécuter après avoir soudé la totalité des éléments à la paroi de base.
Toutefois,malgré le prix de revient'élevé entrant en jeu, la galvanisation au moyen de différents métaux ayant une meilleure résistance à l'oxydation et à la corrosion que le cuivre (dans l'air) a été essayée et on a trouvé qu'elle ne donne pas de résultats satisfaisants à cause de la difficulté d'obtention d'un bon dépôt protecteur aux naissances des éléments là où ils sont soudés à la paroi de base et parce que le dépôt galvanique se fend quand on plie les éléments en position. La transformation de cuivre en alliage pour améliorer sa résistance à l'oxydation et à la corrosion est également hors de question parce que la transformation en alliage réduit dans une forte proportion la conductibilité calorifique du métal.
Il est évident, par conséquent, qu'à moins de trouver une solu- tion à ces problèmes, la surface développée idéale devrait être ramenée aux conditions de service moins rigoureuses d'appareils de service tels que des économiseurs et appareils de préchauffage d'air pour lesquels les températu- res entrant en jeu ne sont pas trop élevées et pour des services ou les gaz ne sont pas trop réactifs au point de vue chimique.
L'invention étudie et résout ces problèmes.
Dans un sens large, l'invention réalise ce but en construisant des éléments.bimétalliques comprenant un noyau de cuivre ou d'aluminium et une enveloppe de métal possédant une résistance à l'oxydation dans l'air et dans des gaz contenant de l'oxygène à des températures élevées, et une ré- sistance à la corrosion par des gaz réactifs au point de vue chimique meil- leures que celle du cuivre. De l'acier du même type que celui utilisé pour la paroi ou les tubes de base auxquels les éléments à surface développée sont fixés, est entièrement satisfaisant pour la plupart des buts, mais les coef- ficient de dilatation différents de l'acier et du cuivre ou de l'aluminium introduisent un autre problème qui a été découvert quand on a appliqué pour la première fois les éléments bimétalliques à la paroi de base.
On a trou- vé que la grande quantité de chaleur qui se dégage dans l'opération de sou- dure à résistance au moyen de laquelle les éléments sont fixés à la paroi de base, provoque le craquement et la rupture à la naissance de l'élément.
On a également trouvé que si on soumet les éléments à surface développée à des élévations brusques et importantes de température, parti- culièrement quand elles se répètent fréquemment et plus encore quand on four- nit la chaleur aux éléments à surface développée par l'intermédiaire de la
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paroi de base, l'enveloppe craque et se rompt le long de portions plus ou moins grandes de sa longueur,,
Après l'analyse du phénomène, on a déterminé que la cause de ce craquement et de cette tupture de l'enveloppe consiste dans le fait que le métal formant le noyau se dilate à ce point plus rapidement que l'envelop- pe en acier, qu'il produit le craquement et la rupture de l'enveloppe.
Dans la présente inventions on résout ce problème en traitant les éléments bimétalliques par recuit avant de les souder à la paroi de base. Par le recuit des éléments à une température au moins aussi élevée que celle ren- contrée en service normale toute trace de craquement et de rupture de l'en- veloppe disparaît.
Ainsi, comme on le constatera mieux dans la suite, la présente invention résout entièrement les problèmes auxquels elle est consacrée d'une manière simple et pratique qui ressort clairement de la description qui suit, en se référant aux dessins en annexe qui forment une partie de ce brevet, et sur lesquels
La figure 1 représente une vue en coupe transversale à travers un échangeur de chaleur construit conformément à la présente invention et particulièrement adapté à l'emploi dans des chaudières à vapeur parce que la surface développée--:est montée à l'extérieur d'un tube qui peut être parcouru par le fluide de la chaudière.
La figure 2 est une vue détaillée agrandie représentant une par- tie de la paroi de base tubulaire de la figure 1 et un des éléments à surfa- ce développée avant sa fixation à la paroi de baseo
La figure 3 est une vue détaillée agrandie semblable à la figure 2 mais représentant l'élément à surface développée fixé à la paroi de base tubulaire.
La figure 4 est une vue détaillée en coupe à échelle encore ' plus grande représentant particulièrement les joints entre le noyau et l'en- veloppe des éléments à surface développée et le joint entre les éléments à surface développée et la paroi de baseo
La figure 5 est une vue partielle en coupe à travers une partie d'une autre formé d'échangeur de chaleur construit conformément à l'invention, et adapté particulièrement à des installations dans lesquelles le' milieu flui- de d'un côté de la:-.paroi de base a substantiellement la même conductance su- perficielle que le milieu fluide de l'autre côté de cette paroi de manière que la surface développée puisse être utilisée sur les deux faces de la paroi de base.
@ La figure 6 est une vue en coupe transversale à travers encore une autre forme d'échangeur de chaleur construit conformément à la présente invention et qui se distingue de celles des figures 1 et5 en ce que les éléments à surface développée sont appliqués tangentiellement à une paroi de base tubulaire.
La figure 7 est une vue en plan., à échelle réduite de l'éohan- geur de chaleur représenté sur la figure 60
La figure 8 est une vue en coupe transversale à travers une par- tie de l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 1 mais représentant une construction différente d'éléments à surface développéeo
La'figure 9 est une vue en,coupe transversale à travers un éhan- geur de'-chaleur du genre représenté sur la figure 1 mais dans lequel la to- talité des surfaces développées sont en outre protégées contre l'oxydation et la corrosion par un revêtement de matière vitreuse ou d'une'autre matière convenable résistant à l'oxydation et à la corrosion,,
La figure la est une vue détaillée en coupe longitudinale prise à travers la partie terminale extérieure d'un des éléments à surface dévelop- pée pour,représenter l'extrémité du noyau recouverte d'un capuchon du même métal que l'enveloppée
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La figure 13.'est une vue en coupe transversale à travers une partie de la paroi dénommée paroi d'eau d'un foyer représentant une autre application de la présente invention.
La figure 12 est une vue en plan d'une partie de cette paroi.
La figure 13 est une vue en coupe transversale à travers la fi- gure 12 suivant le plan 13-13 mais à échelle agrandie, et la figure 14 est une vue détaillée en coupe transversale à tra- vers la figure 12 suivant le plan de la ligne 14-14.
En se référant à présent plus particulièrement aux dessins en annexe,sur lesquels les mêmes chiffres représentent les mêmes pièces, le chiffre 5 désigne sur toutes les formes de 1''invention représentées, la paroi de base métallique qui sépare les deux milieux entre lesquels doit se produire l'échange de chaleur, et à laquelle sont fixés les éléments à surface développée représentés en général par le chiffre 6. Suivant le ser- vice auquel l'échangeur de chaleur est destiné, la paroi de base est tubulai- re comme sur la figure 1 ou plane comme sur la figure 5 .mais dans tous les cas, la paroi de base est construite en un métal ayant une grande résistance à la traction et un coefficient de dilatation relativement faible.
Pour la plupart des installations, l'acier doux convient de fa- çon idéale à ce but, mais dans les cas où des conditions extrêmes d'oxydation ou de corrosion se présentent, un acier spécial comme par exemple un acier au chrcjme relativement riche enchrome mais pauvre en carbone, doit être uti- lisé, et si on le désire, la paroi de base peut être feuilletée de manière que seule la surface exposée aux conditions d'oxydation et de corrosion-soit constituée en alliage qui se dilate le plus et que l'autre surface soit constituée d'acier doux bu même d'un acier meilleur marché ou d'un autre mé- tal.
Dans des buts d'illustration, une paroi de base ainsi feuille- tée est représentée sur la figure 6 sur laquelle le tube 5 porte un noyau 7 en acier ou en un autre métal approprié relativement peu dilatable à l'in- térieur d'une gaine 8 de métal tel que de l'acier spécial au chrome ayant une grande résistance, particulièrement à 11-oxydation.
Les éléments à surface développée représentés de manière géné- rale par le chiffre 6 sont fixés debout à la paroi de base comme on le re- présente par exemple sur la figure 1, ou tangentiellement comme on le repré- sente sur la figure 6. Dans chaque cas, les éléments à surfaces développées sont bimétalliques et dans toutes les constructions de l'invention représen- tées excepté celle de la figure 8, les éléments à surface développée consis- tent en une portion de noyau 9 et une portion formant enveloppe 10. Le noyau consiste en métal à haute conductibilité thermique et coefficient de dilatation relativement élevé. Le cuivre convient de façon idéale à ce bute bien qu'on puisse utiliser de l'aluminium.
L'enveloppe 10 est construite en un métal ayant une grande ré- sistance à la traction et un coefficient de dilatation relativement faible, mais, ce qui est le plus important, possédant une bonne résistance à l'oxy- dation et à la corrosion à des températures élevées. Le métal dont est formé l'enveloppe 10 doit posséder une meilleure résistance que le cuivre à l'oxydation à l'air à des températures élevées, et le métal doit être hau- tement résistant à la corrosion quelle que soit la température. Ceci sig- nifie que le métal de l'enveloppe doit résister à l'oxydation-et à l'écail- 'lage à des températures de 400 C au moins, et dans certains cas, à des tem- pératures aussi élevées que 800 C.
Une autre condition requise du métal utilisé pour. l'enveloppe consiste en ce qu'il ait substantiellement le même coefficient de dilatation que le métal de la paroi de base et tout au moins que la surface de la paroi de base à laquelle l'élément est fixé. Ainsi, si la paroi de base est en acier doux, le métal de-l'enveloppe doit de même être de préférence en acier doux et si la paroi de base est construite en acier spécial, l'enveloppe doit de même être construite de préférence en acier spécial.
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Un autre métal qu'on peut utiliser avantageusement pour l'enve- loppe est le bronze d'amirauté'qui est hautement résistant à l'oxydation et à la corrosion et qui a un coefficient de dilatation voisin de celui de l'acier..
L'épaisseur de paroi de l'enveloppe'peut varier mais en géné- ral ne doit pas dépasser celle exigée par le procédé de fabrication appli- qué à la production de fils dont l'élément est constitué, et/ou ne pas dé- passer l'épaisseur nécessaire à assurer une liaison de bonne qualité et du- rable entre l'enveloppe et la paroi de base, et pour assûrer en général la durabilité de l'enveloppe dans les conditions qui règnent en service.
Pour des éléments de diamètre moyen pouvant être compris entre 2mm et 8 mm l'épaisseur de paroi de l'enveloppe doit être comprise approximative- ment entre 0,2 mm et 0,7 mm.
La manière particulière dont les éléments sont produits.. c'est- à-dire la manière dont le noyau est recouvert par l'enveloppe, ne fait pas partie de la présente invention, et peut s'effectuer de toute façon quel- conque connue dans le métier de fabrication de fils bimétalliques.. Ainsi par exemple.. on peut préparer un lingot comprenant un noyau de cuivre ou d'alu- minium, suivant celui de ces métaux devant être utilisé dans le noyau, puis réduire progressivement son diamètre et l'allonger par exemple par laminage et étirage en,fils jusqu'à ce qu'on obtienne un fil de diamètre désiré.
Une réduction de diamètre et un allongement de ce genre astreignent du res- te l'enveloppe à un serrage intime solide avec le noyau;1
Le procédé particulier suivant lequel on prépare le lingot ne concerne pas non plus directement la présente invention.
Ainsi on peut produire le lingot par coulée du métal du noyau à l'intérieur d'un tube du métal de l'enveloppe, ou bien on peut enrouler le métal de l'en- veloppe autour d'un tube du métal du noyau en exécutant le joint longitudinal par soudure.
Indépendamment de la manière dont sent constitués les éléments à surface développées on trouve qu'il est extrêmement important qu'avant de fixer le fil à la paroi 'de base.. sous forme d'éléments analogues à des tiges fixés debout sur la paroi ou sous forme d'éléments analogues à des fils fixés tangentiellement à la paroi de base., le fil doit être recuit. L'expérience a montré qu'à moins que le fil ne soit recuit, l'enveloppe craque et se rompt au cours de l'opération de soudage., aux endroits où se concentre la chaleur de l'opération de soudage.
Ceci résulte sans doute du fait qu'à cau- se de la différence entre les coefficients de dilatation du métal du noyau et du métal de l'enveloppe, l'augmentation rapide de la température soumet le métal de l'enveloppe à des efforts tels qu'ils provoquent sa rupture..
L'augmentation et la diminution graduelles de température de l'opération de recuit ne supprime toutefois pas ces efforts mais au contrai- re conditionne le fil de manière à empêcher la rupture ou l'insuccès de l'enveloppe au. cours des variations de températures appliquées...
Bien que l'explication exacte de la manière dont ce condition- nement est réalisé par le recuit du fil ne soit pas connue, il est très pro- bable qu'au cours de l'opération de recuit, la dilatation plus grande du noyau dilate l'enveloppe au-delà de sa limite d'élasticité, et puisque la température appliquée.. au recuit doit être au moins égale à celle qu'on ren- contre dans l'application moyenne pour laquelle l'échangeur de chaleur est destiné, le diamètre auquell'enveloppe se dilate au cours de l'opération de recuit n'est pas dépassé en service.
Au cours de l'étage de refroidis- sement de l'opération de recuit, le noyau du reste., se contracte plus que l'enveloppe et tend ainsi à se détacher de l'enveloppe. Ceci fait naître une zone dàns laquelle les molécules du métal du noyau et de l'enveloppe exercent des efforts en sens opposéset cette zone possède apparemment une élasticité suffisante pour s'adapter à une dilatation ou contraction ultérieure quelconque du noyau sans exercer d' efforts de rupture sur l'en- veloppe.
Il est également possible qu'un jeu minime entre le noyau et
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l'enveloppe puisse être le résultat de l'opération de recuit. Toutefois, on ne constate aucune réduction notable de transmission de chaleur entre l'enveloppe et le noyau.
Par conséquent, on peut considérer cette zone située sur les surfaces contigues du noyau et de l'enveloppe comme une zone formant tam- . pon pour amortir les efforts produits lors de la dilatation et de la con- traction ultérieures de Isolément.
L'explication de la raison pour laquelle le recuit conditionne le fil de manière à empêcher la rupture de l'enveloppe en service peut également reposer simplement sur le fait que le recuit rend ductiles à la fois le noyau et l'enveloppe, mais quelle que soit l'explication donnée, comme on l'a noté plus haut, il est important que le fil soit recuit avant d'être fixé à la paroi de base.
Dans des cas où les éléments de surface développée sont soumis pendant l'emploi à une température extrêmement élevée ou bien où le manque d'affinité entre les métaux du noyau et de l'enveloppe tend à diminuer la liaison entre le noyau et l'enveloppe, on peut introduire une couche mince d'un troisème métal ou d'une autre substance ayant des propriétés de liai- son.. flexibilité ou solidité convenables entre le noyau et l'enveloppe de manière à augmenter ainsi l'efficacité de la zone tampon.
Si le fil est fixé debout comme sur la figure 1, il existe d'ailleurs sous forme d'éléments en forme de tiges ayant la longueur appropriée, et on soude alors ces éléments par résistance de la manière dé- crite dans la demande de brevet américain n 82.572. Conformément au pro- cédé décrit ici, les éléments et la paroi de base sont raccordés en un cir- cuit électrique et les éléments sont pressés contre la paroi de base pendant qu'ils sont raccordés en un circuit de soudure par résistance.
Si l'échan- geur est du type représenté sur la figure 1, les éléments sont appliqués au tube radialement comme on l'indique par les lignes de construction sur la figure 1, puis sont ensuite repliés de manière à devenir parallèles. - Gamma on l'explique en détail dans la demande de brevet citée, la durée de soudure,la conductibilité de l'élément au courant de soudage, la conductibilité de la paroi de base et l'effort ou la pression de soudage sont des facteurs cri tiques.
Toutefois, puisque l'enveloppe des éléments est constituée du même métal que la paroi de base.. on possède tout au moins substantiellement le même coefficient de dilatation que l'élément de la paroi de base, la fi- xation de l'élément à la paroi de base est considérablement plus aisée que lorsque le joint dépend uniquement de la soudure de métaux différents comme par exemple le cuivre à l'acier. 11 en résulte que la cristallisation et la rupture des joints qui ont été constatées sur des appareils dans lesquels les éléments consistent entièrement en cuivre soudé à une paroi de base en acier, sont entièrement supprimées par la présente invention, puisque lors du soudage des éléments à la paroi de-base,
le métal de l'enveloppe se soude de façon parfaite au métal de la paroi de base et qu'aucune force de-rupture n'existe en service pour provoquer la cristallisation et la rupture.
Que le noyau de l'élément se soude ou non également à la paroi de base ou qu'il y soit soudé de façon certaine, n'a par conséquent plus d' importance puisque la jonction de l'enveloppe à la paroi est entièrement ap- te à maintenir l'élément en position, et il y a lieu de noter que, aussi bien dans le cas où le noyau est soudé à la paroi de base,.que dans le cas ou il ne l'est pas, son contact avec elle est suffisamment intime pour as- surer une bonne conduction de la chaleur entre eux.
Un comparaison des figures 3 et 4 montre les conditions de l'é- lément et de la paroi de base avant et après le soudage, et on attire parti- culièrement l'attention sur la figure 4 qui représente la manière dont le mé- tal de l'enveloppe est soudé au métal de la paroi de base.
Cette vue indique également plus ou moins schématiquement la zone tampon entre l'enveloppe et le noyau qui rend possible la dilatation et la contraction du noyau sans exer-
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cer d'efforts de rupture sur l'envelopper
Dans la forme d'échangeur de chaleur représentée sur les figures 6 et 7 dans lesquelles la surface étendue est mieux définie comme étant constituée d'une série de fils fixés tangentiellement à la paroi de base tu- bulaire, la présente invention rend cette forme d'échangeur de chaleur pos- sible industriellement parce qu'elle évite les difficultés rencontrées dans le passé, provenant de la proximité étroite des joints soudéso Bien que dans le passé il était nécessaire de souder individuellement chaque joint, il est actuellement possible de souder simultanément un grand:
nombre de joints de sorte qu'un tissu complet d'éléments de fils puissent être fixés à un certain nombre de tubes en une seule opération de soudage.
Gomme on l'a vu;,un des problèmes résolus par la présente inven- tion consiste en celui causé par la cristallisation et la rupture des joints au moyen desquels les éléments sont fixés à la paroi de base. Comme on le voit sur la figure 8, cet avantage peut être atteint même si on n'utilise pas d'enveloppe en acier,, On peut ainsi faire face à des situations dans lesquelles il est désirable que les surfaces exposées des éléments soient constituées de cuivre. Dans ce cas., les éléments-sont pourvus d'un noyau d'acier ou d'un autre métal de petit diamètre ayant une résistance élevée à la traction et substantiellement le même coefficient de dilatation que la paroi de base, à l'intérieur d'un corps en cuivre.
Quand un élément de ce genre est soudé en position, le noyau d'acier se soude au métal de la paroi de base pour réaliser la résistance désirée au joint même si le corps de l'élément est constitué presque entièrement de cuivre:,
Bien qu'on ait reconnu en général dans le métier les avantages du recouvrement des surfaces métalliques d'une couche de matière vitreuse ou autre, possédant une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion pour, les protéger contre l'oxydation à hautes températures, avant l'apparition des échangeurs de chaleur à surface développée des brevets de DALIN et Cts com- prenant une grande réduction du nombre de tubes et par conséquent-dés conne- xions beaucoup moins nombreuses entre des tubes et des supports,,
l'emploi des enduits .protecteurs de ce genre n'était pratiquement pas possible.
La difficulté évidemment plus grande de connexion entre un tube recouvert d'émail vitreux ou de verre et un support et le prix de revient qui s'y rattache a écarté cette pratique., mais bien que la surface développée perfectionnée du brevet cité supprime la raison de ne pas utiliser d'enduit protecteur de matière vitreuse ou autre protectrice, elle substitue un obsta- cle encore plus grand à son adoption, On peut produire des substances .pro- tectrices de ce genre qui ont un coefficient,de dilatation correspondant à celui du métal auquel elles doivent être appliquées y mais elles ne peuvent être rendues compatibles à ce point de vue à plus d'un métal.
par conséquente puisque la surface développée du nouvel-échan- geur de chaleur est en cuivreet la paroi de base en acierun revêtement vitreux au. analogue était impossible. Toutefois., la présente invention rend faisable et possible pour la première fois l'application sur la surface entière de l'échangeur de chaleur d'un revêtement protecteur vitreux ou autre convenable puisque la totalité des surfaces exposées devant être recouvertes ont le même coefficient de dilatation.
Ainsi dans le cas où on désire une protection supplémentaire d'un revêtement de ce genre., il est possible de l'appliquer, et la figure 9 représente un revêtement de ce genre 12 qui s'étend de façon continue à la totalité de la surface exposée, en y comprenant les extrémités des éléments à surface développéeo
Une surface de chauffe ainsi protégée offre l'avantage remarqua- ble d'être pratiquement universelle dans son emploi,, Grâce à elle, il n'est pas nécessaire d'effectuer de contrôles de températures particuliers pour empêcher la condensation de gaz à réactivité chimique sur les surfaces de chauffe, ce qui signifie du reste, que le.problème du point de rosée dis- paraît,,
Un revêtement de ce genre rend la construction apte à l'emploi dans des liquides acides ou fortement alcalins.
Dans le cas où la surface n'est pas recouverte d'une matière
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vitreuse ou d'une autre matière protectrice, les extrémités des éléments, si on le désire, peuvent être pressés pour replier la matière de l'enveloppe au dessus de l'extrémité du noyau, ou bien un capuchon séparé 13 peut être appliqué comme on le représente sur la figure 10, mais comme l'aire de la section transversale du noyau est très petite, cette précaution n'est ha- bituellement pas nécessaire,
Une autre application de la présente'invention, représentée sur les figures 11 à 14, est relative à une paroi dite paroi d'eau pour les foyers de chaudières à vapeur et analogues.
Comme on le décrit par exemple dans le brevet américain de T.E.Murray n 2.220.579, publié le 5 novembre 1940, il était usuel dans le métier antérieur de revêtir les parois des foyers de tubes d'eau, et pour réduire le nombre de tubes nécessaires, on y soudait des ailettes dépassant latéralement. Cette invention est par conséquent admirablement appropriée à ce but car elle permet un espacement beaucoup plus grand entre les tubes d'eau que ce qui était possible jusqu'à présent.
Dans ce but, les tubes 5' dans lesquels circule le fluide de la chaudièrey portent des ailettes 6' qui y sont soudées de la même maniè- re que les éléments à surface développée sont fixés à la paroi de base dans les réalisations décrites de 1'invention. Les ailettes 6' comprennent un noyau 9' en cuivre ou autre métal de conductibilité thermique élevée et une enveloppe 10' en acier ou autre métal approprié ayant le même coef- ficient de dilatation que les tubes. Il est du reste important dans le cas d'éléments analogues à des fils que les ailettes soient recuites avant de les fixer aux tubes.
L'avantage de cette construction sur les ailettes en acier est représenté en comparant la longueur des ailettes bimétalliques à la longueur approximative des ailettes d'acier (indiquée en traits interrom- pus L sur la fig. 12), telle qu'utilisée dans ce but dans le métier anté- rieur. Evidemment, on obtient, au moyen de cette construction,. la même protection des parois du foyer avec un nombre de tubes de beaucoup infé- rieur à ce qui était nécessaire auparavant.
Il faut du reste s'attendre à ce que l'enroulement des-éléments de la manière décrite leur enlève quelque peu de leir aptitude à transmettre la chaleùr vers ou en provenance d'un milieu qui s'écoule sur elles, mais cette légère réduction de conductibili- té de surface est négligeable en comparaison de l'avantage extraordinaire que procure l'invention. Dans un essai effectif, on a trouvé qu'entre des éléments constitués entièrement en cuivre et ceux construits conformément à la présente invention., la diminution de la transmission de chaleur n'est que de six pouroents.
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'SURFACES' DEVELOPED> POVR. EXCHANGERS. OF HEAT AND PROCESS 'OF PREPARATION' THEREOF.
The present invention relates to heat exchangers and relates more particularly to surfaces developed for heat exchangers.
It has been definitively shown that the most efficient form of developed surface consists of a multiplicity of rod or wire-shaped elements, of relatively small diameter and few spaces from each other; these elements are connected to and extend from the base wall which separates the two media between which the heat transfer is to take place.
The advantage of this developed surface shape is discussed at length in US Patent 204,690,635, granted to David DALIN and Gustav V. HAGBY on May 10, 1949.
As explained in this text, elements similar to wires or rods should be constructed of metal having high thermal conductivity, with particular reference to copper and aluminum. An industrially feasible method of joining the element to the base wall is described in the US patent application of David DALIN, No. 82,572 filed March 21, 1949.
One of the drawbacks of the developed surface described in. The above patent and application is that copper exposed to air or to gases containing oxygen oxidizes rapidly when its temperature exceeds 260 C and although, under similar conditions, aluminum has a better resistance to oxidation, the improvement is not sufficient to fight against the high temperature which prevails for example in the hearths of steam boilers and their gas flues and aluminum does not give results as satisfactory as copper for this purpose,
because copper has approximately double the conductivity of aluminum and a lower coefficient of expansion
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Also in situations involving large and rapid fluctuations in temperature, the difference in expansion coefficients between steel or special steels, the base wall of which is preferably made up, and copper or aluminum, of which The elements are made up, exerts such a great force on the welded joints by means of which the elements are fixed to the base wall, that these joints crystallize and break.
Another restriction to the use of copper for members with a developed surface is its inability to resist chemically reactive gases which exist in certain cases of use, but that the elements with a developed surface are not constructed of. copper or aluminum, the only metals that can be industrially prepared and possess the required heat conduc- tivity, the advantages of this ideal developed surface are lost.
The problem to which the present invention relates is thus clearly delimited, and consists in finding some means of protecting the elements with a developed surface against oxidation and corrosion without appreciably impairing their heat conductivity and of creating means to avoid crystallization and rupture of the joints by which the elements are attached to the base wall. The obvious expedient of galvanizing the elements with a suitable metal to impart resistance to oxidation and corrosion at elevated temperatures is out of the question, because apart from the question of price, the Galvanizing should run after all elements have been welded to the base wall.
However, despite the high cost involved, galvanizing with different metals having better resistance to oxidation and corrosion than copper (in air) has been tried and it has been found that it does not give satisfactory results because of the difficulty of obtaining a good protective deposit at the birth of the elements where they are welded to the base wall and because the galvanic deposit splits when the elements are bent in position . The transformation of copper into an alloy to improve its resistance to oxidation and corrosion is also out of the question because the transformation into an alloy greatly reduces the heat conductivity of the metal.
It is evident, therefore, that unless a solution is found to these problems, the ideal developed area should be reduced to the less severe service conditions of service devices such as economizers and air preheaters. for which the temperatures involved are not too high and for services where the gases are not too chemically reactive.
The invention studies and solves these problems.
In a broad sense, the invention achieves this object by constructing bimetallic elements comprising a core of copper or aluminum and a metal shell having resistance to oxidation in air and in gases containing oxygen. oxygen at elevated temperatures, and corrosion resistance by chemically reactive gases better than that of copper. Steel of the same type as that used for the wall or base tubes to which the developed surface members are attached, is fully satisfactory for most purposes, but the coefficients of expansion different from steel and steel. copper or aluminum introduce another problem which was discovered when the bimetallic elements were first applied to the base wall.
It has been found that the large amount of heat which is given off in the operation of resistance welding by means of which the elements are fixed to the base wall, causes cracking and breaking at the birth of the element.
It has also been found that if one subjects the developed surface elements to sudden and significant temperature rises, particularly when they are repeated frequently and even more so when heat is supplied to the developed surface elements through the intermediary of the
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base wall, the envelope cracks and breaks along more or less large portions of its length,
After analysis of the phenomenon, it was determined that the cause of this cracking and tearing of the shell is that the metal forming the core expands at this point faster than the steel shell, that it produces cracking and rupture of the casing.
In the present inventions this problem is solved by treating the bimetallic elements by annealing before welding them to the base wall. By annealing the elements at a temperature at least as high as that encountered in normal service, all traces of cracking and rupture of the casing disappear.
Thus, as will be seen better in the following, the present invention entirely resolves the problems to which it is devoted in a simple and practical manner which is clearly apparent from the following description, with reference to the accompanying drawings which form part of this patent, and on which
Figure 1 shows a cross-sectional view through a heat exchanger constructed in accordance with the present invention and particularly suitable for use in steam boilers because the developed surface -: is mounted outside a tube which can be traversed by the boiler fluid.
FIG. 2 is an enlarged detailed view showing part of the tubular base wall of FIG. 1 and one of the developed surface elements before its attachment to the base wall.
Figure 3 is an enlarged detailed view similar to Figure 2 but showing the developed surface element attached to the tubular base wall.
Figure 4 is a detailed sectional view to an even larger scale showing particularly the joints between the core and the shell of the developed surface elements and the joint between the developed surface elements and the base wall.
Figure 5 is a partial sectional view through part of another form of heat exchanger constructed in accordance with the invention, and particularly suited to installations in which the medium flows from one side of the heat exchanger. The base wall has substantially the same surface conductance as the fluid medium on the other side of that wall so that the developed surface can be used on both sides of the base wall.
Figure 6 is a cross-sectional view through yet another form of heat exchanger constructed in accordance with the present invention and which differs from those of Figures 1 and 5 in that the developed surface members are applied tangentially to a tubular base wall.
Figure 7 is a plan view, on a reduced scale, of the heat exchanger shown in Figure 60
Figure 8 is a cross-sectional view through part of the heat exchanger shown in Figure 1 but showing a different construction of developed surface elements.
Figure 9 is a cross-sectional view through a heat exchanger of the kind shown in Figure 1 but in which all of the developed surfaces are further protected against oxidation and corrosion by. a coating of glass material or other suitable material resistant to oxidation and corrosion,
Figure la is a detailed longitudinal sectional view taken through the outer end portion of one of the developed surface members to show the core end covered with a cap of the same metal as the shroud.
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Figure 13 is a cross-sectional view through a portion of the so-called water wall of a fireplace showing another application of the present invention.
FIG. 12 is a plan view of part of this wall.
Figure 13 is a cross-sectional view through Figure 12 taken on plane 13-13 but on an enlarged scale, and Figure 14 is a detailed cross-sectional view through Figure 12 taken on the plane of line 14-14.
Referring now more particularly to the accompanying drawings, in which the same numbers represent the same parts, the number 5 designates on all the forms of the invention shown, the metal base wall which separates the two media between which must heat exchange, and to which are attached the developed surface elements generally represented by the number 6. Depending on the service for which the heat exchanger is intended, the base wall is tubular as on Figure 1 or planar as in Figure 5, but in any case, the base wall is constructed of a metal having high tensile strength and a relatively low coefficient of expansion.
For most installations mild steel is ideally suited for this purpose, but in cases where extreme conditions of oxidation or corrosion occur, a special steel such as, for example, a relatively rich chrome steel. but poor in carbon, must be used, and if desired, the base wall can be laminated so that only the surface exposed to the conditions of oxidation and corrosion - is made of the alloy which expands the most and whether the other surface is mild steel or even cheaper steel or some other metal.
For purposes of illustration, a base wall thus foilized is shown in FIG. 6 on which the tube 5 carries a core 7 of steel or other suitable metal which is relatively non-expandable within a core. sheath 8 of metal such as special chromium steel having high resistance, particularly to 11-oxidation.
The developed surface elements generally represented by the numeral 6 are fixed upright to the base wall as shown for example in figure 1, or tangentially as shown in figure 6. In In each case, the developed surface elements are bimetallic and in all of the constructions of the invention shown except that of Figure 8, the developed surface elements consist of a core portion 9 and a shell portion 10. The core consists of metal with high thermal conductivity and a relatively high coefficient of expansion. Copper is ideally suited for this abutment although aluminum can be used.
The shell 10 is constructed of a metal having a high tensile strength and a relatively low coefficient of expansion, but, most importantly, possessing good resistance to oxidation and corrosion. high temperatures. The metal from which the shell 10 is formed must have better resistance than copper to oxidation in air at high temperatures, and the metal must be highly resistant to corrosion at any temperature. This means that the metal of the casing must resist oxidation - and scaling - at temperatures of at least 400 ° C, and in some cases at temperatures as high as 800 ° C. .
Another requirement of the metal used for. the envelope consists in having substantially the same coefficient of expansion as the metal of the base wall and at the very least as the surface of the base wall to which the element is attached. Thus, if the base wall is of mild steel, the metal of the casing should likewise preferably be of mild steel and if the base wall is constructed of special steel, the casing should likewise preferably be constructed. made of special steel.
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Another metal which can be advantageously used for the casing is admiralty bronze which is highly resistant to oxidation and corrosion and which has a coefficient of expansion close to that of steel.
The wall thickness of the casing may vary but in general should not exceed that required by the manufacturing process applied to the production of the yarns of which the element is made, and / or not to fail. pass the thickness necessary to ensure a good quality and lasting bond between the casing and the base wall, and in general to ensure the durability of the casing under the conditions which prevail in service.
For elements with an average diameter which may be between 2mm and 8mm, the wall thickness of the casing should be approximately between 0.2mm and 0.7mm.
The particular way in which the elements are produced, i.e. the way in which the core is covered by the casing, does not form part of the present invention, and can take place in any known way. in the trade of manufacturing bimetallic wires .. Thus for example .. one can prepare an ingot comprising a copper or aluminum core, depending on which of these metals to be used in the core, then gradually reduce its diameter and extend it, for example by rolling and drawing into, son until a wire of the desired diameter is obtained.
A reduction in diameter and an elongation of this kind constrains the casing to a solid intimate tightening with the core; 1
The particular process by which the ingot is prepared also does not directly relate to the present invention.
Thus the ingot can be produced by casting the core metal inside a tube of the shell metal, or the metal of the shell can be wound around a tube of the core metal. performing the longitudinal joint by welding.
Regardless of how the developed surface elements are made it is found to be extremely important that before attaching the wire to the base wall, in the form of rod-like elements fixed upright to the wall or in the form of wire-like elements fixed tangentially to the base wall., the wire must be annealed. Experience has shown that unless the wire is annealed, the casing cracks and breaks during the welding operation, at the places where the heat of the welding operation is concentrated.
This undoubtedly results from the fact that, due to the difference between the expansion coefficients of the metal of the core and of the metal of the casing, the rapid increase in temperature subjects the metal of the casing to such stresses. that they cause its rupture ..
The gradual increase and decrease in temperature of the annealing operation, however, does not eliminate these forces but on the contrary conditions the wire in such a way as to prevent breakage or failure of the casing. during the applied temperature variations ...
Although the exact explanation of how this conditioning is achieved by annealing the wire is not known, it is very likely that during the annealing operation the greater expansion of the core expands. the envelope beyond its elastic limit, and since the temperature applied to the annealing must be at least equal to that encountered in the average application for which the heat exchanger is intended, the diameter at which the envelope expands during the annealing operation is not exceeded in service.
During the cooling stage of the annealing operation, the core of the remainder contracts more than the shell and thus tends to detach from the shell. This gives rise to a zone in which the molecules of the metal of the core and of the shell exert forces in opposite directions and this zone apparently has sufficient elasticity to accommodate any subsequent expansion or contraction of the core without exerting forces of. breakage on the envelope.
It is also possible that minimal play between the core and
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the envelope may be the result of the annealing operation. However, there is no noticeable reduction in heat transmission between the shell and the core.
Consequently, this zone located on the contiguous surfaces of the core and the shell can be considered as a zone forming a drum. pon to absorb the forces produced during the subsequent expansion and contraction of Isolation.
The explanation as to why annealing conditions the wire so as to prevent casing breakage in service may also simply be based on the fact that annealing makes both the core and casing ductile, but regardless. Either the explanation given, as noted above, it is important that the wire is annealed before being attached to the base wall.
In cases where the developed surface elements are subjected during use to an extremely high temperature or where the lack of affinity between the metals of the core and the shell tends to decrease the bond between the core and the shell a thin layer of a third metal or other substance having bonding properties, suitable flexibility or strength between the core and the shell may be introduced so as to thereby increase the efficiency of the buffer zone. .
If the wire is fixed upright as in FIG. 1, it also exists in the form of rod-shaped elements having the appropriate length, and these elements are then welded by resistance in the manner described in the patent application. U.S. No. 82,572. In accordance with the method described herein, the elements and the base wall are connected in an electrical circuit and the elements are pressed against the base wall while they are connected in a resistance welding circuit.
If the exchanger is of the type shown in Figure 1, the elements are applied to the tube radially as indicated by the construction lines in Figure 1, then are then bent back so as to become parallel. - Gamma is explained in detail in the cited patent application, the welding time, the conductivity of the element to the welding current, the conductivity of the base wall and the welding force or pressure are factors cry ticks.
However, since the casing of the elements is made of the same metal as the base wall .. there is at least substantially the same coefficient of expansion as the element of the base wall, the attachment of the element to the base wall is considerably easier than when the joint depends solely on the welding of different metals such as for example copper to steel. As a result, the crystallization and rupture of the seams which have been observed on apparatus in which the elements consist entirely of copper welded to a steel base wall are entirely suppressed by the present invention, since when welding the elements to the base wall,
the metal of the casing is perfectly welded to the metal of the base wall and no breaking force exists in service to cause crystallization and rupture.
Whether or not the core of the element is also welded to the base wall or whether it is securely welded there, is therefore no longer important since the junction of the casing to the wall is entirely suitable - you to keep the element in position, and it should be noted that, both in the case where the core is welded to the base wall, as in the case where it is not, its contact with it is sufficiently intimate to ensure good heat conduction between them.
A comparison of Figures 3 and 4 shows the conditions of the element and the base wall before and after welding, and particular attention is drawn to Figure 4 which shows how the metal of the casing is welded to the metal of the base wall.
This view also shows more or less schematically the buffer zone between the envelope and the nucleus which makes possible the expansion and contraction of the nucleus without exerting.
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cer of breaking forces on the wrap
In the form of heat exchanger shown in Figures 6 and 7 in which the extended surface is best defined as consisting of a series of wires attached tangentially to the tubular base wall, the present invention renders this form heat exchanger is industrially possible because it avoids the difficulties encountered in the past, arising from the close proximity of welded joints o Although in the past it was necessary to weld each joint individually, it is currently possible to weld simultaneously a tall:
number of joints so that a complete fabric of wire elements can be attached to a number of tubes in a single welding operation.
As has been seen, one of the problems solved by the present invention is that caused by crystallization and rupture of the joints by means of which the elements are fixed to the base wall. As can be seen in Fig. 8, this advantage can be achieved even if no steel casing is used. Thus, situations can be faced in which it is desirable that the exposed surfaces of the elements consist of copper. In this case, the elements are provided with a core of steel or other metal of small diameter having high tensile strength and substantially the same coefficient of expansion as the base wall, inside. of a copper body.
When such a member is welded in position, the steel core welds to the metal of the base wall to achieve the desired strength at the joint even though the body of the member is made almost entirely of copper :,
Although the advantages of covering metal surfaces with a layer of vitreous material or the like, having good resistance to oxidation and to corrosion, have been generally recognized in the art to protect them against high oxidation. temperatures, before the appearance of the developed surface heat exchangers of the DALIN and Cts patents comprising a great reduction in the number of tubes and consequently -much fewer connections between tubes and supports ,,
the use of protective coatings of this kind was practically not possible.
The obviously greater difficulty of connection between a tube covered with vitreous enamel or glass and a support and the cost price attached to it has ruled out this practice., But although the improved developed surface of the cited patent eliminates the reason not to use protective coating of vitreous material or other protective material, it substitutes an even greater obstacle to its adoption. Protective substances of this kind can be produced which have a coefficient of expansion corresponding to that of the metal to which they are to be applied, but they cannot be made compatible in this respect with more than one metal.
therefore, since the developed surface of the new heat exchanger is copper and the base wall is made of steel with a vitreous coating. analogue was impossible. However, the present invention makes it feasible and possible for the first time to apply to the entire surface of the heat exchanger a protective vitreous or other suitable coating since all of the exposed surfaces to be coated have the same coefficient of dilation.
Thus in the event that additional protection of a coating of this type is desired, it is possible to apply it, and FIG. 9 shows a coating of this type 12 which extends continuously over the entire surface. exposed surface, including the ends of developed surface elements
A heating surface thus protected offers the remarkable advantage of being practically universal in its use, Thanks to it, it is not necessary to carry out particular temperature controls to prevent the condensation of chemically reactive gases. on the heating surfaces, which also means that the dew point problem disappears,
Such a coating makes the construction suitable for use in acidic or strongly alkaline liquids.
In the event that the surface is not covered with a material
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glassy or other protective material, the ends of the elements, if desired, can be squeezed to fold the shell material over the end of the core, or a separate cap 13 can be applied as required. shown in figure 10, but since the cross-sectional area of the core is very small, this precaution is usually not necessary,
Another application of the present'invention, shown in Figures 11 to 14, relates to a wall called water wall for the stoves of steam boilers and the like.
As described, for example, in US Pat. No. 2,220,579, issued November 5, 1940, it was customary in the prior art to line the walls of hearths with water tubes, and to reduce the number of tubes necessary, fins protruding laterally were welded to it. This invention is therefore admirably suited for this purpose as it allows for a much greater spacing between the water tubes than has been possible heretofore.
For this purpose, the tubes 5 ′ in which the boiler fluid circulates carry fins 6 ′ which are welded thereto in the same way that the elements with a developed surface are fixed to the base wall in the embodiments described in 1 'invention. The fins 6 'comprise a core 9' of copper or other metal of high thermal conductivity and a shell 10 'of steel or other suitable metal having the same coefficient of expansion as the tubes. It is moreover important in the case of elements similar to wires that the fins be annealed before fixing them to the tubes.
The advantage of this construction over steel fins is shown by comparing the length of the bimetallic fins to the approximate length of the steel fins (shown in phantom L in Fig. 12), as used herein. goal in the prior art. Obviously, we obtain, by means of this construction ,. the same protection of the walls of the hearth with a number of tubes much less than what was necessary before.
It is to be expected, moreover, that the winding of the elements in the manner described will take away from them some of their ability to transmit heat to or from a medium which flows over them, but this slight reduction of surface conductivity is negligible compared to the extraordinary advantage of the invention. In an actual test, it was found that between items made entirely of copper and those constructed in accordance with the present invention, the decrease in heat transmission was only six percent.