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ELEMENT A AILETTES POUR ECHANGEURS DE CHALEUR.
La présente invention concerne un appareil destiné à l'échange de la chaleur entre deux fluides canalisés et, plus particulièrement, à une forme perfectionnée des éléments destinés à agrandir la surface d'échange dans les échangeurs de chalmeur du types plateaux.
Un échangeur de chaleur d'un type usuel pour deux fluides canali- sés comporte des plateaux métalliques espacés pour former des conduits dans certains desquels circule un fluide pour la transmission de la chaleur, à travers les parois formées par les plateaux, à un autre fluide circulant dans des conduits adjacents, les conduits destinés au passage du fluide chauf- fant alternant avec les conduits laissant passer le fluide à chauffer. Les intervalles entre les plateaux consécutifs sont fermés le longde deux côtés opposés en vue de la fermeture des conduits de circulation des fluides.
Pour augmenter l'efficacité de la transmission de la chaleur entre deux fluides à travers les parois des conduits, on les munit fréquemment d'é- léments d'agrandissement de la surface sous la forme d'ailettes.s'étendant dans les courants des fluides. La présente invention envisage des perfec- tionnements aux éléments d'agrandissement de la surface sous la forme d'élé- ments préfaçonnés montés entre des plateaux parallèles et assemblés avec ceux-ci pour agrandie la surface des parois des conduits formés par les pla- teaux. L'invention a plus précisément pour objet une forme perfectionnée d'une ailette échangeuse en forme de bande discontinue insérée dans le con- duit à fluide et orientée dans la direction de l'écoulement du fluide.
Pour la construction d'échangeurs de chaleur en général, et plus particulièrement d'échangeurs pour turbines à gaz, il convient d'agencer l'ensemble pour une circulation à contrecourant. Si on désire obtenir dés rendements relativement élevés, par exemple de 80% et plus, la circulation à contre-courant est la seule qui soit pratiquement applicable.
Le seul
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inconvénient consiste en ce que le constructeur n'est pas libre de choisir' le rapport le plus favorable entre les surfaces frontales pour les deux flui- des, étant donné que ce rapport est établi en contrecourant et que la surfa- ce frontale est commune aux deux fluideso
Dans une installation à turbine à gaz, la chaleur est échangée entre un gaz se présentant à peu près à la pression atmosphérique et une masse d'air-sous une pression de 4 à 5 fois supérieure à celle de l'air extérieur. La surface chauffante supplémentaire sur le côté du gaz doit être une surface très efficace, se présentant par exemple sous la forme d'ai- lettes réduites s'étendant entre les plateaux largement espacés pour former les conduits.
La surface de chauffage supplémentaire sur le côté de l'air est jusqu'ici constituée par un élément profilé en U ou par des plaques can- nelées, généralement carrées, formant des ailettes en bande continue s'éten- dant entre les plateaux peu espacés formant les conduits à air.
Le but de la présente invention est de créer un élément d'agrandis- sement de la surface destiné à remplacer les ailettes en bande continue uti- lisées jusqu'ici sur le côté de l'air. La surface ainsi obtenue assure un coefficient de transmission plus élebé de la chaleur, et ce perfectionnement de la transmission de la chaleur est même plus sensible en présence de fai- bles charges ou de charges partielles, étant donné que le coefficient pelli- culaire diminue en raison de la 0,8ème puissance avec la vitesse de masse pour des conduits continus, et à peu près en raison de la 0,65ème puissance pour des conduits discontinus.
L'invention sera mieux comprise par la description ci-après des modes de réalisation en regard du dessin annexé sur lequel : la fig. 1 est une vue partielle en coupe transversale d'un échan- geur de chaleur dans lequel les parois des conduits sont garnies d'éléments d'agrandissement de la surface suivant l'invention. la fig. 2 est une vue partielle en perspective à plus grande échel- le d'un des éléments à ailettes que montre la fig. 1. la fig. 3 est une vue en plan d'un flan ou d'une bande métallique utilisé pour le façonnage de l'élément à ailettes que montre la fig 2. la figo 4 est une vue en coupe longitudinale, suivant la ligne 4-4 de la fig 1, des conduits de 1'échangeur de chaleur
Les figs. 5 et 6 sont des vues en coupe montrant des variantes de l'élément à ailettes.
Sur la fig ; 1 du dessin, 10 et 11 désignent deux plateaux métalli- ques espacés pour former un conduit 12 destiné au passage de l'air ou d'un autre fluide à chauffer qui doit circuler en contact indirect rechange avec un autre fluide, par exemple un gaz chaud, passant' dans les conduits 13 al- ternant avec les conduits à air 12 et séparés de ceux-ci par les parois cons- tituées par les plateaux 10 et 11. La surface supplémentaire s'étendant des parois 10 et 11 dans le conduit à air 12 est constituée, suivant la présente invention, par un certain nombre d'éléments à ailettes, indiqués d'une maniè- re générale en 14, alignés côte à côte dans le conduit 12, et de préférence assemblés avec les surfaces en regard l'une de l'autre des plateaux 10 et Il délimitant le conduit.
Chacun de ces éléments à ailettes 14 est façonné en partant d'une bande métallique 15, dans laquelle sont pratiquées des fentes indiquées en 16 de la fig ; 3, partant de chaque bord longitudinal 17 et formant ainsi des languettes qui peuvent être pliées alternativement en partant des deux faces de l'âme ou de la bande centrale 18, de la manière indiquée sur la fig 2.
Les languettes 20 sont pliées vers le haut le long des bords opposés de 1'â- me 18 de la bande, et alternant avec d'autres languettes 21 pliées vers le bas. Les bords extrêmes de toutes les languettes sont coudés pour être parallèles à l'âme 18 et pour former des brides'latérales 22 perpendiculaires aux languettes 20. Ces brides 22 forment en quelque sorte des pieds prenant
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appui sur la surface des plateaux 10 et 11. @
Pour la construction d'une cellule d'échangeur de chaleur, -on- assemble côte à côté plusieurs éléments à ailettes 14 du genre indiqué sur la fig. 2, entre les deux plateaux 10 et 11 formant les parois de la cellu- le échangeuse.
Les éléments 14 sont montés sur le plateau 11 de façon que les bords 23 des brides latérales 22 des éléments 14 consécutifs se touchent de la manière indiquée sur la figo la On pose ensuite le plateau 11 sur les éléments 14 assemblés jointivemento Les éléments aux bords extrêmes des pla- teaux 10 et 11 peuvent être soudés par points à ces plateaux avant la brasure de la totalité des éléments à ailettes avec les plateaux 10 et 11. Avant la brasure, on intercale bien entendu des bandes de métal de brasure ou si- milaires entre les pieds 22 et les plateaux 10, 11 au cours de l'assemblage.
Les proportions relatives de l'âme 18 de l'élément à ailettes 14 et des languettes 20,21 sont choisies telles que le diamètre hydraulique de chacun des couloirs a (fig. 1) entre deux languettes 20 ou 21 d'un élément particulier soit égal au rayon hydraulique du couloir b formé entre deux é- léments 14 consécutifs par l'espacement de ceux=ci à l'aide des brides laté- rales 22.
Sur le côté du gaz des plateaux 10, 11, la surface supplémentai- re peut être constituée dans les conduits 13 par les barettes 30 de tringles ondulées. Dans un échangeur de chaleur composé de plusieurs cellules du genre qui vient d'être décrit, les côtés latéraux des conduits sont obstrués par des platines 31. Si le gaz circule dans les conduits 13 en contrecourant avec l'air dans les conduits 12, les intervalles correspondants entre les cellules consécutives sont obstrués de la manière usuelle'le long des côtés latéraux par d'autres platines 32.
Vans le mode de réalisation que montre la fig. 5, l'Orne 33 de chaque élément à ailettes présente des parties 35 et 36 alternativement surélevées et surbaissées, de sorte que la surface de l'âme est discontinue' ou n'est pas plane dans la direction de la circulation du gaz, ce qui empêche la formation d'une couche-limite le long de la surface longitudinale de l'âme 33.
L'élément à ailettes 34 que montre la figo 6 est similaire à ce- lui de la fig. 1, sauf que les languettes dont pliées en V et non pas en U comme dans le premier exemple.
Les éléments à ailettes 14 tels qu'ils viennent d'être décrits permettent la construction d'un échangeur de chaleur plus équilibré s'ils sont utilisés avec d'autres surfaces supplémentaires et hautement efficaces sur 1-'autre coté de la paroi de séparation, ce qui se traduit par un parcours de longueur plus réduite à l'intérieur de l'échangeur. Les éléments 14 as- surent automatiquement l'espacement. La cellule peut être remplie avec ces élénents, et les éléments extrêmes peuvent être soudés par points aux plateaux avant la brasure. Le pliage de la matière est réduit au minimum.
Une surface usuelle formée par des profilés en U ou par des feuilles canne- lées présente une proportion de pliage de 50%, c'est-à-dire que la moitié de la surface est en contact avec une partie correspondante d'un élément à ailettes, de sorte que l'épaisseur du métal est doublée dans ces zones qui s'étendent au total sur la moitié de la surface des plateaux. La surface créée suivant l'invention ne présente que 16 à 17% de pliage.
Un autre avantage consiste en ce qu'un élément allongé à ailet- tes discontinues peut être fabriqué sans la perte importante de matière ré- sultant du découpage d'ailettes longitudinales continues pour l'obtention d'ailettes discontinues. Dans le présent cas, la seule perte très réduite de matière est celle qui résulte des fentes 16.
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FINNED ELEMENT FOR HEAT EXCHANGERS.
The present invention relates to an apparatus intended for the exchange of heat between two channeled fluids and, more particularly, to an improved form of the elements intended to enlarge the exchange surface in heat exchangers of the plate type.
A heat exchanger of a conventional type for two ducted fluids has metal trays spaced apart to form conduits in some of which a fluid circulates for the transmission of heat, through the walls formed by the trays, to another fluid. circulating in adjacent conduits, the conduits intended for the passage of the heating fluid alternating with the conduits allowing the fluid to be heated to pass. The gaps between consecutive trays are closed along two opposite sides for the purpose of closing the fluid circulation conduits.
To increase the efficiency of heat transfer between two fluids through the walls of the ducts, they are frequently provided with surface enlarging elements in the form of fins. fluids. The present invention contemplates improvements to the surface enlargement elements in the form of pre-shaped elements mounted between parallel trays and assembled therewith to enlarge the surface of the walls of the conduits formed by the trays. . More specifically, the object of the invention is an improved form of an exchange fin in the form of a discontinuous strip inserted in the fluid line and oriented in the direction of the flow of the fluid.
For the construction of heat exchangers in general, and more particularly of exchangers for gas turbines, the assembly should be arranged for counter-current circulation. If it is desired to obtain relatively high yields, for example of 80% and more, countercurrent circulation is the only one which is practically applicable.
The only
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disadvantage is that the manufacturer is not free to choose the most favorable ratio between the frontal surfaces for the two fluids, given that this relation is established in countercurrent and that the frontal surface is common to the two fluids. two fluidso
In a gas turbine installation, heat is exchanged between a gas at approximately atmospheric pressure and a mass of air at a pressure 4 to 5 times that of the outside air. The additional heating surface on the gas side should be a very efficient surface, for example in the form of small fins extending between the widely spaced plates to form the conduits.
The additional heating surface on the air side has heretofore been constituted by a U-shaped element or by grooved plates, usually square, forming continuous strip fins extending between the closely spaced plates. forming the air ducts.
The object of the present invention is to provide a surface enlargement element to replace the continuous strip fins heretofore used on the air side. The resulting surface area provides a higher heat transmission coefficient, and this improvement in heat transmission is even more noticeable in the presence of low loads or partial loads, since the film coefficient decreases in size. due to the 0.8th power with mass velocity for continuous conduits, and roughly due to the 0.65th power for discontinuous conduits.
The invention will be better understood from the following description of the embodiments with reference to the appended drawing in which: FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a heat exchanger in which the walls of the ducts are lined with surface enlarging elements according to the invention. fig. 2 is a partial perspective view on a larger scale of one of the fin elements shown in FIG. 1. fig. 3 is a plan view of a metal blank or strip used for shaping the fin element shown in fig 2. fig 4 is a longitudinal sectional view taken along line 4-4 of fig. fig 1, pipes of the heat exchanger
Figs. 5 and 6 are sectional views showing variations of the fin element.
In fig; 1 of the drawing, 10 and 11 denote two metal plates spaced apart to form a duct 12 intended for the passage of air or of another fluid to be heated which must circulate in spare indirect contact with another fluid, for example a gas hot, passing through the ducts 13 alternating with the air ducts 12 and separated therefrom by the walls formed by the plates 10 and 11. The additional surface extending from the walls 10 and 11 in the duct air 12 is constituted, in accordance with the present invention, by a number of fin elements, generally indicated as 14, aligned side by side in the duct 12, and preferably assembled with the facing surfaces. one from the other of the plates 10 and II delimiting the duct.
Each of these finned elements 14 is formed starting from a metal strip 15, in which slits indicated at 16 in FIG. 3, starting from each longitudinal edge 17 and thus forming tongues which can be bent alternately starting from the two faces of the core or of the central strip 18, in the manner indicated in fig 2.
The tabs 20 are bent upward along opposite edges of the web core 18, and alternating with other tabs 21 bent down. The end edges of all the tabs are bent to be parallel to the web 18 and to form side flanges 22 perpendicular to the tabs 20. These flanges 22 form a kind of gripping feet.
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support on the surface of plates 10 and 11. @
For the construction of a heat exchanger cell, several finned elements 14 of the type shown in FIG. 2, between the two plates 10 and 11 forming the walls of the exchange cell.
The elements 14 are mounted on the plate 11 so that the edges 23 of the side flanges 22 of the consecutive elements 14 touch each other in the manner shown in figo la The plate 11 is then placed on the elements 14 joined together o The elements at the end edges plates 10 and 11 can be spot welded to these plates before the brazing of all the finned elements with the trays 10 and 11. Before the brazing, of course, strips of solder or similar metal are inserted. between the feet 22 and the plates 10, 11 during assembly.
The relative proportions of the core 18 of the finned element 14 and of the tabs 20, 21 are chosen such that the hydraulic diameter of each of the passages a (FIG. 1) between two tabs 20 or 21 of a particular element is equal to the hydraulic radius of the corridor b formed between two consecutive elements 14 by the spacing of the latter with the aid of the lateral flanges 22.
On the gas side of the trays 10, 11, the additional surface can be formed in the conduits 13 by the strips 30 of corrugated rods. In a heat exchanger composed of several cells of the type which has just been described, the lateral sides of the ducts are blocked by plates 31. If the gas circulates in the ducts 13 countercurrent with the air in the ducts 12, the corresponding intervals between consecutive cells are obstructed in the usual manner along the lateral sides by further plates 32.
In the embodiment shown in fig. 5, the Orne 33 of each finned element has portions 35 and 36 which are alternately raised and lowered, so that the surface of the core is either discontinuous or not flat in the direction of gas flow. which prevents the formation of a boundary layer along the longitudinal surface of the core 33.
The finned element 34 shown in fig. 6 is similar to that of fig. 1, except that the tabs are bent in a V and not in a U as in the first example.
The finned elements 14 as just described allow the construction of a more balanced heat exchanger if used with other additional and highly efficient surfaces on the other side of the partition wall. , which results in a path of shorter length inside the exchanger. The elements 14 automatically ensure the spacing. The cell can be filled with these elements, and the end elements can be spot welded to the platens before soldering. Folding of the material is reduced to a minimum.
A usual surface formed by U-sections or by corrugated sheets has a folding proportion of 50%, that is to say that half of the surface is in contact with a corresponding part of an element to be folded. fins, so that the thickness of the metal is doubled in those areas which in total extend over half the surface of the trays. The surface created according to the invention exhibits only 16 to 17% folding.
A further advantage is that an elongated discontinuous fin member can be manufactured without the significant loss of material resulting from cutting continuous longitudinal fins to produce discontinuous fins. In this case, the only very small loss of material is that which results from the slits 16.