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ECHANGEUR DE CHALEUR A TUBES ONDULES.
On sait que les échangeurs de chaleur entre deux fluides appartiennent généralement à deux types : l'un, dit de type tubulaire, est constitué par des tubes rectilignes, pourvus ou non d'ailettes, intérieurement parcourus par un des fluides, tandis que l'autre fluide circule extérieurement, parallèlement ou perpendiculairement aux axes des tubes, l'autre, dit de type lamellaire, est constitué par des empilages de tôles dont les intervalles sont alternativement parcourus par l'un et l'autre fluide entre lesquels il s'agit d'échanger de la chaleur. Il a été proposé d'onduler les tôles constituant les cloisons séparatrices de manière que les parcours offerts, tant à l'un qu'à l'autre fluide, donnent lieu à des changements de direction, de vitesse et de pression du courant fluide, qui sont de nature à améliorer l'échange de chaleur.
Les appareils tubulaires sont naturellement plus robustes et résistent plus aisément aux chocs et aux pressions tandis que les appareils à lames de tôle sont généralement plus satisfaisants sous le rapport du rendement, du fait des ondulations.
La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur dont la particularité consiste en ce que, pour obtenir les avantages des deux types d'échangeurs ci-dessus indiqués, il est constitué par des nappes de tubes qui sont ondulés. Dans un premier mode de réalisation, les tubes sont ondulés dans un plan transversal à la nappe, et par conséquent aux couloirs ménagés entre lesdites nappes ou rangées de tubes et où circule, en général à contre-courant, la majorité du fluide extérieur aux tubes.
Dans une variante de réalisation, les tubes peuvent être ondulés dans le
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plan de la nappe, et l'ensemble de la nappe est à son tour ondulé dans un plan transversal aux couloirs entre nappes où circule le fluide extérieur. Cette réalisation est particulièrement indiquée dans le cas où le fluide intérieur et le fluide extérieur circulent à courants croisés.
Les tubes peuvent être lisses et presque jointifs ou munis d'ailettes longitudinales, axiales ou tangentielles, un même appareil pouvant éventuellement comporter ces deux types de tubes. Les tubes sont disposés en rangées parallèles, éventuellement en quinconce, c'est-à- dire qu'ils sont décalés d'une rangée de tubes à la suivante. Ces nappes ou rangées de tubes reproduisent une sorte de cloison correspondant à la cloison qui était constituée par une tôle dans les échangeurs à lames.
Cette disposition présente les avantages suivants
D'une part, elle résiste plus aisément aux chocs et aux hautes pressions; et, d'autre part, du fait que l'on peut donner aux tubes des ondulations judicieuses on peut adopter les ondulations qui, dans le cas des échangeurs à lames, conduisent à un rendement plus favorable.
En outre, et contrairement à ce qui a lieu dans le cas des échangeurs à lames, les nappes de tubes séparant les couloirs principaux dans lesquels circule le fluide extérieur, au lieu d'être rigoureusement imperméables au fluide extérieur comme dans le cas de la lame des échangeurs à lames, peuvent être semi-perméables et permettre éventuellement au fluide extérieur de passer d'un couloir entre nappes vers les couloirs voisins, ce qui assure une meilleure utilisation de la surface des tubes, améliore par conséquent le rendement de l'échangeur, et empêche en outre l'accumulation des cendres entre les tubes. La disposition permet un soufflage transversal pour chasser ces dép8ts, s'il y a lieu.
La forme générale des ondulations prévues pour les tubes, conformément à l'invention, peut être quelconque symétrique ou asymétrique.
Il est cependant spécialement prévu d'adopter des ondulations asymétriques, c'est-à-dire comportant une longue branche suivie d'une branche nettement plus courte. L'angle au sommet de l'ondulation sera dans ce cas nettement supérieur à 90 , et l'angle de la branche la plus courte avec le plan général d'une rangée de tubes sera inférieur à 60 .
La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple, fera mieux comprendre la façon dont l'invention peut être réalisée.
La fig. 1 représente schématiquement, en coupe verticale, un échangeur à tubes ondulés dans un plan transversal à la nappe.
La fige '2 est une vue de détail à angle droit du collecteur et d'un raccord amenant le fluide intérieur à l'entrée d'une nappe de tubes.
La fig. 3 est une coupe par III-III de la fig. 1.
Les fig. 4 et 5 sont des coupes analogues à la fig. 3, dans le cas de variantes de réalisation comportant des tubes à ailettes, la fig.
4 représentant un casier de section rectangulaire.
La fig. 6 est une variante de réalisation et montre en plan une nappe de tubes ondulés dans le plan de la nappe.
La fig. 7 est une coupe par 7-7 de la fig. 6.
La fig. 8 représente une nappe amovible de l'échangeur de chaleur, subdivisée en deux portions, dans le cas d'une forme en "U" de la nappe.
La fig. 9 est une coupe par II-II de la fig. 8.
La fig. 10 représente une variante de réalisation dans le cas d'une forme en S de la nappe.
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L'échangeur de chaleur est constitué par des nappes de tubes a, disposés suivant des rangées b1,b2 ....bn (fig. 3). Dans chaque nappe, les tubes, lorsqu'ils sont lisses, peuvent être presque jointifs, comme on le voit fig. 3. Ces tubes sont, conformément à l'invention, ondulés en c, d, dans un plan transversal au plan de la nappe. On n'a représenté fige 1 qu'un nombre réduit d'ondulations et un nombre réduit de ran- gées de tubes pour la clarté du dessin.
Chaque rangée de tubes b1,b2 ...bn est connectée, à l'entrée comme à la sortie, à un raccord e1, f1, e2, f2 etc.,, qui est commun tous les tubes d'une même rangée. L'ensemble des raccords d'entrée e1, e2 ...en débouche dans le collecteur général d'entrée ± du fluide intérieur tandis que, à la sortie, les raccords il , f2...fn sont réunis au collecteur de sortie h du fluide intérieur.
L'ensemble est contenu dans une enveloppe 1 à laquelle est raccordé le collecteur j d'entrée du fluide extérieur etle collecteur k de sortie du fluide extérieur.
Les tubes, au lieu d'être lisses, comme représenté fig. 3, peu- vent être pourvus d'ailettes longitudinales, soit diamétrales, comme on le voit fig. 4, soit tangentielles.D'une rangée b1 à la suivante b2, les tubes sont de préférence décalés de façon à être disposés en quinconce, com- me on le voit sur la figure 4, de manière à diminuer la hauteur des inter- valles ou couloirs entre deux rangées consécutives b1 b2.
On peut également combiner des tubes à ailettes longitudinales avec des tubes lisses, comme représentépar exemple fig. 5, où l'on fait alterner, dans chaque rangée de tubes b1 b.., des tubes à ailettes tan- gentielles a1 avec des tubes lisses a2.
Les ondulations prévues sur les tubes a peuvent recevoir toute forme voulue et en particulier être symétriques ou asymétriques. Dans une forme de réalisation préférée, ces ondulations sont asymétriques, comme représenté fig. 1, c'est-à-dire que chaque ondulation présente une bran- che longue AB suivie d'une tranche courte BC. L'angle au sommet en B est notablement supérieur à 90 , et l'angle que fait la branche courte BC, la plus inclinée sur le plan de la nappe de tubes b1,est inférieur à 60 .
Avec cette disposition, le fluide intérieur circulant dans chaque tube se trouve soumis à des changements de direction et, éventuelle- ment, des changements de vitesse et de pression qui assurent comme on le sait l'arrachement ou l'écrasement de la pellicule fluide qui tend à adhé- rer à la paroi interne du tube et nuit à l'échange de chaleur.
Le fait que, lors de la fabrication de l'ondulation du tube, il peut se produire un léger écrasement du tube en B se trouve favorable, parce que la diminution de section ainsi réalisée forme une sorte de conver- gent-divergent oui accentue les changements de vitesse et de pression du fluide circulant à l'intérieur du tube.
Entre les nappes successives b1 b2... bn de tubes ainsi on- dulés, se trouvent ménagés les couloirs parcourus de préférence à contre- courant par le fluide extérieur dans le sens des flèches. Le fluide exté- rieur qui circule dans ces couloirs se trouve également soumis, du fait des ondulations des nappes, à des changements de direction, de vitesse et de pression qui sont favorables à l'échange de chaleur.
En outre, les sortes de cloisons constituées par chaque nappe de tubes b , b ...b n' étant pas rigoureusement imperméables au fluide extérieur, comme dans le cas d'une lame, puisque le fluide peut passer entre les tubes presque jointifs constituant la nappe, ou entre les ailettes presque jointives lorsqu'il s'agit de tubes à ailettes, il peut y avoir passage du fluide
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extérieur d'un des couloirs ménagés entre deux nappes consécutives dans les couloirs voisins, ce qui favorise encore l'échange de chaleur et présente en outre l'avantage d'empêcher l'accumulation des cendres ou autres scories dans les intervalles entre tubes, en permettant au besoin un soufflage transversal.
En principe, le fluide extérieur passe dans les couloirs entre nappes dans un sens parallèle à l'axe des tubes.
Dans le cas où les fluides qui échangent leur chaleur circulent à courants croisés, on peut utiliser le mode de réalisation représenté schématiquement fig. 6 et 7. Dans ce cas, les tubes jointifs a constituant une nappe bl sont ondulés comme on le voit fig. 6 dans le plan de ladite nappe b et l'ensemble de la nappe b est, comme on le voit en coupe fige 7 lui-même ondulé grâce à une ondulation convenable des collecteurs e1 f1 e2 f2 etc... sur lesquels sont raccordés les tubes a de manière que les couloirs ménagés entre les nappes consécutives b1 b2-, etc.. (fig. 7) as- surent du fait des ondulations des changements de direction de vitesse et de pression du courant de fluide extérieur.
Cette disposition permet, com- me on le voit dans le cas de fluides circulant à courants croisés dans le sens des flèches F1 pour le fluide intérieur, F2 pour le fluide extérieur, d'assurer aussi bien pour le fluide intérieur Fl qui circule à l'intérieur des tubes a que pour le fluide extérieur F2 qui circule perpendiculairement au premier dans les couloirs entre nappes bl b2, les avantages des ondulations.
Les raccords ou répartiteurs d'entrée e1, e2, e3 et d'autre part les raccords ou répartiteurs de sortie il , f2, f3 au lieu d'être sou- dés aux collecteurs g h peuvent être montés de façon amovible sur des pla- ques tubulaires d'entrée 1 et de sortie m .
On constitue ainsi l'échangeur avec des nappes de tubes amovi- bles. Dans le cas où une nappe serait trop lourde et de manipulation diffi- cile, elle est subdivisée comme on le voit fig. 8 en deux parties, une partie " extérieure" formée par les tubes a et les répartiteurs e ou f , et une partie "intérieure" formée par les tubes a assemblés aux raccords e1, f1.
La forme générale de la nappe est celle d'un U parce que les plaques tubulaires d'entrée 1 et de sortie m sont disposées sur le même coté de l'appareil.
Le fluide qui circule à l'intérieur des nappes entre dans le sens des flèches A et sort dans le sens des flèches B. Le fluide qui cir- cule à l'extérieur entre les nappes entre, par exemple, dans le sens des flèches C et sort dans le sens des flèches D.
A l'intérieur des répartiteurs e, e1 f f1, sont prévues de pré- férence des cloisons n , qui ont pour effet d'assurer la répartition du flui- de intérieur entre les tubes a de la nappe.
On voit que, avec la disposition adoptée sur la fig. 8, le tra- jet du fluide intérieur dans la. portion "intérieure" de nappe el , al,f1 est plus court que dans la portion "extérieure" de nappe e, a f. Pour que la température du fluide qui sort des deux portions dans le sens des flèches B soit néanmoins la même, il est alors prévu de modifier les sec- tions des répartiteurs e1 et e A cet effet, comme on le voit fig. 9, la plaque tubulaire 1 qui correspond à la portion "extérieure " e a f présen- te des ouvertures 52 de superficie nettement supérieure à celle des ouvertures o1, de la plaque inférieure 1 auxquelles correspondent les répartiteurs e1.
Il en résulte des variations de débit dans l'écoulement du flui- de intérieur et:une circulation plus rapide dans la portioi "extérieure" de la nappe qui offre le plus long trajet au fluide tandis que la circula- tion dans la portion "intérieure" est plus lente. On arrive ainsi à égali- ser les températures du fluide intérieur à la sortie des portions e a f
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d'une part et e1, a1 f1, d'autre part.
Il est bien entendu que chacune des plaques tubulaires 1 , l1 ou m , m1, au lieu d'être en deux pièces pourrait être en une seule pièce.
Dans le cas où les plaques tubulaires ne sont pas situées du même cote de l'appareil, mais sur deux faces opposées, la forme générale de la nappe est celle d'un S comme on le voit fig. 10. La sncore, les ouvertures ménagées dans les plaques tubulaires 1 , 1 , ou m, m1 sont tel- les que la température du fluide à la sortie (flèche B) soitla même pour la portion de nappe e a f et pour la portion e1 a1 f1.
Il va de soi que des modifications de détail peuvent être ap- portées à la réalisation de cette invention sans pour cela sortir de son cadre.
REVENDICATIONS
1 ) Echangeur de chaleur entre deux fluides comportant des nap- pes de tubes intérieurement parcourus par un fluide intérieur tandis qu'un fluide extérieur, échangeant sa chaleur avec le premier, circule dans les intervalles ou couloirs ménagés entre les nappes de tubes, caractérisé en ce que les tubes, jointifs ou presque jointifs qui constituent les nappes, sont ondulés.
2 ) Echangeur de chaleur comme spécifié sous 1 ) caractérisé en ce que les tubes sont ondulés dans un plan transversal au plan de la nappe et que la circulation des fluides s'effectue de préférence à contrecourants parallèles.
3 ) Une variante de l'échangeur spécifié sous 2 caractérisée en ce que les tubes sont ondulés dans le plan de la nappe, celle-ci étant à son tour ondulée, la circulation entre fluides s'effectuant alors à courants croisés.
4 ) Echangeur de chaleur comme spécifié sous 1 ) à 3 ) caractérisé en ce que les tubes peuvent être en tout ou partie munis d'ailettes longitudinales qui peuvent être axiales ou tangentielles, et en ce que ces tubes à ailettes sont alors disposés de préférenc en quinconce, d'une nappe à la suivante.
5 ) Echangeur de chaleur comme spécifié sous 1 ) à 3 ) caractérisé en ce que les ondulations prévues sur les tubes ou sur les nappes de tubes peuvent être symétriques et, dans ce dernier cas, l'angle au sommet de l'ondulation est nettement supérieur à 90 tandis que l'angle que fait la branche la plus courte de l'ondulation avec le plan de la lampe estinférieur à 60 .
6 ) Echangeur de chaleur comme spécifié sous 1 ) caractérisé en ce que les nappes de tubes sont montées de façon amovible sur les plaques tubulaires d'entrée ou de sortie, chaque nappe étant éventuellement subdivisée en deux ou plusieurs portions en vue de faciliter sa manipulation.
7 ) Echangeur de chaleur spécifié sous 6 ) caractérisé par 1, adaptation des sections des répartiteurs d'entrée ou de sortie de chaque portion de nappe à la circulation des fluides dans l'échangeur, de façon que la température du fluide intérieur à la sortie des différents portions soit la même.
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