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L'invention est relative à des échangeurs de chaleur du genre de ceux comportant un empilage de plaques écartées les unes des autres de manière à former plusieurs passages,en forme de gaufre, panai lesquels un premier groupe comprend des passages alternés communiquant avec des conduits d'entrée et de sortie primaires pour un fluide primaire et parmi lesquels un deuxième groupe comprend un ou plusieurs passages intercalés entre ceux du premier groupe et communiquant avec des conduits d'entrée et de sortie secondaires pour un fluide secondaire.
L'emplacement des conduits et/ou la forme interne des passages peuven être tels que les fluides primaire et secon- daire traversent l'échangeur de chaleur en contre-courant pour assurer l'échange de chaleur depuis un desdits fluides à l'autre '.
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Pour des volumes doués des deux fluides: qui se tr ou- vent dans les passages de l'échangeur de chaleur, la vites@e. de la chaleur maximum du transfert/d'un, fluide à l'autre est obtenue quand on.rend ces passages aussi étroits et, par conséquent, aussi nombreux que possible (de manière à donner aux plaques ou cloi- sons,qui séparent les passages et par lesquelles la conduction. de la chaleur peut se faire, une étendue aussi grande que possible).
Toutefois, la résistance à l'écoulement dé chaque fluide augmente à mesura que les passages sont rendus plus étroits, de sorte que, pour une différence de pression donnée pour les fluides entre les conduits d'entrée et de sortie, pour des conditions de température (et par conséquent des vis- cosités) et pour des matériaux constructifs donnés, il existe une largeur optimum des passages pour laquelle on obtient le transfert maximum de chaleur d'un fluide à l'autre.
Dans plusieurs cas ces.conditions . permettent d'adopter une largeur optimum très réduite pour les passages, une va- leur typique étant de 1,25 mm. Par ailleurs, les plaques,uti- lisées pour la construction de l'échangeur de chaleur, doivent être aussi minces que possible mais avoir la résistance néces- saire pour éviter la déformation permanente par l'effet des pressions de travail des fluides, de manière à réduire autant que possible la résistance thermique au transfert de la chaleur, à faire des économies de matériaux et à diminuer l'encombre- ment de l'échangeur.
La fabrication d'un échangeur de chaleur satiefaisant, en tenant compte de ces considérations, est difficile pour plusieurs raisons,
Par-exemple, on a proposé d'adopter une disposition dans laquelle les plaques alternées sont soudées ensemble direc-
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tement et d'une manière continue le long de leurs périphéries de manière à former un groupe de passages, l'autre groupe de passages étant constitué par les intervalles existant entre les plaques qui ne sont pas soudées entre elles périphérique- ment.
Pour cette disposition, l'accès à l'intérieur du premier groupe de passages est obtenu en ménageant au préalable, dans les plaques en question, des trous qui traversent celles-ci et se trouvent dans les parties surélevées de ces plaques, c'est-à-dire dans les parties en retrait quand elles sont vues depuis l'intérieur desdits passages.
L'assemblage et la fixation des plaques les unes aux autres, dans cette disposition, sont obtenus en soudant dos à dos les parties surélevées, dans lesquelles sont ménagés les trous, de sorte que l'ensemble des trous se trouvant en re- gard les uns des autres forme. des conduits collecteurs ou distributeurs constituant les conduits d'entrée et de sortie du fluide qui doit traverser le premier groupe de passages.
Ensuite, ces pièces soudées sont assemblées dans les positions qu'elles sont obligées d'occuper dans l'échangeur de chaleur et le soudage périphérique est effectué pour les plaques qui doivent être réunies de cette manière.
Un inconvénient de cette disposition est qu'elle né- cessite la présence de joints soudés à l'intérieur des conduits d'entrée et de sortie, de sorte qu'une fuite existant ou s'a- grandissant après .la fabrication serait très difficile, voire impossible,à détecter ou à réparer.
Une autre difficulté est que le soudage, à effectuer aux périphéries des plaques, est rendu malaisé, les intervalles entre les plaques étant très petits, de sorte qu'il est diffi- cile d'introduire des outils à souder dans.ces intervalles.
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L'invention a pour but de réaliser une construction nouvelle et perfectionnée d'un échangeur de chaleur et un pro- cédé de fabrication de celui-ci par lesquels une ou plusieurs de ces difficultés sont écartées ou diminuées.
Selon un aspect de l'invention, celle-ci a pour objet un échangeur de chaleur du genre spécifié dans lequel les pa- rois,délimitant latéralement les passages, .sont formées cha- cune par un ou plusieurs organes d'écartement qui s'étendent le long du périmètre du passage et forment un joint étanche par rapport aux plaques opposées dudit passage en étant soli- daires de celles-ci ou en étant maintenus en contact serré avec celles-ci, ce ou ces organes d'écartement comprenant, en des endroits nécessaires de leur longueur, des trous ou ou- vertures établissant la communication entre ce passage et les conduits d'entrée et de sortie de celui-ci.
Pour faciliter la description donnée ci-dessous, on va admettre qu'un seul organe d'écartement est établi entre chaque paire adjacente de plaques , mais il est bien entendu que, pour n'importe quel mode de réalisation ou pour n'importe quel procédé de fabrication décrit ci-après, on peut utiliser plusieurs organes d'écartement au lieu d'un seul, ces organes étant écartés les uns des autres ou reliés entre eux suivant que l'on désire laisser subsister un intervalle entre eux ou former une délimitation continuellement étanche à l'endroit où le joint est formé.
Sans sortir des limites de protection de l'invention, on peut constituer l'organe d'écartement, adjoint à une paire particulière de plaques, par une partie du pourtour d'une des plaques, cette partie étant pliée ou façonnée autrement de ma- nière à faire saillie dans une direction perpendiculaire ou à
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peu près, au plan de la plaque dont elle est solidaire afin qu'elle puisse remplir sa fonction d'organe d'écartement.
Par exemple, on peut plier ou déformer autrement une des plaques de chaque paire à sa périphérie pour former une bride qui se trouve dans un plan perpendiculaire ou à peu près au plan de la plaque, le bord libre de cette bride étant plié.à son tour de manière à être parallèle ou à peu près au plan de la plaque tout en formant une surface qui .peut être mise en contact avec la partie marginale ou périphérique de l'autre plaque de la paire susdite à laquelle ledit bord libre peut alors être relié d'une manière étanche, de la façon susindiquée.
Suivant une variante, les deux plaques d'une paire peuvent comporter des 'organes d'écartement qui en sont solidaires et ont, en substance, la forme décrite plus haut, ces organes faisant saillie sur les plaques dans des directions telles qu'ils puissent coopérer avec entre eux ou/la partie marginale de l'autre plaque de ladite paire pour former un joint étanche.
Selon un mode de réalisation préféré d'un échangeur de chaleur du genre spécifié établi selon l'invention, les plaques sont reliées à des organes d'écartement structurelle- . ment séparés et intercalés entre les parties marginales ou opposées périphériques/desdites plaques, ces organes d'écartement com- prenant des trous ou des ouvertures aux endroits nécessaires de leur longueur, ces trous ou ouvertures étant formés en en- levant des parties des organes d'écartement, après que ceux-ci ont été rendus solidaires des plaques, pour établir la commu- nication entre chacun des passages et les conduits d'entrée et de sortie adjoints à ce passage.
La liaison entre les plaques et les organes d'écarte- ment peut se faire à l'aide d'une substance adhésive intermé-
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diaire, come, par exemple, dans le cas ou les températures auxquelles l'échangeur de chaleur doit fonctionner sont suf- fisamment basses pour que les propriétés collantes de la substan.. ce adhésive ne soient pas diminuées. De préférence, ces plaques sont reliées entre elles par fusion. Le procédé de fusion peut nécessiter l'intervention d'un métal séparé, par exemple pour le soudage, le brasage et un autre genre de soudure,ou la fu- sion peut se faire directement entre les plaques et les or- ganes d'écartement eux-mêmes.
Pour un échangeur de chaleur dans lequel des fluides primaire et secondaire sont obligés de s'écouler en contre- courant, le conduit d'entrée primaire et le conduit de sortie secondaire peuvent être établis à une extrémité de l'ensemble des plaques et le conduit de sortie primaire ainsi que le con- duit d'entrée secondaire peuvent être placés à l'autre extré- mité de cet ensemble.
Sous un autre aspect, l'invention a pour objet un procédé pour fabriquer un échangeur de chaleur du genre spé- cifié, ce procédé consistant à empiler les plaques faisant par- tie de cet échangeur, des organes d'écartement, placée le long de la périphérie de l'empilage, délimitant latéralement les passages formés entre les plaques; à relier les plaques aux organes d'écartement; et à enlever des parties de chaque or- gane d'écartement pour former des trous ou des ouvertures don- nant accès à l'intérieur de chaque passage..
Comme indiqué plus haut, la liaison entre les plaques et les organes d'écartement peut être effectuée à l'aide d'une substance adhésive ou par fusion.
Les plaques et les organes d'écartement peuvent être serrés temporairement les uns contre les autres pendant que le
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soudage a lieu le long des fissures formées entre les parties marginales des plaques et les faces des organes d'écartement adjacentes à ces plaques. Les organes d'écartement peuvent être assemblés de manière telle que les bords des plaques fassent nettement saillie sur les faces extrêmes des organes d'écartement adjacents pour fournir ainsi une quantité de mé- tal en excès servant à former le joint soudé.
Le soudage peut se faire par le procédé de soudure connu de l'arc à l'argon sans faire intervenir de métal d'apport séparé.
Suivant une variante, la liaison entre les organes d'écartement et les plaques peut se faire en plaçant l'ensem- ble dans un four après que les faces contigües des organes d'écartement et/ou des plaques ont été recouvertes d'un métal qui se liquéfie à la température du four, afin que la liaison nécessaire soit obtenue,
Selon une variante ou en supplément, ce métal peut être appliqué, à l'état liquide, sur les fissures susdites de manière à pouvoir être amené aux endroits voulus par l'ef- fet des forces capillaires.
De préférence et.conformément à l'invention, l'enlè- vement d'une partie de la matière formant les organes d'écar- tement, pour constituer les trous ou les ouvertures, a lieu en agissant sur la matière à l'aide de moyens ne produisant pas, par. eux--mêmes; un effort résultant tendant à déplacer l'ensemble. L'enlèvement de la matière peut, conformément à l'invention, ae faire à l'aide d'une scie, d'une fraise ou d'un autre outil abrasif, ce qui oblige à maintenir l'ensemble dans une sorte d'étau ou autre dispositif de retenue, de sorte que, nécessairement, un certain .effort est transmis, par l'in-
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termédiaire de l'ensemble, depuis l'endroit où l'outil agit jusqu'aux endroits où l'étau ou le dispositif de retenue est en contact avec ledit ensemble.
Cet effort peut produire des sollicitations concentrées particulièrement élevées, plus spé- cialement à proximité de l'endroit où la matière doit être en- levée.
Une méthode particulièrement avantageuse d'enlèvement. de cette manière, de la matière des organes d'écartement est l'usinage avec production d'étincelles en présence d'un fluide propre à refroidie la zone dans laquelle la matière est enle- vée et pour entraîner la matière enlevée à partir de cette zone. L'usinage avec production d'étincelles est, d'une maniè- re générale, une méthode connue, mais son application à l'ob- jet de l'invention est nouvelle.
Un autre but de l'invention est de réaliser un échan- geur de chaleur du genre spécifié, dans lequel les risques dA déformation permanente des plaques, en des points se trouvant à l'intérieur de l'échangeur, sont réduits au minimum.
Conformément à l'invention, les plaques ou des plaquai alternées d'un échangeur de chaleur du genre spécifié compor- tent des organes d'écartement s'étendant entre les plaques adjacentes aux n@@uds d'un treillis à mailles triangulaires.
Le treillis peut être formé par des triangles équi- latéraux ou des triangles pour lesquels le rapport entre le plus grand et le petit côté ne dépasse pas 2:1, la forme pré- férée étant celle d'un triangle équilatéral.
Suivant un autre aspect de l'invention, celle-ci a pour objet un échangeur de chaleur du genre spécifié dans le- quel les plaques comportent plusieurs rangées d'organes d'écar- tement s'étendant chacune en travers de la hauteur des passages
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entre des parties correspondantes opposées des plaques, les rangées étant parallèles ou à peu près à la direction générale de l'écoulement du fluide au travers des passages et les orga- nes d'écartèrent de chaque rangée étant, dans leur ensemble, décalés longitudinalement par rapport aux éléments correspon- dants de la ou des rangées adjacentes.
L'écartement, dans le sens latéral, entre les rangées supérieur à deux fois et peut ne pas être/inférieur à la moitié de l'écartement (ou de l'écartement moyen) entre les organes d'écartement faisant partie de chacune des rangées considérées.
Les organes d'écartement entre chaque paire de plaques peuvent être reliés à une des plaques. Ils peuvent être consti- tués par des parties localement déformées de la plaque dont ils sont solidaires.
Afin que la portée de l'invention puisse être nette- ment définie, les longueurs des côtés des triangles équilaté- raux ou sensiblement équilatéraux, dont question plus haut, ainsi que l'intervalle entre les organes d'écartement faisait partie d'une rangée de ceux-ci doivent être considérés comme désignant la distance comprise entre les axes de ces organes d'écartement (s'ils ont une section transversale circulaire) ou la distance comprise entre les lignes centrales de ces élé- ments (s'ils sont autres que circulaires mais ont une section transversale symétrique) ou la distance comprise entre les li- gnes passant par le centre de gravité des sections transversa- les des éléments (s'ils ont une section transversale non symé- trique). Pour faciliter la description, ces lignes sont dési- gnées ci-après comme étant des "lignes centrales".
De même, pour que la portée de l'invention puisse être clairement définie, l'écartement, dans le sens latéral, entre
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les rangées adjacentes des organes d'écartement doit être considéré comme désignant l'écartement latéral entre les lignes passant par les centres de ces éléments (si les lignes centra- les sont colinéaires dans chaque rangée) ou l'écartement entre les lignes longitudinales de symétrie pour les rangées considé- rées (si les lignes centralesdes organes sont décalées, c'est- à-dire si certaines se trouvent d'un côté d'une telle ligne et certaines de l'autre côté de celle-ci) .
Les organes d'écartement peuvent être creux. Quand ils sont obtenus par déformation d'une des plaques, ils peuvent avoir une forme tronconique et toute autre.forme à section décroissan- te, leur section transversale dont la dimension est plus grande se trouvant à l'endroit où l'organe d'écartement est lié à la partie principale de la plaque considérée. Une conicité., ' satisfaisante des organes d'écartement tronconiques)ou de ceux ayant une autre forme à section décroissante, est d'en- viron 60 .
Tout en étant solidaires d'une des plaques, les orga- nes d'écartement n'ont pas besoin d'être fixés, d'une manière quelconque, à l'autre plaque se trouvant au côté opposé du passage au travers duquel ces organes s'étendent car on a consta- té qu'un raidissement satisfaisant,des zones des plaques loca- lisées dans les espaces triangulaires délimités par les lignes reliant les centres des organes d'écartement, est obtenu quand l'autre desdites plaques est simplement en contact avec les extrémités libres des organes d'écartement ou repose sur celles - oi.
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Les organes d'écartement peuvent être prévus sur les deux faces de chaque plaque (excepté, le cas échéant, pour les plaques externes de l'ensemble) dont ils sont solidaires,
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les organes d'écartement établis sur les faces opposées des plaques adjacentes et orientés les uns vers les autres se trouvant en des endroits en regard, de sorte que les extré- mités libres de ces organes d'écartement sont en contact les unes avec les autres.
Si les organes d'écartement doivent intervenir à un degré important pour faciliter le transfert de la chaleur du fluide primaire au fluide secondaire, ils peuvent avoir une section transversale pleine ou l'épaisseur de la paroi peut être plus grande que celle de la partie principale de la pla- que dont ils sont solidaires, En adoptant cette disposition, qui peut être utilisée dans les cas où les fluides eux-mêmes ont une conductibilité thermique faible, une fraction impor- tante de la chaleur peut être transférée par les organes d'é- cartement eux-mêmes .
On a découvert, en pratique, que la distance entre les centres des organes d'écartement est avantageusement de l'or- dre de huit à douze fois-le rayon de ces organes dans le cas où ceux-ci ont une section transversale circulaire, le rayon étant mesuré à l'endroit où l'organe d'écartement en question est lié à la plaque ou à proximité de cet endroit.
Quand les organes d'écartement ont une section autre que circulaire, on croit qu'on peut adopter une valeur analo- gue pour la distance susdite mais, dans ce cas, la valeur moyenne du vecteur radial tracé depuis le centre de la section . transversale de l'organe d'écartement jusqu'à la périphérie de celui-ci doit être utilisée à la place du rayon susdit.
Une valeur préférée pour le rapport entre ladite dis- tance et ledit rayon ou vecteur radial est égale à 10 ou environ 10.
L'absence de joints soudés, à l'intérieur de l'échan-
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geur de chaleur, entre les organes d'écartement faisant res- pectivement partie de plaques adjacentes ou entre les organes d'écartement d'une plaque et une autre plaque, écarte ou ré- duit les risques de fuites par ces joints soudés, au cas où ceux-ci seraient formés d'une manière imparfaite, tout en sim- plifiant notablement et en réduisant considérablement les frais de fabrication de l'échangeur de chaleur.
On a constaté en pratique que l'établissement des organes d'écartement aux endroits des noeuds d'un treillis à mailles triangulaires, plus spécialement quand celles-ci sont ' formées par des triangles équilatéraux ou par des triangles ayant la forme décrite plus haut, procure une résistance beau- coup plus grande à la déformation des parties intermédiaires des plaques, par l'effet d'une pression interne donnée, que dans le cas où les plaques comportent des nervures continues écartées les unes des autres d'une distance correspondante (égale à 0,866 de la distance comprise entre les centres d'une maille triangulaire équilatérale).
Le dessin ci-annexé montre, à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'invention.
La fig. 1 montre, en plan (parties en coupe), un échan- geur de chaleur établi selon un mode de réalisation de l'in- vention.
La fig. 2 montre, à plus grande échelle et en coupe suivant 2-2 fig. 1, ce même échangeur.
La fig. 3 montre, semblablement mais en coupe suivant
3-3 fig. 1; ce même échangeur. la fig. 3 montrant également des phases pour le soudage de certains des organes d'écartement aux plaques de l'échangeur de chaleur (les conduits établis à cette extrémité 'de l'échangeur ne sont pas montrés) .
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La fig. 4 montre, semblablement à la fig. 3, une va- d'un groupe riante suivant laquelle seulement les plaques elternées/com- portent des organes d'écartement solidaires de celles-ci,'alors que les plaques alternées de l'autre groupe ont une"forme plane.
La fig. 5 montre, semblablement à là fig. 3, une autre variante pour laquelle on utilise des organes.d'écartement, ayant une section transversale pleine, .,ces organes étant soudés aux'plaques correspondantes.
L'échangeur de chaleur, montré sur le dessin, est cons- titué par plusieurs tôles métalliques 10 écartées les unes des ' autres de manière à former plusieurs passages étroits 11,12.
A titre illustratif, on a admis que l'échangeur de chaleur montré comporte quatre passages, mais il est bien entendu qu'en pratique le nombre de ces passages peut être beaucoup plus grand, un échangeur de chaleur typique pouvant comporter, par exemple, de quarante à cinquante passages.
De plus, pour rendre le dessin plus clair, on a exagéré fortement la hauteur'de ces passages.par rapport à l'épaisseur des tôles, cette épaisseur pouvant être de l'ordre de 0,3 mm alors qu'une hauteur typique pour ces passages est de 1;25 mm.
L'ensemble des plaques 10 est intercalé entre une paroi d'enveloppe supérieure 8 et.-une paroi d'enveloppe inférieure 9, ces parois ayant une épaisseur notablement plus grande que les plaques 10.
Les plaques 10 ont une forme allongée, c'est-à-dire que leur longueur est plus grande que leur largeur, et.elles ont des bords longitudinaux rectilignes et parallèles 13, alors que les périphéries de leurs parties terminales ont une forme curviligne, avantageusement semi-circulaire, comme montré en 14.
Chacune des plaques 10 est déformée par emboutissage
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(à la presse) de manière à comporter un gradin le long de son pourtour, la partie marginale 15 de la plaque étant rac- cordée à sa partie interne principale par une partie intermé- diaire 16 1 qui en section transversale, -forme un angle obtus avec la partie marginale 15 et avec la partie interne princi- pale de la plaque, cet angle ayant une valeur d'environ 120 , Oe gradin a une double fonction. En premier lieu, il permet que la partie interne principale de la plaque subisse une di- latation superficielle par l'effet des variations de tempéra- ture sans que les joints soudés, existant à la périphérie des plaques et décrits ci-après, subissent des sollicitations ex- cessivement élevées.
En deuxième lieu, il facilite le logement des organes d'écartement, placés latéralement et intercalés entre les plaques comme décrit plus loin.
Pour conserver l'écartement entre les parties internes principales des plaques, ces plaqués sont déformées de manière à former les organes d'écartement 17.
Les organes d'écartement 17 ont une forme tronconique avec une conicité d'environ 60 . Ils font saillie sur la face de la plaque, dont il sont solidaires, sur une hauteur dépen - dant de l'écartement que l'on veut ob'-enir entre les plaques successives. Pour la disposition décrite, la hauteur de ces organes d'écartement peut être de 0,625 mm, mais la hauteur est déterminée par celle que l'on veut donner au passage.
Les organes d'écartement sont constitués de manière à faire saillie sur les deux faces de chaque plaque et leurs extrémités libres, ayant la section la plus petite, sont en contact avec les extrémités libres des organes d'écartement corre.spondants des plaques adjacentes.
Les organes d'écartement, faisant saillie sur chaque
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face d'une plaque, occupent des emplacements tels qu'ils se trouvent aux endroits où sont formés les noeuds d'un treillis à mailles triangulaires, la forme de chaque maille étant, de préférence, celle'd'un triangle équilatéral ouà peu près.
Pour obtenir des résultats optima en ce qui concerne le raidissement des plaques pour empêcher les déformations locales produites par la pression interne sans qu'il en résulta une résistance excessive à l'écoulement du fluide le long des passages formés entre les plaques, on donne aux diamètres des saillies, mesurés à l'endroit où celles-ci sont reliées à la partie interne principale des plaques, une valeur correspondant à environ 1/5 de la longueur du côté du triangle équilatéral formant la maille.
Quand les plaques sont assemblées, comme visible sur la fig, 2, les extrémités libres des organes d'écartement des plaques adjacentes sont en contact mais ne sont pas soudées les unes aus autres.
On a constaté qu'un simple contact entre les extrémités libres des organes d'écartement raidit suffisamment les plaques et empêche les déformations locales des parties des plaques constituées par les éléments triangulaires du treillis.
De plus, la présence des organes d'écartement indivi- duels dans les .passages 11 et 12 provoque des déviations mul- tiples dans la direction d'écoulement du liquide introduit dans ces passages depuis les conduits d'entrée primaire 23 et secon- daire 25, de sorte qu'on obtient un débit uniforme du liquide dans le sens de la longueur des passages sur toute la section trravsversale de ceux-ci, à une distance réduite des conduits d'entrée.
Au lieu de prévoir des organes d'écartement 17 sur
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chaque plaque, ils peuvent se trouver seulement sur des plaques alternées, les plaques alternées de l'autre groupe ayant une forme plane.
Pour la yariante de la fig. 4, sur laquelle les élé- ments correspondant à ceux des fig. 1 à 3 sont indiqués par les mêmes chiffres de référence, on utilise des plaques de deux genres différents.Les plaques 30 d'un groupe comportent des parties centrales principales qui ont une forme plane, alors que les plaques 31 de l'autre groupe sont intercalées entre les plaques 30 et comportent dés organes d'écartement 32 qui font partie intégrante de ces plaques, lesquels ont une forme tronconique tout en faisant saillie sur les deux faces de cha- que plaque 31.
Ces organes sont disposés d'une manière analo- gue à celle prévue pour les plaques 10 avec cette différence que les organes d'écartement 32 ont une hauteur deux fois plus grande que celle des organes d'écartement 17 (dans le cas où l'on veut donner la même hauteur au passage 11).
Pour la variante de la fig. 5 les parties constitutives correspondant à celles de la disposition montrée sur les fig.
1 à 3, sont désignées par les mêmes chiffres de réference mais les plaques 33 comportent .des organes d'écartement 34 ayant une section transversale pleine, en ayant par exemple une forme cylindrique pleine, ces organes étant soudés ou fixés de toute autre manière appropriée aux deux faces de chaque plaque .\ Les organes d'écartement 34 peuvent être disposés de la même manière que les organes 17 mais procurent un chemin conducteur plus efficace pour le transfert de la chaleur au cprps principal de la plaque correspondante 33 que dans le cas des organes d'écartement 17 en ce qui concerne les plaques correspondantes 10 .
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Au lieu de donner aux organes d'écartement 34 une section transversale pleine, ils,,peuvent être à section annu- laire, l'épaisseur de leur paroi étant plus grande que celle des plaques 33. Dans l'un ou l'autre cas, les organes d'écar- tement 34 sont fixés sur les plaques 33 avant que celles-ci soient superposées ou empilées et les liaisons peuvent être soumises à un essai avant l'assemblage des plaques, afin que des défauts ou fuites puissent être aisément décelés.
Ces essais peuvent également être prévus pour la dis- position montrée sur les fig. 1 à 3 pour laquelle les organes d'écartement 17 sont obtenus par des déformations locales des plaques 10, chaque plaque étant soumise individuellement à un essai, en ce qui concerne les fuites, avant l'assemblage.
Il est à noter que les passages n'ont pas nécessai- rement'besoin d'avoir la même hauteur . Par exemple, un grou- pe de passages,reliés aux conduits d'entrée 23 et de sortie 24 primaires, peuvent avoir une hauteur plus grande que celle de l'autre groupe de passages secondaires reliés aux conduits d'entrée 26 et de sortie 27. Dans ce cas, les organes d'écar- tement prévus sur une face d'une plaque, qui sépare des pas- sages. ayant des hauteurs différentes, ont une hauteur plus grande d'un côté de la plaque que ceux qui se trouvent de l'au-' tre cote de celle-ci.
Entre les parties marginales 15 de chaque paire de plaques-est établi un organe d'écartement supplémentaire 18 qui peut être constitué par une lamelle ou baguette ayant une section transversale carrée ou rectangulaire, alors que sa largeur est égale à celle de ces parties marginales 15 ou lé- gèrement inférieure, la partie de liaison oblique 16 formant une butée d'arrêt convenable pour permettre la mise en place
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des organes d'écartement 18 dans des positions convenables. Il est à noter que les organes 18 peuvent avoir des sections trans- versales de forme différente, par exemple annulaires ou en forme de U et, dans ce dernier cas, la partie ouverte de l'U est orientée vers l'intérieur du passage.
Les organes 18 peuvent également être formés par des fils ou tiges ajant une section circulaire.
Les organes d'écartement 18 et les plaques 10 peuvent être constitués par des matières capables d'être liées l'une à l'autre par fusion.
On préfère utiliser des matières pouvant être liées entre elles sans intervention d'une matière d'apport, mais ceci n'est pas essentiel car une matière d'apport de ce genre peut être utilisée.
Pour l'exemple spécifique, décrit ci-dessous, on pro- tous )pose d'utiliser de l'acier inoxydable pour les plaques 10 et/ les organes d'écartement, cet acier ayant la composition usuel- le connue comprenant 73% de fer, 18% de chrome et 8% de nickel.
Cet acier est soumis à une stabilisation de la manière connue (afin qu'il ne devienne pas friable aux .joints soudés) et contient une quantit@ réglée de ferrite de l'ordre de 4 à 6%.
Les t8les peuvent avoir une épaisseur de 0,3 mm.
Il'est à noter que les plaques 10 ont toutes la même Pormo nais, lorsqu'elles sont assemblées de manière telle qu'el- les se trouvent dans les positions qu'elles occupent définiti- vement dans l'échangeur de chaleur, les plaques alternées sont déplacées de 1809 dans leur plan pour que les organes d'écar- tement 17, prévus sur la face supérieure d'une plaque particu- lière, soient en contact bout à bout avec les organes d'écar- tement 17 'qui se '-trouvent sur la face inférieure de la plaque
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posée sur la première.
Il est évident que, même si la confi- guration du pourtour des plaques n'est pas symétrique par rapport à un axe perpendiculaire à leur longueur et passant à égale distance de leurs extrémités, il n'est pas nécessaire de fabriquer plus de deux genres de plaques pour pouvoir les assembler de la manière susindiquée, les organes d'écartement étant en contact bout à bout. Ce résultat peut également être atteint quand on utilise deux genres de plaques et quand on forme seulement les organes d'écartement 17 sur des plaques d'un groupe alternées/, alors que les plaques de l'autre groupe ont une forme plane excepté à l'endroit où se trouve le gradin péri- phérique.
Pour relier les organes d'écartement 18 aux plaques, ceux-ci sont placés dans les positions qu'ils occupent dans l'échangeur de chaleur terminé et tout gabarit ou dispositif de retenue approprié, tel qu'une pince ou un étau, est utilisé pour exercer une pression sur les deux parois externes de l'ensemble dans une direction perpendiculaire à leurs plans.
Cette pression peut être exercée le long de la partie margi- nale, étant entendu que l'on ne désire pas relier les organes d'écartement 17 faisant respectivement partie de plaques adja- centes..
Comme visible sur.la fig. 3, les plaques 10 et les organes d'écartement 18 sont assemblés de manière telle que les bords des plaques, comme montré en 20, fassent saillie la- téralement sur les faces externes des organes d'écartement 18, la largeur de la partie dépassante étant très réduite, par exemple d'environ 0,1 mm pour un échangeur de chaleur ayant les dimensions spécifiques susindiquées.
Les organes d'écartement 18 et les plaques 10 sont
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ensuite reliées par fusion de toute manière appropriée. Un moyen particulièrement avantageux et efficace, pour exécuter cette opération, consiste à avoir recours à la méthode connue du soudage à l'arc à l'argon pour laquelle un arc est formé entre les bords dépassants des plaques et une électrode en tungstène pendant que la zone dans laquelle l'arc se forme est protégée par un gaz inerte. De cette manière, on obtient la liquéfaction des bords dépassants des tôles et la formation d'une masse de métal fondu. De même les arêtes adjacentes des organes d'espacement 18 sont également liquéfiées, ce qui aug- mente la masse de métal fondu, cette masse étant finalement solidifiée en formant un ensemble dont la section transversale est montrée en 21 sur la fig. 3.
A moins que les parties marginales des plaques 10 ne soient supportées continuellement, sur toute leur longueur, par les organes d'écartement 18, il n'est pas possible d'obtenir une liaison soudée satisfaisante entre les plaques 10 et les organes 18. Par exemple, si les organes d'écartement 18 sont agencés de manière telle qu'ils comportent un intervalle en un ou plusieurs endroits de leur longueur, toute tentative pour souder la partie d'une plaque, qui se trouve au bord supérieur ou inférieur de cet intervalle, à l'organe d'écartement adja- cent qui délimite le passage établi au-dessus @@ au-dessous dudit intervalle, a pour effet que le métal de la plaque fond et coule vers l'intérieur au lieu de former un joint fondu sa- tisfaisant avec l'un ou l'autre des organes d'écartement dont question en dernier lieu.
Une variante possible de la méthode pour relier les organes d'écartement 18 et les plaques 10 par fusion consiste à recouvrir les faces 22 de ces organes d'un métal d'apport
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tel quutilisé pour des procédés de brasage connus, les faces contiguës des parties marginales 15 des plaques 10 étant éga- lement revêtues d'un métal analogue avant que les parties constitutives de l'échangeur soient serrées les unes contre les autres par un dispositif de retenue, un étau ou une pince.
L'ensemble peut alors être placé dans un four appro- prié dont la température est suffisante pour provoquer la li- quéfaction du métal d'apport et la formation d'un joint brasé entre les faces contigùës 22 des organes d'écarte ent 18 et celles des parties marginales 15.
L'opération suivante est la formation de trous ou d'ouvertures dans les organes d'écartement 18 en des endroits appropriés, pour établir la communication entre un groupe de passages (le groupe de passages primaires 11) et les conduits d'entrée 23 et de sortie 24 primaires et pour faire communi- quer, d'une manière analogue, le groupe de passages secondai- res 12 et les conduits d'entrée 25 et de sortie 26 secondaires.
A cet effet, on enlève de la matière aux organes d'écartement 18 en des endroits appropriés. De préférence, l'enlèvement de la matière se fait par la méthode connue de l'usinage avec production d'étincelles, les organes 18 étant connectés au pôle négatif d'une source de courant continu et une étincelle étant formée entre l'organe 18 traité et une électrode reliée au pôle positif de la source, cette étincelle exerçant un effet d'arrachement sur la matière constituant l'organe 18, de sorte qu'au début il se forme, dans la face externe de cet organe, une cavité qui augmente progressivement jusqu'à ce que l'organe 18 soit percé sur toute son épaisseur.
Le refroidissement de l'organe d'écartement 18, de l'électrode et des parties adjacentes de l'ensemble ainsi que
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l'évacuation de la matière arrachée par l'étincelle à la sur- face dudit organe ont lieu en immergeant la zone où se forme l'étincelle dans un liquide approprié, généralement une mile de paraffine.
Les dimensions du trou ainsi formé sont détermi- nées, entre des limites raisonnablement rapprochées, par la for- me de la section transversale de l'électrode et, pour l'applica- tion en question, on se sert d'une électrode carrée ou rectan- gulaire afin qu'elle puisse enlever la totalité, ou pratiquement la totalité, de la matière d'un organe d'écartement 18 aux en- droits où l'entrée ou la sortie du fluide est nécessaire pour ' le passage correspondant,
Avantageusement, on donne à l'électrode des dimensions telles qu'elle permette l'enlèvement de la totalité de la matière d'un organe d'écartement pour former dans celui-ci l'ouverture nécessaire par laquelle on établit la communication avec le conduit de sortie correspondant,
cette opération étant effectuée par une seule passe de l'électrode d'usinage sur toute la lar- geur de l'organe d'écartement. Il est, toutefois, également possible d'utiliser une électrode dont la section transversale a des dimensions moindres et de la faire avancer, plusieurs fois de suite, sur toute la largeur de cet organe en des points très rapprochés, de manière à former une fente ou une ouverture con- tinue ou en des points écartés les uns des autres de manière à former des trous individuels s'étendant sur toute la largeur de ,1'organe d'écartement.
Il est à noter que les parties terminales des plaques ainsi que les parties des organes d'écartement 18 intercalées entre elles en ces endroits ont une forme semi-circulaire.
Pour les conduits d'entrée 23 et de.sortie 24 primai- res, la matière formant les organes d'écartement 18 est enlevée,
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comme montré en 27 sur une partie telle de leur longueur que la section transversale totale des trous ou des ouvertures 27, ainsi formés', soit égale ou sensiblement égale à la section totale des passages primaires 11 considérée dans un. plan. per- pendiculaire à la longueur de ces passages. Il en est de même en ce qui concerne les trous ou les ouvertures ménagés=dans les organes 18 pour établir la communication entre les conduits 25, 26 et les passages adjoints respectivement à ceux-ci.
Il est à noter que ceci est rendu possible parce que , les ouvertures 27 ainsi formées et considérées dans leur ensem- le, se trouvent dans un plan perpendiculaire aux plans des et oblique par rapport aux longueurs claques/de celles-ci, de sorte que les ouvertures 27 ne peuvent
14 être établies sur plus de la moitié de la périphérie/de la par- tie terminale des plaques. Un effet analogue pourrait être obtenu en donnant aux parties terminales des plaques une forme triangulaire, le sommet du triangle se trouvant sur,la ligne centrale longitudinale et, dans ce cas, les ouvertures 27 ainsi que les ouvertures analogues prévues pour les autres conduits, seraient formées dans des parties rectilignes des organes d'écartement, ces parties étant obliques par rapport à la longueur des plaques.
La présence des organes d'écartement 17 dans les pas- sages 11 et 12 provoque de nombreuses déviations locales dans le sens de l'écoulement du liquide dans les passages et il en résulte, malgré la pénétration oblique du liquide par rapport à la longueur du passage considéré, quellon obtient un débit uniforme suivant une direction qui suit, d'une manière générale, la longueur dudit passage sur toute la section transversale de celui-ci, à partir d'une distance réduite du conduit d'entrée correspondant.
Pour cette raison, on croit que des résultats
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satisfaisants pourraient être obtenus si les ouvertures 27 se trouvaient dans les parties longitudinales deorganes 18 adjacentes aux extrémités de l'ensemble, mais l'emplacement oblique des ouvertures 27, comme celui montré sur le dessin, est considéré comme étant une forme constructive préférée, en ce sens qu'elle facilite l'obtention d'un débit uniforme du liquide sur toute la section transversale du passage considéré à une distance un peu plus rapprochée du conduit d'entrée, avec cet autre avantage que l'on peut placer le conduit d'en- trée des passages primaires et le conduit de sortie des passa- ges secondaires à la même extrémité de l'ensemble en question.
Les conduits 23 à 26 peuvent avoir toute forme appro- priée, en étant vus en plan. On a montré des conduits ayant la forme d'une partie d'un cylindre. Les conduits peuvent être fixés par soudage aux parois supérieure 8 et inférieure 9 de l'enveloppe dans le cas où ces parois sont elles-mêmes soudées respectivement à la plaque supérieure 10 de l'ensemble et à l'organe d'écartement inférieur 18. Les parties des parois 8 et 9 auxquelles aboutissent les conduits 23 à 26, comportent des gorges ou rainures, désignées par 6 et 7, à proximité de leurs' extrémités de manière à former des bridas verticales 4 et 5 auxquelles les brides des conduits 23 à 26 peuvent être soudées.
Si les parois 8 et 9 de l'enveloppe ne sont pas soudées à l'ensemble des plaques 10 et des organes d'écartement 18, mais sont sollicitées l'une vers l'autre par des organes de traction, de manière telle que l'ensemble des plaques 10 et des organes d'écartement 18 soit serré entre elles, les brides des conduits 23 à 26 peuvent être fixées aux brides 4 et 5 autre d'une/manière appropriée, par exemple par des boulons traversant
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les deux brides Dans ce cas, les trous ménagés dans les brides 4 et 5 peuvent présenter un certain jeu par rapport aux tiges des boulons pour tenir compte du fait que l'écartement entre les parois 8 et 9 de l'enveloppe peut subir de légères variations dues aux variations de la pression de serrage.
Un échangeur de chaleur, constitué comme décrit ci- dessus à l'aide des matières spécifiées, convient pour un échan- ge de chaleur entre des fluides gazeux, entre un fluide gazeux et un liquide , ou entre des liquides, tels qu'un métal liqué- fié comme le sodium.
Il est à noter qu'il est aisément possible de faire varier la heuteur de l'un ou l'autre groupe de passages selon les viscosités, les températures et les conductibilités ther- miques des fluides qui circulent dans ces passages de manière à obtenir un échange de chaleur optimum entre les deux fluides.
Suivant une variante, les organes d'écartement 18 et les plaques ne sont pas liés entre eux par fusion mais sont sollicités uniquement par les organes de serrage qui exercent un effort de compression par les parties marginales des plaques et des organes d'écartement perpendiculairement, ou à peu près, aux plans des plaques.
Suivant un mode de réalisation approprié, les organes de serrage comprennent des anneaux de serrage en contact avec les faces externes des parois de l'enveloppe, ces anneaux étant constitués en une matière appropriée, telle qu'un métal ayant la résistance nécessaire tout en ayant une épaisseur telle, me- surée perpendiculairement aux plans des parois de l'enveloppe, qu'ils aient une rigidité élevée propre à empêcher leur gauchis- sement ou toute autre déformation dans une direction perpendi- culaire aux plans des plaques.
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Ces anneaux peuvent comporter des oreilles latérales ou un rebord continu, faisant partie intégrante de ces anneaux dans lesquels sont ménagés des trous propres à recevoir des deux tirants, établis entre les/anneaux, perpendiculairement aux plans des plaques, en des points qui se trouvent en dehors du pourtour de celles-ci. Les tirants sont établis en des points ayant des écarts angulaires convenablement- rapprochés, ces points étant répartis le long du pourtour des anneaux.
Les rebords ou oreilles s'étendent, au besoin, latéralement aux endroits où ils sont adjacents aux conduits d'entrée et de sortie, de manière telle que l'écartement entre deux tirants consécutifs, en ces endroits, ne soit pas augmenté d'une ma- nière o@@@osive par la nécessité'de devoir éviter toute gêne mécanique entre les tirants et les conduits en question. Ceci permet d'établir les tirants très près des parties externes des conduits qui sont plus étroites que les parties internes de ceux-ci, en étant vues en'plan, de sorte que les tirants consécutifs peuvent.avoir un plus petit écartement entre eux.
Les anneaux de serrage peuvent, si on le désire, faire partie intégrante des parois de l'enveloppe et , en vue d'aug- menter la rigidité de ces anneaux , lesdites parois peuvent, si on le désire, comporter des nervures ou des membrures qui s'étendent transversalement et longitudinalement par rapport à ces parois afin que celles-ci puissent résister aux efforts de flexion agissant'sur cas parois lors du serrage des tirants:
Il est à noter qu'en ayant recours à cette disposition. il n'est pas nécessaire d'enlever de la matière des-organes d'écartement après que ceux-ci ont été intercalés entre les plaques.
Ces organes peuvent être munis préalablement des ou- vertures nécessaires ou l'on peut établir entre chaque paire
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de plaques 10 au moins deux organes d'écartement placés bout à bout et entre les extrémités adjacentes desquels on laisse subsister les intervalles nécessaires pour l'entrée ou la sortie du fluide dans le passage formé entre les plaques ou hors dudit passage.
Si la liaison entre les organes d'écartement et les plaques a lieu à l'aide d'une substance adhésive, celle-ci doit être choisie de manière telle qu'elle ait une adhérence suffisante pour les conditions de pression existant dans les passages et qu'elle conserve ses propriétés adhésives et sa résistance aux températures qui se produisent au cours de l'usage de l'appareil. Une résine synthétique appropriée, qui peut être utilisée, est par exemple une résine Araldite.
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The invention relates to heat exchangers of the type of those comprising a stack of plates spaced apart from each other so as to form several passages, waffle-shaped, which a first group comprises alternating passages communicating with conduits of 'primary inlet and outlet for a primary fluid and among which a second group comprises one or more passages interposed between those of the first group and communicating with secondary inlet and outlet conduits for a secondary fluid.
The location of the conduits and / or the internal shape of the passages may be such that the primary and secondary fluids flow through the heat exchanger countercurrently to ensure the exchange of heat from one of said fluids to the other. .
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For volumes equipped with two fluids: which are found in the passages of the heat exchanger, vites @ e. of the maximum heat of transfer / from one fluid to another is obtained when these passages are made as narrow and, consequently, as numerous as possible (so as to give the plates or partitions, which separate the passages and through which the conduction of heat can take place, as large an extent as possible).
However, the resistance to flow of each fluid increases as the passages are narrowed so that for a given pressure difference for the fluids between the inlet and outlet conduits, for temperature conditions (and therefore viscosity) and for given construction materials, there is an optimum width of the passages for which the maximum heat transfer from one fluid to another is obtained.
In many cases these conditions. allow a very reduced optimum width to be adopted for the passages, a typical value being 1.25 mm. In addition, the plates, used for the construction of the heat exchanger, should be as thin as possible but have the necessary strength to avoid permanent deformation by the effect of the working pressures of the fluids, so to reduce the thermal resistance to heat transfer as much as possible, to save materials and to reduce the size of the exchanger.
The manufacture of a satisfying heat exchanger, taking these considerations into account, is difficult for several reasons,
For example, it has been proposed to adopt an arrangement in which the alternating plates are welded together directly.
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and continuously along their peripheries so as to form a group of passages, the other group of passages being formed by the gaps existing between the plates which are not welded to each other peripherally.
For this arrangement, access to the interior of the first group of passages is obtained by providing beforehand, in the plates in question, holes which pass through them and are located in the raised parts of these plates, i.e. that is to say in the recessed parts when seen from inside said passages.
The assembly and the fixing of the plates to each other, in this arrangement, are obtained by welding back to back the raised parts, in which the holes are made, so that the set of holes facing them. each other's shape. collecting or distributing conduits constituting the inlet and outlet conduits for the fluid which must pass through the first group of passages.
Then these welded parts are assembled in the positions that they are forced to occupy in the heat exchanger, and peripheral welding is carried out for the plates that are to be joined in this way.
A disadvantage of this arrangement is that it requires the presence of welded joints inside the inlet and outlet conduits, so that leakage existing or increasing after manufacture would be very difficult. , if not impossible, to detect or repair.
Another difficulty is that the welding, to be carried out at the peripheries of the plates, is made difficult, the gaps between the plates being very small, so that it is difficult to introduce welding tools into these gaps.
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The object of the invention is to provide a new and improved construction of a heat exchanger and a method of manufacturing the same by which one or more of these difficulties are overcome or alleviated.
According to one aspect of the invention, the object of the invention is a heat exchanger of the type specified in which the walls, laterally delimiting the passages, are each formed by one or more spacers which extend into each other. extend along the perimeter of the passage and form a tight seal with respect to the opposite plates of said passage by being integral with them or by being kept in close contact with them, this or these spacer members comprising, in the necessary places of their length, holes or openings establishing communication between this passage and the inlet and outlet ducts thereof.
To facilitate the description given below, it will be assumed that a single spacer is established between each adjacent pair of plates, but it is understood that, for any embodiment or for any manufacturing process described below, it is possible to use several spacers instead of just one, these members being spaced apart from each other or linked together depending on whether it is desired to leave a gap between them or to form a continuously sealed boundary where the seal is formed.
Without departing from the protective limits of the invention, it is possible to constitute the spacer member, attached to a particular pair of plates, by a part of the periphery of one of the plates, this part being folded or otherwise shaped in such a way. to protrude in a perpendicular direction or at
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approximately, at the plane of the plate to which it is integral so that it can fulfill its function as a spacer.
For example, one can bend or otherwise deform one of the plates of each pair at its periphery to form a flange which lies in a plane perpendicular or roughly to the plane of the plate, the free edge of this flange being bent to its turn so as to be parallel or approximately to the plane of the plate while forming a surface which can be brought into contact with the marginal or peripheral part of the other plate of the aforesaid pair to which said free edge can then be connected in a watertight manner, as indicated above.
According to a variant, the two plates of a pair can comprise 'spacers which are integral with them and have, in substance, the shape described above, these members projecting from the plates in directions such that they can cooperate with each other or / the marginal part of the other plate of said pair to form a tight seal.
According to a preferred embodiment of a heat exchanger of the type specified established according to the invention, the plates are connected to structural spacers. separately and interposed between the peripheral marginal or opposite parts / of said plates, these spacers comprising holes or openings at the necessary places of their length, these holes or openings being formed by removing parts of the members of 'spacing, after these have been made integral with the plates, to establish communication between each of the passages and the inlet and outlet conduits adjoining this passage.
The bond between the plates and the spacers can be effected by means of an intermediate adhesive substance.
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This is, for example, in the case where the temperatures at which the heat exchanger is to operate are sufficiently low that the tack properties of the adhesive substance are not diminished. Preferably, these plates are joined together by fusion. The melting process may require the intervention of a separate metal, for example for welding, brazing and some other type of welding, or the melting may take place directly between the plates and the spacers. themselves.
For a heat exchanger in which primary and secondary fluids are forced to flow countercurrently, the primary inlet duct and the secondary outlet duct can be established at one end of the plate assembly and the duct. output as well as the secondary input duct can be placed at the other end of this assembly.
In another aspect, the invention relates to a process for manufacturing a heat exchanger of the type specified, this process consisting in stacking the plates forming part of this exchanger, spacers, placed along the periphery of the stack, laterally delimiting the passages formed between the plates; in connecting the plates to the spacers; and removing portions of each spacer to form holes or openings providing access to the interior of each passage.
As indicated above, the connection between the plates and the spacers can be effected using an adhesive substance or by fusion.
The plates and spacers can be temporarily clamped against each other while the
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Welding takes place along the cracks formed between the marginal portions of the plates and the faces of the spacers adjacent to these plates. The spacers may be assembled such that the edges of the plates protrude sharply from the end faces of the adjacent spacers to thereby provide an excess amount of metal for forming the welded joint.
Welding can be done by the known argon arc welding process without involving separate filler metal.
According to a variant, the connection between the spacers and the plates can be effected by placing the assembly in an oven after the adjacent faces of the spacers and / or of the plates have been covered with a metal. which liquefies at oven temperature, so that the necessary bond is obtained,
According to a variant or in addition, this metal can be applied, in the liquid state, to the aforementioned cracks so as to be able to be brought to the desired places by the effect of the capillary forces.
Preferably and in accordance with the invention, the removal of a part of the material forming the spacers, to constitute the holes or the openings, takes place by acting on the material using of means not producing, par. themselves; a resulting force tending to move the whole. The removal of the material can, according to the invention, ae be done with the aid of a saw, a milling cutter or other abrasive tool, which makes it necessary to maintain the assembly in a kind of vice or other retaining device, so that, necessarily, a certain force is transmitted, by the in-
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intermediate of the assembly, from the point where the tool acts to the places where the vice or the retaining device is in contact with said assembly.
This force can produce particularly high concentrated stresses, more especially near the point where the material is to be removed.
A particularly advantageous method of removal. in this way the material of the spacers is machined with the production of sparks in the presence of a clean fluid to cool the area in which the material is removed and to entrain the material removed therefrom. zoned. Machining with the production of sparks is, in general, a known method, but its application to the subject of the invention is new.
Another object of the invention is to provide a heat exchanger of the kind specified, in which the risks of permanent deformation of the plates, at points inside the exchanger, are reduced to a minimum.
In accordance with the invention, the alternating plates or plates of a heat exchanger of the type specified have spacers extending between the plates adjacent to the nodes of a triangular mesh mesh.
The lattice can be formed by equilateral triangles or triangles for which the ratio between the longest and the shortest side does not exceed 2: 1, the preferred shape being that of an equilateral triangle.
According to another aspect of the invention, it relates to a heat exchanger of the type specified in which the plates comprise several rows of spacers each extending across the height of the passages.
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between corresponding opposing portions of the plates, the rows being parallel or approximately to the general direction of fluid flow through the passages and the spaced apart members of each row being, as a whole, offset longitudinally by relative to the corresponding elements of the adjacent row (s).
The spacing, in the lateral direction, between the rows greater than twice and may not be / less than half the spacing (or the average spacing) between the spacers forming part of each of the rows considered.
The spacers between each pair of plates can be connected to one of the plates. They can be formed by locally deformed parts of the plate to which they are integral.
In order that the scope of the invention could be clearly defined, the lengths of the sides of the equilateral or substantially equilateral triangles, referred to above, as well as the interval between the spacers were part of a row of these should be considered as designating the distance between the axes of these spacers (if they have a circular cross section) or the distance between the center lines of these elements (if they are other than circular but have a symmetrical cross section) or the distance between the lines passing through the center of gravity of the cross sections of the elements (if they have an unsymmetrical cross section). For ease of description, these lines are hereinafter referred to as "center lines".
Likewise, so that the scope of the invention can be clearly defined, the spacing, in the lateral direction, between
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the adjacent rows of spacers should be taken to denote the lateral spacing between lines passing through the centers of these elements (if the center lines are collinear in each row) or the spacing between the longitudinal lines of symmetry for the rows considered (if the central lines of the components are offset, that is to say if some are on one side of such a line and some on the other side of it).
The spacers can be hollow. When they are obtained by deformation of one of the plates, they can have a frustoconical shape and any other shape of decreasing section, their cross section of which the dimension is greater being at the place where the organ of spacing is related to the main part of the plate considered. A satisfactory taper ((frustoconical spacers) or those having other shape with decreasing section is about 60.
While being integral with one of the plates, the spacers need not be fixed in any way whatsoever to the other plate located on the opposite side of the passage through which these members. extend because it has been observed that a satisfactory stiffening of the zones of the plates located in the triangular spaces delimited by the lines connecting the centers of the spacers, is obtained when the other of said plates is simply in contact with the free ends of the spacers or rests on those - oi.
-
The spacers can be provided on both sides of each plate (except, where appropriate, for the external plates of the assembly) to which they are integral,
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the spacers established on the opposite faces of the adjacent plates and oriented towards each other being located in opposite places, so that the free ends of these spacers are in contact with one another .
If the spacers must intervene to a large degree to facilitate the transfer of heat from the primary fluid to the secondary fluid, they may have a solid cross section or the wall thickness may be greater than that of the main part. of the plate to which they are integral, By adopting this arrangement, which can be used in cases where the fluids themselves have low thermal conductivity, a large fraction of the heat can be transferred by the bodies of separation themselves.
It has been discovered, in practice, that the distance between the centers of the spacers is advantageously of the order of eight to twelve times the radius of these members in the case where the latter have a circular cross section, the radius being measured at or near the location where the spacer member in question is linked to the plate.
When the spacers have a section other than circular, it is believed that an analogous value can be adopted for the aforesaid distance but, in this case, the mean value of the radial vector drawn from the center of the section. transverse of the spacer to the periphery thereof must be used instead of the above spoke.
A preferred value for the ratio of said distance to said radius or radial vector is 10 or about 10.
The absence of welded joints inside the
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heat generator, between the spacers which are respectively part of adjacent plates or between the spacers of one plate and another plate, eliminates or reduces the risk of leaks through these welded joints, if necessary. where these would be formed in an imperfect manner, while significantly simplifying and reducing considerably the manufacturing costs of the heat exchanger.
It has been observed in practice that the establishment of spacers at the locations of the nodes of a trellis with triangular meshes, more especially when these are 'formed by equilateral triangles or by triangles having the shape described above, provides a much greater resistance to the deformation of the intermediate parts of the plates, by the effect of a given internal pressure, than in the case where the plates have continuous ribs spaced from each other by a corresponding distance ( equal to 0.866 of the distance between the centers of an equilateral triangular mesh).
The accompanying drawing shows, by way of example, one embodiment of the invention.
Fig. 1 shows, in plan (parts in section), a heat exchanger established according to an embodiment of the invention.
Fig. 2 shows, on a larger scale and in section along 2-2 fig. 1, this same exchanger.
Fig. 3 shows, similarly but in section following
3-3 fig. 1; this same exchanger. fig. 3 also showing phases for the welding of some of the spacers to the plates of the heat exchanger (the conduits established at this end of the exchanger are not shown).
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Fig. 4 shows, similarly to FIG. 3, a variation of one group according to which only the alternating plates / have spacers integral with them, while the alternating plates of the other group have a planar shape.
Fig. 5 shows, similar to FIG. 3, another variant for which one uses spacing members, having a solid cross section,., These members being welded to the corresponding plates.
The heat exchanger, shown in the drawing, consists of several metal sheets 10 spaced apart from each other so as to form several narrow passages 11,12.
By way of illustration, it has been accepted that the heat exchanger shown has four passages, but it is understood that in practice the number of these passages may be much greater, a typical heat exchanger may include, for example, several passages. forty to fifty passages.
In addition, to make the drawing clearer, the height of these passages has been greatly exaggerated with respect to the thickness of the sheets, this thickness possibly being of the order of 0.3 mm whereas a typical height for these passages is 1.25 mm.
The set of plates 10 is interposed between an upper casing wall 8 and a lower casing wall 9, these walls having a notably greater thickness than the plates 10.
The plates 10 have an elongated shape, i.e. their length is greater than their width, and they have rectilinear and parallel longitudinal edges 13, while the peripheries of their end parts have a curvilinear shape, advantageously semi-circular, as shown at 14.
Each of the plates 10 is deformed by stamping
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(press) so as to have a step along its periphery, the marginal part 15 of the plate being connected to its main internal part by an intermediate part 16 1 which in cross section forms an angle obtuse with the marginal part 15 and with the main internal part of the plate, this angle having a value of about 120, the step has a double function. In the first place, it allows the main internal part of the plate to undergo a surface expansion by the effect of temperature variations without the welded joints, existing at the periphery of the plates and described below, undergoing stress. excessively high loads.
Secondly, it facilitates the housing of the spacers, placed laterally and interposed between the plates as described below.
To maintain the distance between the main internal parts of the plates, these plates are deformed so as to form the spacers 17.
The spacers 17 have a frustoconical shape with a taper of about 60. They protrude from the face of the plate, with which they are integral, over a height depending on the distance that one wishes to obtain between the successive plates. For the arrangement described, the height of these spacers may be 0.625 mm, but the height is determined by that which one wishes to give to the passage.
The spacers are formed so as to protrude on the two faces of each plate and their free ends, having the smallest section, are in contact with the free ends of the spacers corre.spondants of the adjacent plates.
The spacers, protruding on each
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face of a plate, occupy positions such as they are at the places where the nodes of a trellis with triangular mesh are formed, the shape of each mesh being, preferably, that of an equilateral triangle or roughly .
To obtain optimum results in stiffening the plates to prevent local deformations produced by internal pressure without resulting in excessive resistance to the flow of fluid along the passages formed between the plates, diameters of the protrusions, measured at the point where they are connected to the main internal part of the plates, a value corresponding to approximately 1/5 of the length of the side of the equilateral triangle forming the mesh.
When the plates are assembled, as can be seen in FIG. 2, the free ends of the spacers of the adjacent plates are in contact but are not welded to each other.
It has been found that simple contact between the free ends of the spacers sufficiently stiffens the plates and prevents local deformation of the parts of the plates formed by the triangular elements of the mesh.
In addition, the presence of the individual spacers in the passages 11 and 12 causes multiple deviations in the direction of flow of the liquid introduced into these passages from the primary 23 and secondary inlet conduits. 25, so that a uniform flow of the liquid is obtained in the direction of the length of the passages over the entire cross-section thereof, at a reduced distance from the inlet conduits.
Instead of providing spacers 17 on
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each plate, they can be found only on alternate plates, the alternate plates of the other group having a planar shape.
For the variant of fig. 4, on which the elements corresponding to those of FIGS. 1 to 3 are indicated by the same reference numerals, plates of two different kinds are used. The plates 30 of one group have main central parts which have a planar shape, while the plates 31 of the other group are interposed between the plates 30 and comprise spacers 32 which form an integral part of these plates, which have a frustoconical shape while protruding on the two faces of each plate 31.
These members are arranged in a manner analogous to that provided for the plates 10 with the difference that the spacers 32 have a height twice as great as that of the spacers 17 (in the case where the we want to give the same height to passage 11).
For the variant of fig. 5 the constituent parts corresponding to those of the arrangement shown in FIGS.
1 to 3, are designated by the same reference numerals but the plates 33 comprise spacers 34 having a solid cross section, for example having a solid cylindrical shape, these members being welded or fixed in any other suitable manner to both sides of each plate. \ The spacers 34 can be arranged in the same way as the members 17 but provide a more efficient conductive path for the transfer of heat to the main body of the corresponding plate 33 than in the case of spacers 17 with regard to the corresponding plates 10.
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Instead of giving the spacers 34 a solid cross section, they may have an annular section, the wall thickness being greater than that of the plates 33. In either case , the spacers 34 are attached to the plates 33 before they are superimposed or stacked and the links can be tested before the plates are assembled, so that defects or leaks can be easily detected. .
These tests can also be provided for the arrangement shown in figs. 1 to 3 for which the spacers 17 are obtained by local deformations of the plates 10, each plate being individually subjected to a test, with regard to leaks, before assembly.
It should be noted that the passages do not necessarily need to have the same height. For example, a group of passages, connected to the primary inlet 23 and outlet 24 conduits, may have a greater height than that of the other group of secondary passages connected to the inlet 26 and outlet 27 conduits. In this case, the spacers provided on one face of a plate, which separates passages. having different heights, have a greater height on one side of the plate than those on the other side thereof.
Between the marginal parts 15 of each pair of plates there is established an additional spacer 18 which may be constituted by a strip or rod having a square or rectangular cross section, while its width is equal to that of these marginal parts 15 or slightly lower, the oblique connecting part 16 forming a suitable stopper to allow the installation.
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spacers 18 in suitable positions. It should be noted that the members 18 may have cross sections of different shape, for example annular or U-shaped and, in the latter case, the open part of the U is oriented towards the interior of the passage.
The members 18 can also be formed by wires or rods ajant a circular section.
The spacers 18 and the plates 10 may be made of materials capable of being fused together.
It is preferred to use materials which can be bonded together without the intervention of a filler material, but this is not essential since such filler material can be used.
For the specific example, described below, it is all proposed to use stainless steel for the plates and / the spacers, this steel having the usual known composition comprising 73% of iron, 18% chromium and 8% nickel.
This steel is subjected to stabilization in the known manner (so that it does not become friable at the welded joints) and contains a controlled amount of ferrite of the order of 4 to 6%.
The t8les can have a thickness of 0.3 mm.
It should be noted that the plates 10 all have the same shape, when they are assembled in such a way that they are in the positions which they definitely occupy in the heat exchanger, the plates alternates are moved 1809 in their plane so that the spacers 17, provided on the upper face of a particular plate, are in end-to-end contact with the spacers 17 'which are '- found on the underside of the plate
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posed on the first.
It is obvious that, even if the configuration of the periphery of the plates is not symmetrical with respect to an axis perpendicular to their length and passing at an equal distance from their ends, it is not necessary to manufacture more than two kinds. of plates to be able to assemble them in the above-mentioned manner, the spacers being in end-to-end contact. This result can also be achieved when two kinds of plates are used and when only the spacers 17 are formed on alternating plates of one group /, while the plates of the other group have a planar shape except at l. where the peripheral tier is located.
To connect the spacers 18 to the plates, these are placed in the positions they occupy in the completed heat exchanger and any suitable jig or retainer, such as a clamp or vise, is used. to exert pressure on the two outer walls of the assembly in a direction perpendicular to their planes.
This pressure can be exerted along the marginal part, it being understood that it is not desired to connect the spacers 17 which are respectively part of adjacent plates.
As can be seen in fig. 3, the plates 10 and the spacers 18 are assembled in such a way that the edges of the plates, as shown at 20, project laterally on the outer faces of the spacers 18, the width of the protruding part. being very small, for example about 0.1 mm for a heat exchanger having the specific dimensions mentioned above.
The spacers 18 and the plates 10 are
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then fused together in any suitable manner. A particularly advantageous and effective means of carrying out this operation consists in having recourse to the known method of argon arc welding in which an arc is formed between the projecting edges of the plates and a tungsten electrode while the area in which the arc forms is protected by an inert gas. In this way, one obtains the liquefaction of the projecting edges of the sheets and the formation of a mass of molten metal. Likewise the adjacent ridges of the spacers 18 are also liquefied, which increases the mass of molten metal, this mass finally being solidified to form an assembly whose cross section is shown at 21 in FIG. 3.
Unless the marginal portions of the plates 10 are continuously supported, along their entire length, by the spacers 18, it is not possible to obtain a satisfactory welded connection between the plates 10 and the members 18. For example, example, if the spacers 18 are arranged such that they have a gap at one or more places along their length, any attempt to weld the part of a plate, which is at the upper or lower edge of this gap, to the adjacent spacer which defines the passage established above @@ below said gap, causes the metal of the plate to melt and flow inward instead of forming a seal melted satisfactorily with one or other of the spacers last mentioned.
A possible variant of the method for connecting the spacers 18 and the plates 10 by fusion consists in covering the faces 22 of these members with a filler metal.
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as used for known brazing methods, the adjoining faces of the marginal portions 15 of the plates 10 also being coated with a like metal before the constituent parts of the exchanger are clamped together by a retainer. , a vise or pliers.
The assembly can then be placed in a suitable furnace, the temperature of which is sufficient to cause the liquefaction of the filler metal and the formation of a brazed joint between the contiguous faces 22 of the spacer members 18 and those of the marginal parts 15.
The next operation is the formation of holes or openings in the spacers 18 at suitable places, to establish communication between a group of passages (the group of primary passages 11) and the inlet ducts 23 and outlet 24 and to communicate, in a similar manner, the group of secondary passages 12 and the secondary inlet 25 and outlet 26 conduits.
For this purpose, material is removed from the spacers 18 at suitable locations. Preferably, the material is removed by the known method of machining with the production of sparks, the members 18 being connected to the negative pole of a direct current source and a spark being formed between the member 18 treated and an electrode connected to the positive pole of the source, this spark exerting a tearing effect on the material constituting the member 18, so that at the beginning a cavity is formed in the external face of this member which gradually increases until the member 18 is pierced through its entire thickness.
The cooling of the spacer 18, the electrode and the adjacent parts of the assembly as well as
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the evacuation of the material torn off by the spark from the surface of said organ takes place by immersing the zone where the spark is formed in a suitable liquid, generally one mile of paraffin.
The dimensions of the hole thus formed are determined, within reasonably close limits, by the shape of the cross-section of the electrode, and for the application in question a square or square electrode is used. rectangular so that it can remove all, or substantially all, of the material from a spacer 18 at places where the entry or exit of fluid is necessary for the corresponding passage,
Advantageously, the electrode is given dimensions such that it allows the removal of all of the material from a spacer member to form therein the necessary opening through which communication with the duct is established. corresponding output,
this operation being carried out by a single pass of the machining electrode over the entire width of the spacer member. It is, however, also possible to use an electrode whose cross-section has smaller dimensions and to make it advance, several times in succession, over the entire width of this member at very close points, so as to form a slit or an opening continuous or at points spaced apart from each other so as to form individual holes extending across the width of the spacer.
It should be noted that the end parts of the plates as well as the parts of the spacers 18 interposed between them in these places have a semi-circular shape.
For the primary inlet 23 and 24 outlet ducts, the material forming the spacers 18 is removed,
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as shown at 27 over such a part of their length that the total cross section of the holes or openings 27, thus formed ', is equal or substantially equal to the total section of the primary passages 11 considered in a. plan. perpendicular to the length of these passages. It is the same with regard to the holes or the openings made = in the members 18 to establish communication between the conduits 25, 26 and the passages adjoining them respectively.
It should be noted that this is made possible because, the openings 27 thus formed and considered as a whole, lie in a plane perpendicular to the planes of and oblique with respect to the lengths of the latter, so that the openings 27 cannot
14 be established over more than half of the periphery / end of the plates. A similar effect could be obtained by giving the end parts of the plates a triangular shape, the apex of the triangle lying on the longitudinal center line and, in this case, the openings 27 as well as the similar openings provided for the other ducts, would be formed in rectilinear parts of the spacers, these parts being oblique with respect to the length of the plates.
The presence of the spacers 17 in the passages 11 and 12 causes numerous local deviations in the direction of the flow of the liquid in the passages and as a result, despite the oblique penetration of the liquid with respect to the length of the passage considered, quellon obtains a uniform flow in a direction which follows, in general, the length of said passage over the entire cross section thereof, from a reduced distance from the corresponding inlet duct.
For this reason, it is believed that results
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satisfactory could be obtained if the openings 27 were in the longitudinal portions of members 18 adjacent to the ends of the assembly, but the oblique location of the openings 27, like that shown in the drawing, is considered to be a preferred constructive form, in this sense that it facilitates obtaining a uniform flow of liquid over the entire cross section of the passage considered at a distance a little closer to the inlet duct, with the other advantage that the duct can be placed the inlet of the primary passages and the outlet duct of the secondary passages at the same end of the assembly in question.
The conduits 23 to 26 can have any suitable shape, being seen in plan. Conduits have been shown in the shape of part of a cylinder. The conduits can be fixed by welding to the upper 8 and lower 9 walls of the casing in the case where these walls are themselves welded respectively to the upper plate 10 of the assembly and to the lower spacer member 18. The parts of the walls 8 and 9 to which the conduits 23 to 26 end, have grooves or grooves, designated by 6 and 7, near their 'ends so as to form vertical bridles 4 and 5 at which the flanges of the conduits 23 to 26 can be welded.
If the walls 8 and 9 of the casing are not welded to the assembly of the plates 10 and the spacers 18, but are urged towards each other by traction members, such that the 'together the plates 10 and the spacers 18 are clamped together, the flanges of the conduits 23 to 26 can be attached to the flanges 4 and 5 in a suitable manner, for example by bolts through
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the two flanges In this case, the holes made in the flanges 4 and 5 may have a certain clearance with respect to the shanks of the bolts to take account of the fact that the distance between the walls 8 and 9 of the casing may undergo slight variations due to variations in clamping pressure.
A heat exchanger, constructed as described above using the materials specified, is suitable for heat exchange between gaseous fluids, between a gaseous fluid and a liquid, or between liquids, such as a metal. liquefied like sodium.
It should be noted that it is easily possible to vary the height of one or the other group of passages according to the viscosities, temperatures and thermal conductivities of the fluids which circulate in these passages so as to obtain a optimum heat exchange between the two fluids.
According to a variant, the spacers 18 and the plates are not linked together by fusion but are urged only by the clamping members which exert a compressive force by the marginal parts of the plates and the spacers perpendicularly, or roughly, in the plane of the plates.
According to a suitable embodiment, the clamping members comprise clamping rings in contact with the external faces of the walls of the casing, these rings being made of a suitable material, such as a metal having the necessary resistance while having a thickness such, measured perpendicular to the planes of the walls of the casing, that they have a high rigidity capable of preventing their warping or any other deformation in a direction perpendicular to the planes of the plates.
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These rings may include lateral lugs or a continuous rim, forming an integral part of these rings in which are formed holes suitable for receiving two tie rods, established between the / rings, perpendicular to the planes of the plates, at points which are in outside the perimeter of these. The tie rods are established at points having suitably close angular distances, these points being distributed along the perimeter of the rings.
The flanges or lugs extend, if necessary, laterally at the places where they are adjacent to the inlet and outlet ducts, so that the spacing between two consecutive tie rods, in these places, is not increased by one. This is because of the need to avoid any mechanical interference between the tie rods and the conduits in question. This allows the tie rods to be set very close to the outer portions of the ducts which are narrower than the inner portions thereof, when viewed in plan, so that consecutive tie rods may have a smaller spacing between them.
The clamping rings can, if desired, be an integral part of the walls of the casing and, in order to increase the rigidity of these rings, said walls can, if desired, include ribs or ribs. which extend transversely and longitudinally with respect to these walls so that they can withstand the bending forces acting on the walls when the tie rods are tightened:
It should be noted that by using this provision. it is not necessary to remove material from the spacers after they have been interposed between the plates.
These organs can be provided beforehand with the necessary openings or one can establish between each pair
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of plates 10 at least two spacers placed end to end and between the adjacent ends of which the necessary intervals are left for the entry or exit of the fluid into the passage formed between the plates or out of said passage.
If the connection between the spacers and the plates takes place by means of an adhesive substance, this must be chosen in such a way that it has sufficient adhesion for the pressure conditions existing in the passages and that it retains its adhesive properties and its resistance to temperatures which occur during use of the device. A suitable synthetic resin which can be used is, for example, an Araldite resin.