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Appareil pour le chauffage de fluides.
La présente invention concerne les appareils pour le chauffage de fluides et les échangeurs de chaleur en général et, en particulier, les chauffe-eau du type a écoulement continu, à tubes horizontaux.
On a proposé d'augmenter la surface de transmission de chaleur des appareils pour le chauffage de fluides et des échan- geurs de chaleur comprenant des tubes échangeurs en prévoyant des ailettes à la surface externe des tubes, On a également déjà eu recours à divers systèmes de déflecteurs pour assurer un meilleur contact des gaz chauffants avec la surface de transmission de chaleur des tubes et de leurs ailettes. On a également disposé les tubes en rangées superposées, de façon à augmenter la zone de transmission de chaleur dans le sens de l'écoulement des gaz chaut-
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fants. Tous ces agencements présentent cependant divers inconvénients.
Par exemple, lorsqu'on utilise des ailettes seules, les parties supérieure et postérieure des ailettes sont pratiquement ineffi- caces; les déflecteurs utilisés ne permettent pas le contrôle sou- haitable de l'écoulement des gaz chauffants, et, lorsque les tubes sont disposes en rangées superposées, la transmission de chaleur par rayonnement direct vers les tubes supérieurs est diminuée.
La présente invention procure un appareil pour le chauf- tage de fluides qui comprend un tube que traverse le fluide à chauf. fer, un dispositif chauffant agencé pour diriger le fluide chauf- fant vers le tube de façon à chauffer le fluide que contient celui-ci, et un dispositif coopérant avec le tube pour provoquer l'écoulement du fluide chauffant vers la partie du tube écartée du dispositif chauffant.
L'invention prévoit d'autre part un appareil pour le chauffage de fluides qui comprend un tube que traverse un fluide à chauffer, un dispositif chauffant prévu pour diriger le fluide chauf-' ' faut vers le tube de façon à chauffer le fluide que contient celui- ci, et un dispositif déflecteur coopérant avec le tube pour provo- quer l'écoulement du fluide chauffant vers la partie du tube distan- te du dispositif chauffant, le dispositif déflecteur s'étendant ,,.dans'le sens longitudinal du tube et présentant une fente par la- quelle le fluide chauffant peut passer en s'écartant de la partie du tube distante du dispositif chauffant.
.Dans les appareils conformes à l'invention, on augmente' de préférence le tourbillonnement des gaz de combustion qui consti- tuent le fluide chauffant et qui passent'sur les tubes échangeurs de chaleur et sur leurs ailettes, de façon à empêcher les gaz de former des couches thermiques et à éviter que les gaz chauds ou éloignés . ne passent pas sur les ailettes. Lorsqu'on utilise les appareils pour le chauffage de fluides qui seront décrits ci-après, on obtient sou- vent une transmission de chaleur suffisante à l'aide d'une seule rangée de tubes,- si bien que la transmission de chaleur par rayonnement
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direct est relativement meilleure, aucun tube supérieur n'étant en effet isolé par des tubes inférieurs.
Comme on le verra, on peut prévoir des moyens pour aug- menter l'écoulement des gaz de combustion au delà des tubes échan- geurs de chaleur équipés du déflecteur, en transformant l'énergie de l'écoulement des gaz en aval des tubes en énergie de pression, de façon à augmenter l'écoulement des gaz de combustion par la cheminée de l'appareil. Ceci permet une augmentation de la dé- flexion aux tubes ou une réduction de la dimension de la cheminée ou de la hauteur de la chambre àe combustion.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description de quelques-unes de ses formes d'exécution, donnée à titre d'exemple seulement, avec référence au dessin annexé, dans lequel : la Fig. 1 est une vue en perspective, avec partie arra- chée, d'un chauffe-eau conforme à l'invention; la Fig. 2 est une vue partielle en coupe verticale, à ,grande échelle, suivant la ligne 2-2 de la Fig, l, d'un agence- ment de tubes échangeurs de chaleur; la Fig. 3 est une vue en coupe transversale verticale, à grande échelle, suivant la ligne 3-3 de la Fig. 2 ; ' la Fig. 4 est une vue analogue à celle de la Fig. 3 représentant une variante de l'invention; et, la Fig. 5 est une vue en perspective d'une partie de l'un des déflecteurs de la variante représentée à la Fig, 4.
L'appareil pour le chauffage de fluides ou l'échangeur de chaleur représenté sur la Fig. 1 est un chauffe-eau à écoule- ment continu, contenu dans une enveloppe extérieure 10, dans l'ensemble de forme rectangulaire, en tôle, contenant des brûleurs à gaz 11, placés au fond d'un foyer intérieur 12. Des tubes échan- geurs de chaleur horizontaux 13 traversent longitudinalement, d'avant en arrière, la partie supérieure du foyer 12.
Les brûleurs ' 11 et les tubes d'eau 13 sont entièrement logés dans le foyer 12,
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qui peut être garni d'un revêtement réfractaire et isolé de l'en- veloppe extérieure 10 par une couche de laine minérale ou de matière analogue 14, Une hotte intérieure 15, en tôle, recueille les gaz de combustion après leur passage au contact des tubes échangeurs de chaleur 13 et dirige les gaz refroidis vers la che- minée 16, prévue à la partie supérieure de l'enveloppe 10.
Le gaz combustible est amené par un conduit 17, qui est équipé d'organes de commande de type courant, soit '\ne valve de commande pilote manuelle et automatique 18, raccordée au conduit
17, un détendeur-régulateur'19, une valve de commande à solénolde
21 pour les brûleurs principaux 11, et une veilleuse de sécurité de type usuel 22. Ces éléments ne constituant pas une partie impor. tante de l'invention, ils ne seront pas décrits de façon plus détaillée,
Les tubes échangeurs de chaleur 13 sont de préférence disposés en une seule rangée et relativement voisins l'un de l'au- tre, comme le montre le dessin; ils sont montés entre les fonds 23 et 24, auxquels ils sont assemblés par exemple par brasage, com- me indiqué en 25.
Les fonds 23 et 24 constituent les extrémités du foyer 12; ils sont creux de façon à ménager le distributeur 26 et le collecteur 27, qui divisent et reconstituent respectivement le courant d'eau, avant et après son passage dans l'appareil chauf- fant. 28 désigne l'arrivée d'eau froide au distributeur d'eau 26 de l'appareil; l'orifice d'entrée 28 est taraudé de façon à permet- tre le raccordement d'un conduit d'amenée, non représenté.
La sortie
29 du collecteur 27 est également taraudée pour le raccordement d'un conduit de sortie 31, Les tubes échangeurs de chaleur 13 sont constitués par des tubes 32, en une matière relativement bonne con- ductrice, par exemple en cuivre, garnis d'ailettes hélicoïdales
33, de la même matière, brasées ou autrement fixées à 1 surface des tubes 32, de façon à assurer une bonne conduction dE la cha- leur, ce système augmentant efficacement la zone de tran:mission de chaleur extérieure des tubes. Les ailettes 33 peuvent être des
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anneaux sépares placés sur les tubes 32 mais, pour la facilita de la fabrication, elles seront de préférence prévues sous forme de spirales ou d'enroulements continus brass sur la surface externe .des tubes.
En vue d'une transiission de chaleur plus efficace, la rangée des tubes échangeurs à ailettes 13 est équipée de déflecteurs 35 composés de chicanes en T, présentant des plaques supérieures
36; les bords opposes de la branche supérieure du T reposent sur les parties supérieures des ailettes 33 de tubes voisins 13 et la branche verticale descendante 37 du T se place entre les ailettes de tubes voisins, Les déflecteurs peuvent être obtenus par lamina- ge ou pas soudage ou encore peuvent être coules'ou autrement fa- briqués en toute matière désirée. Los plaques supérieures voisines
36'sont écartées, come indiqué en 38, pour peroettre l'échappement des gaz de combustion lors de leur passage des brûleurs 11 à la hotte 15 et à la cheminée 16.
Les déflecteurs 35 s'étendent sensible- ment sur tout le foyer 12, entre les fonds 23 et 24, comme montra à la Fig. 2. Les branches verticales descendantes 37 s'étendent de préférence jusqu'à un niveau immédiatement inférieur au plan des axes des tubes 13 et, en se plaçant entre les bords dos ailettes voisines 33, ils assurent la position des déflecteurs 35 transver- salement aux tubes. Pour assujettir plus sûrement les déflecteurs 35 par rapport aux tubes échangeurs, des pattes de montage fendues 39 peuvent être prévues aux parois opposées des fonds 23 et 24, les angles inférieurs des branches 37 se logeant dans les fentes des pattes.
Bien que le dessin représente des chicanes en forme de T
35, il va de soi que les tubes d'extrémité de la rangée peuvent être équipés de chicanes en L, dont les branches verticles longent les parois latérales du foyer, leurs branches horizontales s'éten- dant vers l'intérieur et reposant sur les crêtes des ailettes des tubes échangeurs voisins. De même, des chicanes en double L, avec leurs branches verticales jointes, représenteraient l'équivalent
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parfait des chicanes en T qui viennent d'être décrites. Il est . bien entendu que la branche verticale de la chicane peut être omise.
La Fig. 3, en particulier, montre que les gaz de com- bustion s'élevant dans le foyer 12, à partir des brûleurs 11, pas. seront sur les surfaces de base et les surfaces latérales des ai- lettes 33, comme indiqué plus haut, mais qu'ils seront ensuite diriges par les déflecteurs, 35 de façon à contourner les tubes 32 et à être en contact avec les ailettes 33 au voisinage de la par- tie supérieure des tubes, avant de quitter la zone de transmission de chaleur par les fentes 38, Les fentes 38 sont formées par les espaces laissés entre les plaques supérieures 36 des déflecteurs' 35, dans les plans verticaux passant par les axes des tubes échan- . geurs, et elles auront de préférence la largeur minimum compatible avec un bon tirage de l'appareil.
Si les plaques supérieures 36 reposent directement sur les crêtes des ailettes 33, et si elles ne laissent entre elles qu'un espace minimum, les gaz de combustion passant sur les tubes échangeurs devront passer entre les surfaces .des ailettes, à la partie supérieure des tubes, ce qui augmentera la surface utile des ailettes.
Les gaz de combustion s'élevant entre les tubes échangeurs 13 ne pourront pas former de couches verticales dans lesquelles une partie des gaz en contact avec les ailettes 33 serait refroidie à une température inférieure à celle de.la partie des gaz qui n'est pas en .contact avec elles, ce qui permettrait l'échappement de cette seconde partie vers la cheminée, à une température élevée, avec perte du pouvoir calorifique utilisable. Par conséquent, les gaz de combustion sont captés dans les angles aigus ou les poches formés entre les plaques supérieures 36 et les branches descendan- tes 37 des déflecteurs 35, pour provoquer un tourbillonnement des gaz tandis qu'ils s'élèvent, si bien que les gaz à température plus élevée sont mélangés aux gaz à température plus bisse.
Les gaz sont donc refroidis uniformément et on évite ainsi la formation de cou-
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ches et la perte conséquente de chaleur par l'échappement de gaz à température élevée, Un corollaire de cet effet est l'augmenta- tion de la différence de température entre les ailettes et les gaz de combustion en contact avec elles, ce qui signifie une plus for- te transmission de chaleur. Ce phénomène est représenté par les flèches de tourbillonnement en boucle dans les angles formés par les parties supérieures et les branches descendantes des déflecteurs.
Une caractéristique des appareils de l'invention réside en ce que, du fait de l'utilisation plus efficiente de la surface des ailettes 33, on peut obtenir une transmission de chaleur suf- fisante avec une seule rangée de tubes échangeurs 13, si bien qu'il n'est pas nécessaire de disposer les tubes en couches multiples, auquel cas les tubes supérieurs seraient privés de la transmission dé chaleur par rayonnement direct de la flamme de combustion. C'est pourquoi le dispositif de chauffage de l'invention peut n'avoir qu'une seule rangée de tubes échangeurs, qui tous reçoivent de la chaleur par rayonnement direct de la flamme de combustion, et le rendement des tubes échangeurs de chaleur, pour un nombre et une surface donnés de ceux-ci, est relativement accru.
A titre d'exemple seulement, et sans aucune intention de limiter la portée de l'invention, on peut dire que pour des tubes échangeurs de chaleur 13 ayant un diamètre d'ailette, c'est-à-dire un diamètre hors tout de 1 5/8 pouce (41 mm), la fente ou l'espace laissé entre les parties supérieures 36 des déflecteurs 35 peut être de l'ordre de 1 pouce (6 mm), les branches descendantes 37 s'étendant, de préférence, comme on l'a décrit jusqu'à un niveau immédiatement inférieur au plan des axes des tubes.
Dans la variante représentée aux Fig. et 5, le déflecteur 35 est remplacé par un déflecteur 51 comprenant une partie supérieu- re 52, correspondant à la partie supérieure 36, et une branche ver- ticale descendante 53, correspondant à la branche verticale descen- dante 37. Toutefois, les bords de la partie supérieure 52 sont repliés vers le haut de façon à former des rebords 54 et 55, inclinés l'un
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par rapport à l'autre'et ne se trouvant donc pas dans un plan ver-, tical. Lorsque les déflecteurs 51 sont montés sur les tubes échan-' geurs de chaleur 13, comme le montre la Fig. 4, ils sont espaces et laissent entre leurs bords des fentes 56 dirigées verticalement au-dessus des axes des tubes.
Les déflecteurs 51 présentent donc en substance les mêmes avantages que les déflecteurs 35.
Les rebords 54 et 55 de déflecteurs voisins 51, qui se trouvent aux côtés opposés des fentes 56, constituer! des étrangle- ments divergents 57 qui jouent le rôle de diffuseurs pour trans- former l'énergie ou la vitesse d'écoulement des gaz de combustion passant par les fentes 56 en énergie de pression, lorsque ces gaz se dilatent dans les étranglements de diffuseurs.
L'espace laissé au-dessus des étranglements 57 et entre les tubes échangeurs 13 et la hotte 15 forme donc un collecteur pour les gaz dé combustion dans lequel la pression de ceux-ci augmente grâce aux étranglements
57 au délà de ce qu'elle serait si l'on utilisait les simples fentes
38 représentées aux Figs. 1 à 3. Cette augmentation de pression dans le collecteur augmente l'écoulement des gaz de combustion par la cheminée 16, ou bien elle permet des modifications de structure si l'on maintient l'écoulement des gaz de combustion tel qu'il était dans le premier cas, par exemple une diminution de la largeur des fentes 56 par rapport à celle des fentes 38, une réduction de la dimension de la cheminée partant de l'appareil ou une réduction de la hauteur de la chambre de combustion.
Il est bien entendu que la dimension des étranglements de diffuseurs n'est pas rigoureuse et qu'elle variera largement selon la dimension et la capacité des appareils chauffants. A titre d'exemple seulement, on peut dire que l'on obtient les résultats souhaitables si le rapport de la surface de sortie des étranglements de diffuseurs 57 à la surface des fentes 56 est de l'odre de 3 ou 4, et que l'angle de l'étranglement de diffuseur formé par les rebords voisins 54 et 55 peut varier entre 30 et 30 .
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Ainsi, si l'on poursuit les exemples donnas précédeament, la lar- geur de la tente 56 peut être de l'ordre de 1 pouce (6 mm), l'es- pace entre les bords supérieurs des rebords 54 et 55, de l'ordre de 3/4 pouce à 1 pouce (19 mm à 25 mm), l'angle compris entre les rebords voisins, en substance de 20 , et la hauteur verticale des rebords, d'environ 1 pouce (25 mm). Ces dimensions sont valables pour dos tubes échangeurs de chaleur 13 ayant un diamètre d'ailette,
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c'est-û-dtre un diamètre hors de 1 5/8 pouce (l7. 3) .
Bien que l'appareil pour le chauffage de fluides conforme à la présente invention ait été décrit et représenté en tant que chauffe-eau à écoulement continu, il est bien entendu que l'invention peut s'appliquer au chauffage de fluides traversant des tubes échangeurs de chaleur en général, que l'on utilise des produits de combustion ou d'autres fluides chauffants.
REVENDICATIONS
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1.- Appareil pour le chauffage de fluides comprenant un tube que traverse le fluide à chauffer, un dispositif chauffant prévu pour diriger le fluide chauffant vers le tube et chauffer ainsi le fluide que contient celui-ci, et un dispositif coopérant avec le tube pour provoquer l'écoulement du fluide chauffang vers la partie du tube distante du dispositif chauffant.