Dispositif échangeur de chaleur entre un courant de gaz chaud et un milieu à chauffer L'invention est relative à un dispositif échangeur de chaleur entre un courant de gaz chaud et un milieu à chauffer.
De tels dispositifs peuvent, par exemple, être constitués par les faisceaux tubulaires de chaudières, dont les tubes baignés extérieure ment par de l'eau, sont parcourus intérieurement par des produits chauds de combustion se ren dant à la cheminée.
Que l'échange s'effectue suivant le principe du contre-courant, réalisé soit dans le sens axial du faisceau, soit transversalement à lui, ou autrement, dans un tube quelconque, le cou rant gazeux pourra généralement se représenter par une gaine périphérique en contact avec la paroi interne du tube à laquelle elle cède sa chaleur en abaissant sa propre température et par laquelle sa vitesse d'écoulement est ra lentie en raison des frottements auxquels elle donne naissance, et un noyau central et axial plus chaud et s'écoulant à vitesse plus élevée que ladite gaine.
De ce fait, et bien que la chaleur soit trans mise du noyau central à la gaine périphérique, et cédée par elle au tube, les gaz qui vont pas ser à la cheminée ont une température nota blement plus élevée que celle qu'ils auraient eue si l'échange avait été effectif sensiblement dans la même mesure pour l'ensemble des gaz, tan dis que la vitesse moyenne du courant est inférieure à celle qui correspond à ladite tem pérature de départ.
Si cette température de départ, qui condi tionne le tirage et la marche du foyer, est accrue pour l'une ou l'autre raison, par exemple pour accroître l'intensité de la combustion, ces différences s'exagèrent, c'est-à-dire que le taux d'échange diminue et l'écart de la vitesse moyenne effective sur la vitesse théorique d'écoulement s'accroît.
Un moyen d'accroître le taux d'échange consiste à équiper l'espace interne du tube échangeur de chicanes destinées à brasser les gaz qui y circulent, faisant ainsi participer une plus grande masse de gaz à l'échange avec le tube, et l'on a proposé de très nombreux agen cements de chicanes de dispositions et orienta tions diverses.
Si, de cette façon, le taux d'échange est bien augmenté, par les frottements engendrés, lesdites chicanes peuvent ralentir l'écoulement des gaz au point que, pour main tenir l'allure de la combustion dans le foyer, il devient nécessaire d'accroître la température de départ des gaz à la cheminée ou alternati vement de réduire l'étendue du faisceau échan- geur. On a également tenté de freiner l'écoule ment du noyau axial en disposant, transversale ment dans son trajet d'écoulement, une chicane fermant partiellement l'extrémité d'aval d'un tube interne destiné à définir ledit noyau, et formant avec le tube échangeur un passage annulaire étroit pour la gaine gazeuse péri phérique.
Il est ainsi présumé qu'une plus grande quantité de chaleur sera prélevée aux gaz en écoulement et cédée au tube échangeur, mais néanmoins on ne peut éviter une tempé rature de départ des gaz encore exagérée et une vitesse moyenne d'écoulement inférieure et par suite, toutes autres choses égales, un taux d'échange élevé ne peut donc être atteint avec cette disposition.
Le dispositif échangeur de chaleur faisant l'objet de l'invention comprend un tube destiné à être traversé par le courant de gaz chaud et à être entouré par le milieu à chauffer, et un organe interne ayant approximativement la lon gueur du tube et disposé axialement dans celui- ci. Il est caractérisé en ce que ledit organe interne délimite avec la paroi interne du tube, au moins à l'aval de ce tube dans le sens de l'écoulement du courant, un espace annulaire dont la section est au plus égale à celle qu'il présente en tout autre emplacement de la lon gueur du tube, cet organe étant pourvu de moyens espacés, distribués sur toute sa lon gueur,
pour obliger des portions successives des gaz du noyau central du courant de gaz chaud à passer dans la gaine périphérique de ce cou rant maintenue en contact permanent avec la paroi du tube.
Dans une forme d'exécution particulière du dispositif, l'organe interne est constitué parc un tube fermé à son extrémité d'aval, et dont l'es pace interne est mis en communication avec l'espace annulaire formé entre les deux tubes, en différents emplacements de la longueur de cet espace annulaire.
Dans une autre forme d'exécution du dis positif, l'organe axial interne est un organe de section croissante dans le sens de l'écoulement, notamment de forme générale conique, confor mant le noyau central en veine creuse progres sivement épanouie vers l'extérieur, l'incorpora tion de portion de cette veine à la gaine périphérique s'obtenant à l'aide de chicanes conformées judicieusement, disposées à inter valles suivant la longueur dudit organe. Dans tous les cas, en même temps, la vitesse d'écoulement de la gaine périphérique est accé lérée, et comme les gaz partant à la cheminée sont exclusivement formés par ceux qui s'écou lent à l'extrémité d'aval de ladite gaine, la température en cet emplacement correspond bien à la vitesse moyenne de ces gaz de départ.
Le dispositif pourra encore comprendre des moyens régularisant l'écoulement des gaz de la gaine périphérique par guidage de ces gaz, en particulier suivant un trajet en hélice, lesdits moyens pouvant en outre, entre autres, concou rir à la transmission de chaleur au tube échan geur.
Les moyens de guidage ci-dessus peuvent être constitués par des chicanes, dont des portions au moins peuvent être utilisées pour concourir à l'épanouissement de la veine creuse formée à l'aide de l'organe interne et au pas sage de portions de ladite veine dans la gaine gazeuse périphérique.
L'organe interne pourra être maintenu à l'emplacement voulu de l'espace interne du tube échangeur par lesdits moyens de guidage lorsqu'ils sont présents, l'organe interne, avec ou sans moyens de guidage, pouvant être rendu amovible en cas de nécessité.
Le dessin annexé représente, à titre d'exem ple, deux formes d'exécution du dispositif faisant l'objet de l'invention.
La fig. 1 montre en élévation et coupe par tielle une première forme d'exécution. Les fig. 2 et 3 montrent de même, à 90 l'une de l'autre, deux vues d'une seconde forme d'exécution. La fig. 4 est une vue en coupe selon 4-4 de la fig. 3.
Le dispositif de la fig. 1 comprend un tube 1 qui fera généralement partie d'un fais ceau comprenant un certain nombre de tubes semblables plongés dans un fluide à échauffer et qui sont parcourus intérieurement par des gaz provenant d'un foyer et se rendant à une cheminée, qui n'ont pas été représentés.
Dans le tube 1, supposé parcouru par des gaz dans le sens de la flèche f, est disposé un la section va s'élargissant dans la direction de la flèche f, et qui, en pratique, peut avanta geusement être établi conique, l'organe 2a lais sant subsister entre lui-même et le tube 1, un espace annulaire 3 dont la section va en dimi nuant dans le sens de la flèche f.
Dès lors, le noyau gazeux central dans lequel l'organe 2a est plongé sera obligé de s'écouler sous forme d'une veine creuse dont le creux interne va s'élargissant, et de pénétrer dans, et se mélanger à la gaine externe s'écou lant au contact de la paroi interne du tube 1.
Pour assurer une pénétration et un mélange intime et complet de la veine centrale et de la gaine périphérique, des chicanes, partant de l'organe 2a et s'étendant vers, et le cas échéant jusqu'au tube 1, sont agencées et dis posées de façon que, de distance en distance, des portions de la veine centrale doivent s'en détacher et s'incorporer à la gaine externe.
Ces chicanes sont constituées par des élé ments 4a, formés par des portions en forme d'hélice, dont chacun présente une échancrure 5a dans son bord externe. On peut voir sur le dessin, en particulier à la fig. 3, que la veine creuse centrale ascen- sionnant à partir du bas du conduit 1 pourra, à gauche de l'organe 2a, poursuivre momenta nément son ascension, tandis qu'à droite une portion de la veine pourra traverser l'échancrure 5a et une autre portion devra suivre la chicane 4a rencontrée dans son mouvement ascendant, en étant ainsi amenée à l'échancrure 5a de la chicane 4a de gauche qui suit, et vers la gaine externe et la paroi du tube 1.
De la partie ascendante de gauche précitée de la veine, cette chicane 4a de gauche distrait au moins une portion, qu'elle conduit vers l'échancrure 5a de la chicane de droite qui suit dans le sens de l'écoulement, et ainsi vers la gaine externe et le tube 1. Ces actions se répètent aux chicanes successives rencontrées dans le sens de l'écou lement, la veine interne pénétrant donc, por tion par portion, dans, et faisant des apports cinétiques et thermiques successifs à la gaine externe, en s'incorporant dans, et se mélangeant à cette gaine gazeuse externe.
Comme il a été dit, l'écoulement de la gaine gazeuse externe est de préférence régularisé et ordonné, et les chicanes 4a remplissent conve nablement le rôle du guide nécessaire à cet effet, l'écoulement conjoint des veines et gaine le long de ces chicanes favorisant le mélange intime des fluides qui les composent.
On observera en outre que les chicanes 4a peuvent remplir la fonction d'organe de trans mission de chaleur à partir de l'organe 2a, et de plus assurer la localisation et le centrage de cet organe dans le tube 1.
Avantageusement, les chicanes 4a sont éta blies d'une pièce, par exemple venues de fon derie, avec l'organe 2a, lequel est supporté dans le tube 1 d'une manière quelconque appropriée, et par exemple, ainsi que représenté, par une saillie latérale supérieure 6, propre à venir re poser sur le bord supérieur du tube 1.
Bien que l'on ait représenté un organe 2a s'élargissant d'une façon uniforme, et des chi canes 4, 4a formées de tronçons d'hélice de pas uniforme, et d'un développement sensible ment égal dans le sens de l'écoulement, il est bien entendu que l'on pourrait apporter des modifications à ces dispositions, pour autant qu'à l'extrémité aval du tube la section de l'es pace annulaire soit, au plus, égale à celle qu'il présente en tout autre emplacement de la lon gueur du tube.
Dans les dispositifs décrits, un taux d'échange élevé peut être maintenu dans toute l'étendue du tube et, en outre, les gaz se ren dant à une cheminée formeront à la sortie du tube un seul courant homogène avec une tem pérature basse qui correspond effectivement à leur vitesse en cet endroit.
REVENDICATION Dispositif échangeur de chaleur entre un courant de gaz chaud et un milieu à chauffer, comprenant un tube destiné à être traversé par le courant de gaz chaud et à être entouré par le milieu à chauffer, et un organe interne ayant approximativement la longueur du tube et dis posé axialement dans celui-ci, caractérisé en ce que ledit organe interne délimite avec la paroi interne du tube, au moins à l'aval de ce tube tube 2 qui s'étend pratiquement sur toute la longueur du tube 1 et qui ménage entre lui et ce tube 1 un espace annulaire 3.
Les deux tubes 1 et 2 ont la même forme en section, par exemple une forme circulaire. Le tube 2 est fermé à son extrémité d'aval et ouvert à son extrémité d'amont. Entre ces deux extrémités, il comporte une série d'ou vertures 4, qui peuvent affecter toute forme appropriée, par exemple circulaire, et qui sont réparties suivant la longueur du tube, de ma nière telle que pour un courant de gaz péné trant en amont simultanément dans les deux tubes, on obtienne le passage progressif des gaz du noyau parcourant le tube 2 dans la gaine périphérique parcourant l'espace annulaire 3, suivant la répartition des températures que l'on désire obtenir sur la face externe du tube 1, c'est-à-dire suivant les conditions de l'échange thermique à satisfaire.
La répartition des ouvertures 4 peut natu rellement comprendre également une distribu tion circulaire, c'est-à-dire que lesdites ouver tures 4 ne sont pas nécessairement situées sur des génératrices du tube 2 comme il a été re présenté pour la clarté et la simplicité de l'illustration.
L'espace annulaire 3 peut avoir une section constante d'une extrémité à l'autre, mais cette section pourrait également diminuer, uniformé ment ou autrement, de l'extrémité amont à l'extrémité aval.
De même que pour l'espace annulaire 3, la section interne du tube 2 pourra varier, et par exemple progressivement décroître vers l'extrémité d'aval, notamment pour communi- niquer aux gaz du noyau interne telle vitesse d'écoulement que désirable dans ses diverses sections et par ses diverses ouvertures 4.
Comme les deux courants, central et péri phérique, sont incorporés l'un à l'autre, le cou rant s'écoulant à l'extrémité d'aval de l'espace annulaire 3 comprendra tous les gaz ayant pénétré dans les tubes 1 et 2 et leur tempé rature ainsi que leur vitesse moyenne seront caractéristiques de l'opération d'échange qui s'est déroulée. On pourra donc épuiser les calories contenues dans ces gaz jusqu'à la limite imposée par le tirage à maintenir pour le fonc tionnement convenable du foyer.
Dans le dispositif tel que jusqu'à présent décrit, les gaz de l'espace annulaire 3 peuvent s'y écouler arbitrairement, et des trajets préfé rentiels d'écoulement pourraient s'établir qui peuvent ne pas être désirables.
Pour y remédier, l'espace annulaire est muni de guides pour le courant en écoulement. De tels guides peuvent être choisis pour obte nir toute organisation désirée de l'écoulement, et, simplement à titre d'exemple, on a montré en 5 un guide constitué par une bande confor mée en hélice enroulée autour du tube 2 et déterminant dans l'espace annulaire 3 un trajet hélicoïdal pour les gaz et une répartition sensi blement uniforme dans le sens circonférentiel de la chaleur à transmettre au tube 1 et au fluide à échauffer qui le baignerait sur tout son pourtour.
Par cette disposition, le courant en écou lement dans l'espace 3 est régularisé sans intro duire de perte de charge ou frottement notable et si le guide 5 est étendu jusqu'au tube 1 et établi en matériau bon conducteur, il procurera en outre une transmission directe de chaleur du tube 2 au tube 1.
Par ailleurs, le guide 5 peut servir à définir l'emplacement à occuper par le tube 2 dans le tube 1, et au besoin à le fixer dans cet emplacement, soit par un engagement à serrage, soit par formation de points de soudure de liaison, soit par d'autres moyens.
Il est souvent préférable toutefois de rendre le tube 2, avec ou sans guide 5, amovible, ce qui permet, entre autres, de modifier à volonté les échanges thermiques réalisés, comme on le comprendra aisément.
Dans ce cas, le tube 2 peut être maintenu en place par tous moyens appropriés, et sim plement à titre d'exemple on a représenté en 6 un moyen constitué par une barre transversale qui prend appui sur l'extrémité du tube 1 et est fixée au tube 2 en maintenant celui-ci par suspension dans un tube échangeur vertical ou oblique.
Dans le dispositif des fig. 2 à 4, axialement dans le tube 1, est disposé un organe 2a, dont dans le sens de l'écoulement du courant, un espace annulaire dont la section est au plus égale à celle qu'il présente en tout autre empla cement de la longueur du tube, cet organe étant pourvu de moyens espacés distribués sur toute sa longueur, pour obliger des portions succes sives des gaz du noyau central du courant de gaz chaud à passer dans la gaine périphérique de ce courant maintenue en contact permanent avec la paroi du tube. SOUS-REVENDICATIONS 1.
Dispositif selon la revendication, carac térisé en ce que l'organe interne est constitué par un tube fermé à son extrémité d'aval, et dont l'espace interne est mis en communication avec l'espace annulaire formé entre les deux tubes, en différents emplacements de la longueur de cet espace annulaire. 2. Dispositif selon la revendication, carac térisé en ce que l'organe axial interne est un organe de section croissante dans le sens de l'écoulement, conformant le noyau gazeux cen tral en veine creuse progressivement épanouie vers l'extérieur, et qui est muni à intervalles, suivant sa longueur, de chicanes assurant l'in corporation de portions successives de ladite veine creuse dans la gaine périphérique.
3. Dispositif selon la revendication, carac térisé par des moyens de guidage associés à l'organe interne pour régulariser l'écoulement des gaz de la gaine périphérique. 4. Dispositif selon la revendication et la sous-revendication 3, caractérisé en ce que les- dits moyens de guidage sont également des moyens de transmission de chaleur au tube échangeur.
5. Dispositif selon la revendication et la sous-revendication 1, caractérisé en ce que ledit tube constituant l'organe interne a même forme de section que le tube échangeur et com porte dans sa paroi des ouvertures pratiquées de distance en distance, suivant sa longueur.
6. Dispositif selon la revendication et la sous-revendication 3, caractérisé en ce que l'or gane interne est maintenu en place par les moyens de guidage, en engagement de retenue avec l'un au moins des organe interne et tube échangeur. 7. Dispositif selon la revendication et la sous-revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de guidage ont une conformation en hélice.
8. Dispositif selon la revendication et la sous-revendication 2, caractérisé en ce que l'or gane axial de section croissante est conformé en cône de conicité uniforme.
9. Dispositif selon la revendication et la sous-revendication 2, caractérisé par des élé ments de chicane en forme d'hélice présentant chacun une échancrure pratiquée dans son bord externe.
10. Dispositif selon la revendication, carac térisé en ce que l'organe interne est supporté de façon amovible dans le tube échangeur par un élément formant saillie latéralement et repo sant sur un bord terminal du tube échangeur.