CH322574A - Dispositif échangeur de chaleur entre un courant de gaz chaud et un milieu à chauffer - Google Patents

Dispositif échangeur de chaleur entre un courant de gaz chaud et un milieu à chauffer

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Description


      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.

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