Elément perforé utilisé notamment comme échangeur de chaleur
La présente invention a pour objet un élément perforé utilisé notamment comme échangeur de chaleur, comprenant deux feuilles métalliques superposées l'une à l'autre avec espacement et scellées autour de leurs bords pour former entre elles une galerie, chaque feuille présentant des ouvertures dont chacune correspond à une ouverture de l'autre feuille. Cet élément est caractérisé en ce que la matière métallique entourant chaque ouverture de l'une des feuilles s'étend sous forme d'une saillie tubulaire vers l'autre feuille et engage la saillie tubulaire formant l'ouverture de l'autre feuille.
Cet échangeur peut être utilisé dans un bouilleur avec un brûleur.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, des formes d'exécution de la structure selon l'invention:
La fig. 1 est une vue en plan schématique d'un échangeur de chaleur constituant la première forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue en élévation partiellement en coupe correspondant à la fig. 1.
La fig. 3 est une vue à plus grande échelle d'un détail
représenté aux fig. 1 et 2.
La fig. 4 est une vue à plus grande échelle et partiellement en coupe d'un détail représenté aux fig. 1 et 2.
La fig. 5 est une vue en plan partielle d'un autre échangeur de chaleur constituant une seconde forme d'exécution.
La fig. 6 est une vue en élévation d'éléments représentés à la fig. 4.
La fig. 7 est une vue en perspective d'un bouilleur.
La fig. 8 est une coupe schématique correspondant à la fig. 7, et
la fig. 9 est une vue en perspective d'un autre bouilleur.
L'échangeur 1 représenté aux fig. 1 et 2 comprend une première feuille métallique 2 et une seconde feuille métallique 3 superposées à distance l'une de l'autre. Les feuilles 2 et 3 sont scellées autour de leurs bords par un joint 4 dans lequel le bord de la feuille 2 est replié autour du bord de la feuille 3 et soudé à ce dernier. II se forme ainsi une galerie 5 entre les feuilles qui communique, par des zones d'entrée 6 et de sortie 7, avec un tuyau d'entrée de fluide 8 et un tuyau de sortie du fluide 9.
Les zones d'entrée et de sortie 6, 7 sont formées par des dépressions en forme de cuvettes dans la feuille 2.
Les feuilles 2 et 3 présentent chacune des ouvertures 10 disposées selon un modèle régulier de rangées 11 à 17 s'étendant transversalement relativement à la direction d'écoulement du fluide à travers la galerie, les ouvertures 10 de chaque rangée étant décalées par rapport aux ouvertures de la rangée suivante (fig. 3). Les ouvertures 10 des feuilles respectives sont superposées par paires, chaque paire comprenant une ouverture dans chaque feuille. La feuille métallique entourant chaque ouverture 10 dans la feuille 2 s'étend sous forme d'une saillie tubulaire 18 vers la feuille opposée 3 en engagement réciproque avec une saillie tubulaire 19 formée du métal entourant l'autre ouverture de la paire, dans la feuille 3, pour former un tube 18, 19.
Les saillies tubulaires 18 et 19 sont formées dans chaque feuille respective par une opération de presse entre un plateau portant des poinçons circulaires disposés selon le modèle représenté et un plateau de matrice ajouré correspondant. Les saillies sont formées par les poinçons et leurs extrémités sont percées dans cette opération pour former les ouvertures 10. Les saillies 18, 19 présentent des extrémités extérieures cylindriques dont les diamètres sont choisis de manière que les feuilles puissent être jointes l'une à l'autre comme représenté, les saillies 18 et 19 s'engageant mutuellement (fig. 4). Au cours de l'assemblage, les saillies 18, 19 sont scellées ensemble par des techniques de soudure ou de brasage connues pour former les ouvertures 10 passant à travers l'ensemble et isolées de la galerie 5.
Pour améliorer la rigidité de l'assemblage et espacer les feuilles d'une distance précise afin d'assurer un espacement donné entre les parois de la galerie, les feuilles 2 et 3 sont formées avec des surfaces d'épaulement s'engageant mutuellement qui peuvent être soudées, brasées ou rivées ensemble. Des moyens de fixation de ce type peuvent être facultativement prévus dans des positions espacées dans la surface de l'échangeur aussi bien que sur ses bords.
En fonctionnement, I'échangeur de chaleur 1 peut être incorporé dans un bouilleur comprenant un brûleur à partir duquel les gaz chauds sont agencés pour passer à travers les ouvertures 10 comme le montrent les flèches de la fig. 2. De l'eau circule à travers l'échangeur depuis le tuyau d'entrée 8 jusqu'au tuyau de sortie 9, et en passant à travers la galerie, I'eau est obligée de s'écouler de manière turbulente autour des tubes 18, 19 entourant les ouvertures 10 (fig. 3). Cet écoulement turbulent améliore le transfert de chaleur à l'eau, et le grand nombre de passages constitués par les ouvertures 10 assure aussi à l'échangeur de bonnes propriétés de transfert thermique pour des écoulements à fort débit.
On peut noter que par suite du décalage des ouvertures 10 dans les rangées 11 à 17 successives l'écoulement du liquide à travers l'échangeur est rendu plus turbulent quand il passe à travers l'échangeur de l'entrée à la sortie que si le liquide s'écoulait parallèlement aux rangées il à 17. Dans cet arrangement, chaque tube 18, 19 divise le courant de liquide qui sort de l'intervalle entre les tubes dans la rangée voisine du côté amont.
Un avantage important de l'échangeur décrit est sa simplicité de construction, les ouvertures 10 pour l'écoulement du gaz étant entièrement formées à partir de la matière des deux feuilles par un simple poinçonnage.
Deux ou plus de deux échangeurs tels que celui décrit peuvent être disposés en série, par exemple dans une pile d'échangeurs disposés horizontalement pour extraire la chaleur d'une source commune de gaz chauds.
Les fig. 5 et 6 montrent un échangeur de chaleur 30 destiné à transférer la chaleur entre un fluide et deux autres fluides. L'échangeur 30, du type de celui décrit en regard des fig. 1 à 4, comprend des tubes à ailettes 31 passant à travers les ouvertures 32 formées à travers l'échangeur (correspondant aux ouvertures 10 des fig. 1 à 4). Les tubes 31, qui comprennent chacun quatre ailettes longitudinales 33, peuvent passer à travers plus d'un échangeur 30 comme indiqué en pointillé à la fig. 6.
En fonctionnement, de l'air peut passer à travers les ouvertures 32, dans les espaces entre les ailettes 33, et/ou transversalement aux tubes dans les espaces entre les échangeurs 30 successifs. Ainsi des fluides séparés circulant dans les tubes 31 et dans la galerie de l'échangeur 30 peuvent être chauffés ou refroidis simultanément.
Les fig. 7 et 8 montrent une application des échangeurs de chaleur du type représenté aux fig. 1 à 4, à un bouilleur 40 comprenant des brûleurs de forme générale similaire à l'échangeur décrit en regard de ces fig. 1 à 4 mais comprenant des saillies tubulaires d'engagement réciproque non scellées et rainurées pour permettre au gaz envoyé dans la galerie de s'échapper dans une zone de combustion où il brûle avec de l'air de combustion alimenté à travers les ouvertures. Des brûleurs de ce type sont connus.
Le bouilleur 40 comprend une enceinte 41 comprenant un conduit 42 (non représenté à la fig. 7) et un ventilateur 43 pour favoriser le mouvement vers le haut de l'air de combustion à travers le bouilleur. Quatre brûleurs 44 sont disposés par paires présentant chacune la forme d'un V inversé, et huit échangeurs de chaleur 45 sont disposés en quatre paires d'échangeurs espacés flanquant les brûleurs respectifs et parallèles à ceux-ci, inclinés l'un vers l'autre sur les brûleurs en formation de V inversé pour recevoir les gaz chauds produits par les brûleurs. Une tubulure 46 d'alimentation du gaz coopère avec les brûleurs 44 et des connexions d'eau 47 assurent la circulation d'eau à travers les échangeurs de chaleur 45, ces éléments de chaque paire étant en série.
L'écoulement des gaz de combustion à travers les échangeurs 45 est représenté par des flèches à la fig. 8.
Les échangeurs 45 présentent des ouvertures 48 formées par des projections tubulaires mutuellement engagées comme dans la forme d'exécution des fig. 1 à 4, mais les zones d'entrée et de sortie du fluide, qui sont représentées schématiquement seulement à la fig. 7, peuvent avoir toute forme appropriée.
Le bouilleur 60 représenté à la fig. 9 comprend une alimentation d'air à partir d'un conduit 61. Une enceinte 62 du bouilleur renferme un passage de sortie extérieur 63 et de l'air de combustion est aspiré à travers un passage d'entrée 64 par un ventilateur 65 qui fait passer l'air vers le bas dans un ensemble de brûleurs et d'échangeurs de chaleur comprenant trois brûleurs 66 montés verticalement et bord à bord de manière à former un triangle vu en plan sur une base fermée. Deux échangeurs de chaleur 67 sont disposés à proximité de chaque brûleur 66 pour recevoir les gaz de combustion chauds de la façon indiquée par les flèches, et ces brûleurs et échangeurs sont du type décrit en référence aux fig. 7 et 8. Les échangeurs 67 de chaque paire sont disposés en série et alimentés avec de l'eau à travers des tuyaux d'entrée 68, l'eau sortant par des tuyaux de sortie 69.
Les exemples décrits plus haut se rapportent à des échangeurs de chaleur, mais les éléments perforés décrits peuvent être appliqués aussi à des installations de distribution de gaz ou à des évaporations dans lesquels le gaz ou le liquide à distribuer est amené dans la galerie et peut s'échapper, par exemple à travers des rainures ou autres ouvertures ne scellant pas ensemble les saillies tubulaires. Le gaz ou le liquide peut être porté à distance de l'élément perforé par un tirage d'air forcé à travers les saillies.
Un évaporateur et un distributeur de ce type combiné peuvent être utilisés pour disperser de l'azote liquide afin de fournir un courant de gaz froid utilisé dans la congélation rapide des aliments. Un autre emploi d'un dispositif de ce genre concerne l'évaporation de l'eau, le dispositif agissant comme éléments de réduction de température et d'humidification dans une installation de conditionnement d'air.
Perforated element used in particular as a heat exchanger
The present invention relates to a perforated element used in particular as a heat exchanger, comprising two metal sheets superimposed on one another with spacing and sealed around their edges to form a gallery between them, each sheet having openings each of which corresponds to an opening of the other sheet. This element is characterized in that the metallic material surrounding each opening of one of the sheets extends in the form of a tubular projection towards the other sheet and engages the tubular projection forming the opening of the other sheet.
This exchanger can be used in a boiler with a burner.
The appended drawing represents, by way of example, embodiments of the structure according to the invention:
Fig. 1 is a schematic plan view of a heat exchanger constituting the first embodiment.
Fig. 2 is a partially sectioned elevational view corresponding to FIG. 1.
Fig. 3 is a view on a larger scale of a detail
shown in fig. 1 and 2.
Fig. 4 is a view on a larger scale and partially in section of a detail shown in FIGS. 1 and 2.
Fig. 5 is a partial plan view of another heat exchanger constituting a second embodiment.
Fig. 6 is an elevational view of elements shown in FIG. 4.
Fig. 7 is a perspective view of a boiler.
Fig. 8 is a schematic section corresponding to FIG. 7, and
fig. 9 is a perspective view of another boiler.
The exchanger 1 shown in FIGS. 1 and 2 comprises a first metal foil 2 and a second metal foil 3 superimposed at a distance from each other. Sheets 2 and 3 are sealed around their edges by a gasket 4 in which the edge of sheet 2 is folded around the edge of sheet 3 and welded to the latter. A gallery 5 is thus formed between the sheets which communicates, via inlet 6 and outlet 7 zones, with a fluid inlet pipe 8 and a fluid outlet pipe 9.
The inlet and outlet areas 6, 7 are formed by cup-shaped depressions in the sheet 2.
Sheets 2 and 3 each have openings 10 arranged in a regular pattern of rows 11 to 17 extending transversely with respect to the direction of fluid flow through the gallery, the openings 10 in each row being offset from the openings. of the next row (fig. 3). The openings 10 of the respective sheets are superimposed in pairs, each pair including an opening in each sheet. The metal foil surrounding each opening 10 in the foil 2 extends as a tubular protrusion 18 towards the opposing foil 3 in reciprocal engagement with a tubular protrusion 19 formed from the metal surrounding the other opening of the pair in the foil. 3, to form a tube 18, 19.
The tubular protrusions 18 and 19 are formed in each respective sheet by a pressing operation between a plate carrying circular punches arranged according to the model shown and a corresponding perforated die plate. The protrusions are formed by the punches and their ends are drilled in this operation to form the openings 10. The protrusions 18, 19 have cylindrical outer ends, the diameters of which are chosen so that the sheets can be joined together. another as shown, the projections 18 and 19 mutually engaging (Fig. 4). During assembly, protrusions 18, 19 are sealed together by known soldering or brazing techniques to form openings 10 passing through the assembly and isolated from gallery 5.
To improve the rigidity of the assembly and to space the sheets a precise distance to ensure a given spacing between the walls of the gallery, sheets 2 and 3 are formed with mutually engaging shoulder surfaces which can be welded, brazed or riveted together. Fixing means of this type may optionally be provided in spaced apart positions in the surface of the heat exchanger as well as on its edges.
In operation, the heat exchanger 1 can be incorporated into a boiler comprising a burner from which the hot gases are arranged to pass through the openings 10 as shown by the arrows in FIG. 2. Water circulates through the exchanger from the inlet pipe 8 to the outlet pipe 9, and while passing through the gallery, the water is forced to flow in a turbulent manner around the tubes. 18, 19 surrounding the openings 10 (fig. 3). This turbulent flow improves heat transfer to the water, and the large number of passages formed by the openings 10 also provides the exchanger with good heat transfer properties for high flow rate flows.
It can be noted that as a result of the offset of the openings 10 in successive rows 11 to 17, the flow of liquid through the exchanger is made more turbulent when it passes through the exchanger from the inlet to the outlet than if the liquid flowed parallel to rows 11 to 17. In this arrangement, each tube 18, 19 divides the liquid stream which exits the gap between the tubes in the neighboring row on the upstream side.
An important advantage of the exchanger described is its simplicity of construction, the openings 10 for the flow of gas being entirely formed from the material of the two sheets by simple punching.
Two or more exchangers such as the one described can be arranged in series, for example in a stack of exchangers arranged horizontally to extract heat from a common source of hot gases.
Figs. 5 and 6 show a heat exchanger 30 for transferring heat between a fluid and two other fluids. The exchanger 30, of the type described with reference to FIGS. 1 to 4, comprises finned tubes 31 passing through the openings 32 formed through the exchanger (corresponding to the openings 10 of Figs. 1 to 4). The tubes 31, which each comprise four longitudinal fins 33, can pass through more than one exchanger 30 as indicated in dotted lines in FIG. 6.
In operation, air can pass through the openings 32, into the spaces between the fins 33, and / or transversely to the tubes in the spaces between the successive exchangers 30. Thus, the separated fluids circulating in the tubes 31 and in the gallery of the exchanger 30 can be heated or cooled simultaneously.
Figs. 7 and 8 show an application of heat exchangers of the type shown in FIGS. 1 to 4, to a boiler 40 comprising burners of general shape similar to the exchanger described with reference to these FIGS. 1 to 4 but comprising unsealed and grooved mutually engaging tubular protrusions to allow gas sent through the gallery to escape to a combustion zone where it burns with combustion air supplied through the openings. Burners of this type are known.
The boiler 40 comprises an enclosure 41 comprising a duct 42 (not shown in FIG. 7) and a fan 43 to promote the upward movement of the combustion air through the boiler. Four burners 44 are arranged in pairs each having the shape of an inverted V, and eight heat exchangers 45 are arranged in four pairs of spaced exchangers flanking and parallel to the respective burners, inclined towards each other. the other on the burners forming an inverted V to receive the hot gases produced by the burners. A gas supply pipe 46 cooperates with the burners 44 and water connections 47 ensure the circulation of water through the heat exchangers 45, these elements of each pair being in series.
The flow of combustion gases through exchangers 45 is represented by arrows in FIG. 8.
The exchangers 45 have openings 48 formed by mutually engaged tubular projections as in the embodiment of FIGS. 1 to 4, but the fluid inlet and outlet areas, which are shown schematically only in FIG. 7, can have any suitable shape.
The boiler 60 shown in FIG. 9 comprises an air supply from a duct 61. A boiler enclosure 62 encloses an exterior outlet passage 63 and combustion air is drawn through an inlet passage 64 by a fan 65 which causes passing the air downwards through a set of burners and heat exchangers comprising three burners 66 mounted vertically and edge to edge so as to form a triangle seen in plan on a closed base. Two heat exchangers 67 are arranged near each burner 66 to receive the hot combustion gases in the manner indicated by the arrows, and these burners and exchangers are of the type described with reference to FIGS. 7 and 8. The exchangers 67 of each pair are arranged in series and supplied with water through inlet pipes 68, the water leaving through outlet pipes 69.
The examples described above relate to heat exchangers, but the perforated elements described can also be applied to gas distribution installations or to evaporations in which the gas or the liquid to be distributed is brought into the gallery and can s 'escape, for example through grooves or other openings which do not seal the tubular protrusions together. The gas or liquid can be carried away from the perforated member by a forced draft of air through the protrusions.
Such a combined evaporator and distributor can be used to disperse liquid nitrogen to provide a stream of cold gas used in the rapid freezing of food. Another use of a device of this type relates to the evaporation of water, the device acting as temperature reduction and humidification elements in an air conditioning installation.