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Perfectionnements aux surfaces de chauffe aquatubulaires.
L'invention a pour objet de transformer la surface exté- rieure de tubes cylindriques faits de métaux étirés de haute ré- sistance dans le but d'obtenir de nouveaux résultats aux points . de vue des échanges thermiques, de la réduction des pertes de charge du flux gazeux, et de la suppression des dépôts de pous- sières.
On sait - et surtout depuis les remarquables études des films gazeux par le Dr. Ing. Hans Thoma de Munich - que dans une surface de chauffe aquatubulaire disposée suivant Fig. 1, la face postérieure al des tubes a, placée hors du trajet ef- fectif des gaz, est le siège d'un échange thermique de beau- coup moins actif que leur face antérieure a2, contre laquelle le contact des gaz est intégral.
On sait aussi que les chocs répétés des gaz à la rencon- ' tre des tubes, ainsi que les déformations successives du flux gazeux, accompagnées de changements de direction, ont pour ré- , sultat de créer des remous et des résistances importantes au mouvement des gaz,. résistances qui doivent être surmontées par un supplément de tirage ou de pression.
On sait enfin que les gaz chargés de poussières abandon-
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nent facilement celles-ci aux endroits a1 (Fig. 1) où leur vitesse est très réduite, et où les poussières s'accumulent bientôt sous forme de prismes triangulaires b formant de véri- tables enduits d'isolation thermique.
Ces divers inconvénients sont encore aggravés lorsque les tubes cylindriques sont garnis de nervures ou d'ailettes embrassant le corps des tubes.
Il en résulte que le rendement moyen de tubages ainsi disposés n'atteint qu'une fraction notablement réduite de celui qui correspondrait à leur surface totale.
L'invention repose sur la faculté que possèdent les mé- taux, fer ductile ou fonte de fer, de transmettre par conduc- tibilité des sommes de chaleur dont l'importance est fonction des sections de métal mises en jeu; elle consiste essentielle- ment à modifier la forme des tubes cylindriques en métaux étirés en les enrobant dans un corps métallique avec lequel ils sont en contact intime et dont les faces extérieures principa- les offertes au léchage du flux gazeux sont rectilignes et pa- rallèles au plan axial des tubes.
Si un tube renfermant un liquide est mis en contact inti- me avec un corps métallique placé dans un courant de gaz de température différente, et qui ait une épaisseur importante par rapport à sa surface, ce corps représentera un prolonge- ment effectif de la surface du tube lui-même, et la tempéra- ture de l'ensemble s'uniformisera d'autant mieux que sera plus forte l'épaisseur du corps, dénommé ci-après "corps de con- centration".
Cette association du tube cylindrique étiré avec le corps métallique qui l'enveloppe, permet d'assigner aux surfaces extérieures des formes spéciales qui, en supprimant tous remous par changements de direction du flux gazeux, écartent la cause principale des dépots poussiéreux et des résistances au passa- ge des gaz.
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Les appareils peuvent être disposés pour que le flux gazeux circule, soit perpendiculairement, soit parallèlement à la direction des tubes renfermant le liquide.
La fig. 2 représente le type élémentaire de la première disposition caractérisé par un tube a en métal étiré, entouré du corps métallique c en fonte de fer, fer laminé ou autres métaux, qui recouvre toute la longueur du tube.
La flèche d indique la direction du courant gazeux qui, après avoir pénétré par les surfaces adductrices e, passe entre les surfaces planes f; ces surfaces f peuvent être paral- lèles entre elles suivant Fig. 2, ou légèrement divergentes suivant Fig. 3. Par cette dernière disposition, appliquée pour gaz chauffants, et lorsqu'il est nécessaire de réduire les pertes de charge au minimum, la vitesse des gaz à la sortie est réduite tout à la fois par un certain accroissement de la section et par la réduction de volume correspondante au refroidissement des gaz; pour assurer l'épanouissement op- timum des gaz à la sortie, l'élément métallique peut être complété par une pièce h en matière réfractaire quelconque dont le profil rappelle celui d'une poupe de navire.
D'ailleurs, la surface métallique i (Fig. 2 et 3) est considérée comme inactive et destinée, si les pièces h ne sont pas appliquées, à être bientôt remplie par les poussières, tandis que les surfaces actives e, f restent absolument libres de tous dépôts.
La section évidée i pourrait évidemment être remplie de métal, mais le poids total deviendrait beaucoup plus élevé sans aucune utilité. suivant l'importance des échanges thermiques à obtenir; le corps de concentration c peut être accouplé (Fig. 4) à un ou plusieurs corps supplémentaires c1 superposés, dont chacun comporte un tube étiré a.
Ces différents corps peuvent aussi n'en former qu'un seul c (Fig. 5) enveloppant deux ou plusieurs tubes; dans ce cas
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les évidements j sont ménagés dans ces corps pour en réduire le poids, ce qui est particulièrement facile si lesdits corps sont coulés en fonte.
Les appareils peuvent également être disposés pour que le courant gazeux circule parallèlement à la direction des tubes a; les profils des surfaces sont toujours rectilignes dans le sens du flux gazeux, Mais ils peuvent affecter des formes assez diverses, dont les deux principales sont représen- tées en Fig. 6 et 7.
La Fig. 6 représente des corps plats c juxtaposés dans lesquels les tubes a sont noyés; le flux gazeux passe en k entre les deux surfaces rectilignes f ; les trous j constituent les évidements,
La fig. 7 représente un autre profil d'éléments en étoile qui, par leur juxtaposition, forment des passages de gaz cir- culaires faciles à nettoyer si c'était nécessaire; a sont les tubes étirés, c les corps de concentrationet k les passages des gaz.
Chaque tube peut être fixé dans un corps de concentration isolé ; mais plusieurs tubes peuvent être pris dans une seule de garniture composée de plusieurs corps/concentration en étoiles formant, par exemple, une rangée de quelques tubes, ou toute autre combinaison d'assemblage.
Lorsqu'il s'agit de refroidir des gaz très chauds, le corps de concentration c peut avoir une section transversale uniforme sur toute sa longueur, sa surface .extérieure restant lisse (Fig. 2,3,4,5).
Il est cependant, dans la plupart des cas, pourvu de nervures ou de lames telles que 1 parallèles entre elles (Fig.
8), placées dans des plans perpendiculaires (Fig.9) ou obli- ques (Fig. 10) par rapport à l'axe du tubage, et qui consti- tuent ainsi des ailettes développant la surface du corps.de concentration.
Chacun des corps de concentration représentés aux figures
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ci-dessus décrites, qu'il soit monotubulaire ou multitubulaire, constitue un élément d'échange.
Les Fig. 2, 3, 4 et 6 représentent deux éléments sembla- bles juxtaposés; le nombre de ces éléments juxtaposés peut évidemment être quelconque, de même que la longueur axiale de chaque élément, suivant l'importance des échanges thermi- ques à obtenir.
Les tubes étirés qui sont insérés dans la masse des corps de concentration peuvent être rigoureusement parallèles entre eux ou légèrement obliques les uns par rapport aux au- tres lorsque leur réunion forme un serpentin; dans ce dernier cas, ils peuvent être faits d'un seul bout ou de longueurs droites réunies l'une à l'autre, par leurs extrémités, à 1' aide de boites, raccords ou coudes appropriés.
Les éléments d'échange, établis suivant l'une ou l'autre des variantes décrites ci-dessus, sont juxtaposés en nombre quelconque, et chacun d'eux est relié, par sa partie inférieure, à un collecteur d'alimentation, et par sa partie supérieure à un collecteur de sortie.
Les Fig. il et 12 représentent en deux vues perpendicu- laires l'une sur l'autre l'assemblage normal d'éléments tra- versés verticalement par les gaz, et reliés à un collecteur d'alimentation m ainsi qu'à un collecteur de sortie n. Dans cette position, fréquemment appliquée, les divers tubes a de chaque élément sont superposés les uns aux autres et cette superposition suffit, si même les tubes sont horizontaux et parallèles entre eux, à assurer la circulation des fluides qu'ils renferment.
Lorsque l'assemblage des éléments doit être traversé par un flux gazeux horizontal, il est nécessaire, pour obtenir la marche des deux fluides à contre-courant, de placer horizon- talement aussi les éléments juxtaposés; mais cette position horizontale présentait l'inconvénient de paralyser la circu-
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lation des fluides liquides renfermés dans les tubes. La
Fig. 13 représente la disposition spéciale employée pour as- surer la marche à contre-courant dans le sens horizontal en même temps que la circulation ascendante ou descendante des fluides renfermés dans les tubes.
Tandis que le flux gazeux extérieur chemine horizontalement suivant V W le fluide inté- rieur chemine à contre-courant suivant X Y ; mais chaque élé- ment est légèrement incliné sur l'horizon, de façon que chacun des tubes qui le compose se trouve à un niveau légèrement dif- férent du niveau du tube voisin; cette légère différence de niveau suffit à assurer la circulation inférieure, si même chacun des tubes est isolément horizontal.
Tous les dispositifs précédents supposent les tubes tra- versés par un liquide; l'invention prévoit néanmoins qu'ils peuvent être aussi bien traversés par de la vapeur.
Quoique, suivant l'invention, les corps de concentration décrits puissent se faire en pièces détachées, enfilées, jux- taposées et serties sur le ou les tubes par tous les moyens connus, l'invention se rapporte aussi à l'emploi des moyens ci-après qui permettent la réalisation des corps de concentra- tion en fonte par la coulée directe de la fonte sur les tubes en métaux étirés.
Ce mode de réalisation doit satisfaire à certaines con- ditions spéciales; la masse de fonte qui constitue le corps de concentration ne doit comporter que les épaisseurs utiles à la transmission de la chaleur, afin de ne pas augmenter inu- tilement le poids et le volume des appareils.
C'est ainsi que l'épaisseur du corps, dans ses parties planes, ne doit être que de quelques millimètres supérieure au diamètre extérieur des tubes étirés qui y sont noyés; mais ceux-ci, au contact de la fonte en fusion, subissent de vio- lentes dilatations qui tendent à les déformer en les déplaçant, et produisent des -pièces inutilisables.
Or le centrage transversal des tubes doit être maintenu
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rigoureusement exact dans le corps de fonte, afin de conserver à celui-ci sa régularité d'épaisseur, même aux endroits où cette épaisseur doit être le plus réduite.
Dans le moulage, soit en sable, soit en coquille métalli- que, ce résultat est obtenu en faisant coulisser les tubes librement dans de véritables guides métalliques qui peuvent être constitués de différentes fagons. La plus simple consis- te, suivant Fig. 14 et 15, à enfiler de place en place, sur les tubes étirés, des plaques de tôle de fer ou d'acier o découpées suivant le profil transversal que doit avoir le corps de concentration. Ces plaques viennent s'appuyer sur le moule et restent prises dans la fonte après la coulée; elles ont de concentration en outre pour effet de fragmenter le corps/en une série de tronçons juxtaposés, séparés entre eux par les plaques de tôle, et libres de subir des efforts de dilatation quelque peu dif- férents de ceux que subiront les tubes intérieurs faits de métaux ductiles.
Le centrage des tubes dans les moules peut être également obtenu à l'aide de pointeaux p (ou de couteaux) en fer ou acier, de profil légèrement cônique, fixés aux châssis de fonderie q (ou aux parois des coquilles métalliques) (Fig. 16), de telle façon qu'ils viennent, lorsque le moule est refermé pour la coulée, appuyer sur les tubes étirés a dans les di- rections voulues pour assurer leur centrage parfait, tout en laissant les tubes libres de se dilater longitudinalement par glissement ,
Dès que la coulée est faite, et que les tubes étirés sont pris dans la fonte, ces pointeaux (ou couteaux) sont retirés facilement grâce à leur profil cônique (ou en forme de V); leur extraction laisse leur empreinte en creux dans le corps de concentration, ce qui n'entraîne aucun inconvénient.
Enfin, lorsque le corps de concentration doit être garni extérieurement des nervures ou ailettes 1 décrites ci-avant,
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ces extensions de surface peuvent, au lieu de venir de fonte d'une pièce avec le corps de concentration, être constituées par des lames métalliques, en fonte, en fer ou en acier rap- portées dans le moule de fonderie pour être prises dans la fonte du corps c lors de la coulée de celui-ci; dans ce cas, suivant Fig. 17 et 18, ces lames rapportées 1 sont posées di- rectement en contact avec les tubes a sur chaque face de ceux-ci.
Ces lames rapportées 1 sont maintenues en place, pour la coulée, soit par le sable de moulage, soit par les parois de la coquille métallique.
Revendications.
1.- Procédé pour la construction d'échangeurs de chaleur suivant lequel des tubes cylindriques faits de métaux étirés de haute résistance sont pourvus de garnitures métalliques adhérentes, laminées, estampées ou fondues, caractérisé par la modification de la forme des tubes cylindriques en les enrobant dans un corps métallique avec lequel ils sont en contact intime et dont les faces extérieures principales of- fertes au léchage du flux gazeux sont rectilignes et paral- lèles au plan axial des tubes.
2. - Echangeur selon 1, caractérisé en ce que le corps de concentration est rectangulaire et a une épaisseur légè- rement supérieure au diamètre du ou des tubes.
3. - Echangeur selon 1 et 2 comportant plusieurs tubes, caractérisé en ce que les faces formant les grands côtés du corps de concentration rectangulaire sont parallèles au plan axial des tubes.
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