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Perfectionnements aux échangeurs de chaleur à surface destinés aux fluides.
La présente invention concerne des perfectionne- ments apportes, aux échangeurs de chaleur à surface destinés aux fluides et du genre dans lequel les fluides entre les- quels un échange de chaleur doit avoir lieu coulent ou se meuvent au contact des faces opposées d'une paroi de rnde surface bonne conductrice de la chaleur,
Dans la construction des échangeurs de chaleur .antérieurement connus, il était de pre tique courante d'es- sayer d'obtenir le maximum de vitesse possible- des fluides se mouvant au contact de la surface transmettrice de chaleur,
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afin d'assurer un taux élevé d'échange de chaleur. Une telle disposition présente l'inconvénient d'exiger une dé-
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pense considérable en force motrice pour maintenir la vites- se des fluides.
Comme autre moyen d'augmenter le taux change de chaleur, on a disposé des chicanes ou autres obstacles sur le chemin'des'fluides, ou bien ou a fait en sorte ue la direction du mouveaent des fluides change à des
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intervalles fréquents, ""ais tous les dispositifs employés à cet effet augmentent la quantité d'énergie nécessaire pour la n;arche de l'échanQeur de chaleur.
La présente invention a par conséquent pour objet un échangeai de chaleur par lequel les inconvénients men-
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tionnés ci-dessus sont en grande partie évités et dans lequel la dépense en force rtotrice est relativement faible par rapport aux appareils connus. Ces avantages présentent évi-
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lenrnent une grande importance du point de vue technique et industriel , et l'invention peut être considérée comme rési- dant dans un appareil échangeur de chaleur pour fluides qui
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permet c'obtenir un taux élevé d'échange de chaleur entre les fluiaes chaud et froid respectifs en ne soumettant les :"!'-'] des passant sur les surface!; de transmission de chaleur '.:.1.'à. une très faible chute de.pression.
En d'autres termes, la .r-3ent.e inventioil permet de réaliser un taux très élevé d'échange de chaleur avec des vitesses linéaires relative- ment faibles du ":10 .1.ve!i:ent des fluides et, par conséquent , la chute de pression que subit le fluide entre son admission à l'appareil et son échappement de l'appareil est faible,
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ce qui, ainsi .1.10ë l'a dit précédemment, constitue un ré- sultan très avantageux.
L'échangeur de chaleur pour fluides suivant l'in- vention, du.type dans lequel les fluides entre lesquels on se propose d'effectuer un échange de chaleur coulent ou se meuvent au contact des faces opposées d'une paroi transmet-
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trice de chaleur, est caractérisé par le fait que la paroi transmettrice de chaleur est établie de telle sorte qu'elle forme avec une des deux parois transmettrices de chaleur adjacentes ou les deux ou avec une des deux parois extrêmes de l'appareil ou les deux une série de conduits resserrés ou de section limitée reliant entre elles une série de cham- bres et dont la forme est telle qu'ils communiquent au jet ces de fluide sortant de./ conduits un mouvement de direction dé- finie,
en les projetant par exemple contre une ou plusieurs parois transmettrices de chaleur de la chambre suivante.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, la forme de la paroi transmettrice de chaleur est telle que les conduits de section limitée auxquels elle donne naissance pos - ;'i sèdent, par rapport aux chambres qu'ils relient, une forme et des dimensions telle que leur prof il est sensiblement celui d'un tube de Venturi, ce qui réduit au minimum la perte de pression quise produit dans le passage du fluide d'une chambre à une autre.
D'autres caractéristiques importantes de cette inven- tion seront mises en évidence au cours de la description don- néeci-après de ses modes de réalisation préférés, qui ont été représentés dans les dessins annexés et qui concernent une construction d'appareil agencée pour pouvoir facilement être démontée en vue du nettoyage, ce qui constitue un fac- teur essentiel dans le traitement de certains liquides tels que le lait ou la bière, par exemple.
Il sera. toutefois évi- dent pour l'homme du métier que les principes surlesquels est b:isée la présente invention ;peuvent facilement être appliqués à des consturctions dans lesquelles des facilités de démonta- le,de ce genre ne sont pas nécessaires, comme par exemple le condenseurs de vapeur et les appareils a.nalogues.
Daris les dessins annexés :
Fig. 1 est la vue de face d'un cadre destiné à un
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échangeur de chaleur suivant l'invention.
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2 est une coupe de ce cadre suivant'A-A (fig.l).
3 3 représente une plaque destinée à être âp.pli- quée conjointement avec le àadre de fig. 1 comme on le verra plus loin.
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.é ig, est une coupe verticale de la plaque de f ig.3.
Fig. 5 représente des plaques et cadres tels qu'ils
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Eu-,it assemblés en position l'intérieur d'un échangeur de chaleur.
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Fig. ô est une coupe à plus grande échelle d'une des chambres et des conduits d'admission et d'échappement s'y rap- portant.
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7 ett une coupe transversale de la plaque de fil, 3, suivant 3-3 (fig. 3) et du cadre de fin. 1.
Fig. 8 représente une construction modifiée de ca- dre et de plaque.
Fig. 9 représente une autre disposition de cadres et de plaques.
Fig. 10 représente une variante dans laquelle le cadre et la plaque sont combinés,
Fig. 11 représente une disposition comportant des plaques moulées.
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Jià, 12 et 13 sont des coupes transversales d'autres formes de plaques saivant l'invention.
Le cadre 1 représenté dans la figure 1 est un cadre rigide ouvert, de la forme représentée, qui présente des deux côtés des canaux destinés 3. recevoir une matière à. joint élas- tique telle que des anneaux de caoutchouc 2. Dans chaque cadrd
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a:,t pra,zes des lumières d'admission 3 et d'échappement 4, pour un des fluides, et des lumières de transfert 5 et 6, pour l'autre fluide. En travers des dites lumières d'admission et
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dl,-ci-.appement so.it prévues des grilles de support 7 dont le r8-
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leest d'empêcher la pression du fluide de déformer les pla- ques minces 8, ce qui provoquerait des fuites.
Des pattes 9 sont prévues pour permettre de supporter et (ou) d'assembler à l'aide de boulons un certain nombre de cadres et de pla- ques, par exemple, sous forme d'un appareil complet en soi.
La plaque 8 de fig. 3 est une plaque mince faite d'un métal tel que le cuivre ordinaire , le cuivre étamé, l'acier inoxydable, etc., selon la nature et les propriétés du fluide ou des liquides à traiter. Elle possède la même forle gênétale que le cadre 1 et présente quatre lumières 10, 11, 12 et 13. Les lumières 10 et 11 coïncident avec. les lumières d'admission 3¯ et d'échappement 4 du cadre 1, et les lumières 12 et 13 coïncident avec les lumières de transfert 5 et 6. Si on le désire, une ou plusieurs des lumières 10, 11, 12, 13 peuvent être laissées non découpées, selon la direction du mouvement que les fluides sont appelés à rece- voir.
Des dépressions ou parties en creux 14, appelées ci- après "rigoles" sont constituées dans les plaques 8, que ce soit par emboutissage, par moulage ou par usinage, ces pla- ques possédant ainsi la section transversale de fig. 4. La forme d'une de ces rigoles 14 est représentée à plus grande échelle dans la fig. 62.
Dans l'appareil, les cadres et plaques assemblés alternent, comme on le voit dans la fig. 5, qui est une cou- pe longitudinal, ces organes étant prévus en nombre corres- pondant aux quantités de liquide à traiter. On voit que, lorsque ces organes ont ainsi été assemblés, l'appareil com- porte une série de chambres 15 reliées entre elles par des conduits resserrés 16 constituant une gorge entre deux cham- bres consécutives. Un des fluides ou liquides (par exemple de l'eau chaude) traverse en série un des Groupes de cham- bres et conduits dans le sens indiqué par les flèches H.W.
(fig. 5) , et l'autre fluide ou liquide (par exemple du lait) traverse les chambres et conduits situés de l'autre côté de
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la paroi transmettrice de chaleur constituée par la plaque
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2, de préférence en contre-courant par rapport au courant d'eau chaude et comme indiqué par les flèches M, 1''échange de chaleur ayant lieu entre les deux fluides ou liquides'qui sont maintenus entièrement séparés par les garnitures d'é- tanchéité en caoutchouc 2, les petites fuites susceptibles ie sa produire autour des lumières s'échappant.. par le ca- nal sa constitué entre ces lumières et le dispositif d'ob-
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turation prévu autour du corps du cadre.
Po.# que l'invention puisse être appliquée aux élé- ::ents adjacents aux pièces ou parois extrêmes de l' a.p¯ ureil - entra lesquelles les 9Laques et cadres sont normalement pla- cés, une de ces parois extrêmes peutiprésenter s. sa surface des rigoles disposées de la même façon que celles des pla-
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quels, l'autre paroi extrême étant munie de saillies qui cor- re#pz-aàù;.t 1, la partie convexe des rigoles, de façon que les conduits resserrés et les chambres intercalées soient aussi constitués entre les plaques transmettrices de chaleur et les paroisextrêmes. Dans certaines circoustances il peu;.
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être suffisant de ne prévoir qu'une seule plaque transmet- zrice de chaleur 8.
Dans ce cas, les parois extrêmes de l'ap- pareil coopèrent directement avec la plaque unique 8 et leur surface présente des rigoles ou des saillies de la façon
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précédesnent décrite, Toutefois, si, dans un cas quelconque, il est désirable de ne faire passer qu'un des fluides à tra- vers des conduits resserrés et chambres, la plaque ou paroi extrême peut être plane sur le c3té opposé à la plaque trans-
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xiettrice de chaleur.
On voit dans les figures 5 et 6 que le profil ou la section transversale du conduit ou "gorge" 16 ressemble à celui d'un tube de Venturi en ce sens que le dit conduit se rétrécit graduellement jusqu'à une section ttansversale minimum et se réélargit alors de nouveau, La relation préfé-
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rée entre les diverses dimensions d'un tube de Venturi, c'est à dire le taux de contraction et de dilatation et.lerapport entre ce taux et les dimensions de la section minimum, sont bien connus de l'homme du métier.
Une des propriétés d'un tu- be de Venturi est que la pertede pression du liquide qui le traverse est minimum, et le demandeur pense que le fait de donner cette forme aux conduits de l'appareil faisant l'objet de l'invention est une des raisons importantes pour lesquel- les les fluides ne subissent qu'une faible perte de pression dans leur passage à travers cet appareil.
Il n'est pas nécessaire, suivant la présente inven- tuon, que le profil du conduit 16 soit exactement celui d'un tube de Venturi, Le demandeur a en effet constaté qu'on ob- tient de très bons résultats avec des conduits dont le pro- fil n'est qu'approximativement le même que celui du tube de Venturi, pourvu qu'ils offrent une contraction graduelle et un élargissement subséquent.
Une autre propriété des conduits conevergents-diver- gerts précédemment décrits est qu'ils communiquent au fluide les traversant un mouvement dont la direction est bien défi- nie,,et ceci constitue une autre caractéristique importante de la présente invention. La vapeur ou jet de liquide émer- eant du conduit 16 de fig. 6 est dirigée contre la paroi 14a de la chambre 15. La, paroi 14 a 'est en contact avec l'autre fluide se mouvant dans la chambre correspondante et le jet de fluide, sortant avec une vitesse considérable du conduit 16 et venant directement frapper la surface 14a, effectue un degré élevé d'échange de chaleur, à travers la pario 14a , avec l'autre fluide qui est en contact avec la face opposée de cette paroi .
L'inventeur a effectué des expériences à l'effet de déterminer la forme des lignes d'écoulement du fluide'-dans les conduits 16 et la chambre 15 et a trouvé,
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est possible, avec les dispositions suivant l'invention, si les proportions sont convenablement choisies, de diriger le jet de fluide contre la parci 14a, puis la majeure partie du dit fluide contre la paroi 17, certaines parties du courant d'ailleurs renvoyées contre la paroi 14, en sorte que, dans chaque chambre et pour chaque fluide, il existe au moins un point où un jet de fluide frappe directement une paroi transmettrice de chaleur,
et l'on peut faire en sorte quele courant de fluide frappe ainsi deux ou plus de deux points et qus les zones de stagnation se trouvent réduites au mini- mur, ce qui assure un degré très élevéd'efficacité d'échange de chaleur conjointement avec une très faible perte de pres- sion des fluides traversant,l'appareil, c'est à dire deux caractéristiques éminemment désirables dans les échangeurs de chaleur.
Les dimensions et la forme des conduits 16 sont dé- terminées par la forme des côtés 17 de la rigole, et l'angle suivant lequel le jet de fluide frappe la ou les parois de la chambre 15 peut aussi être déterminé par les mêmes facteurs.
L'inventeur a découvert que, pour obtenir une construction dont le fonctionnement soit efficace, la fabrication commode et le nettoyage facile, il ne faut pas que l'angle que fait le coté 17 de la rigole avec le plan de la plaque 8 soit supé- rieur à 80 ni inférieur à 60 . Les c8tés de la rigole sont de préférence (mais non nécessairement) plats sur la majeure partie de leur étendue, comme représenté dans la fig. 6, et se raccordent au fond de la rigole-.. et à la plaque par des cour- bes régulières qui constituent le conduit en forme de tube de venturi précédemment décrit.
La forme de la chambre 15 et celle des conduits 16 sont en outre gouverné par le rapport des dimensions b et c a a (voir fi.6). L'inventeur a découvert que, dans le cas de liquides dont la viscosité est approximativement celle de l'eau,
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on peut avantageusement adopter pour b des valeurs compri- a ses entre 4 et 5,5en vue d'assurer la fac ili té de nettoya- ge et les conditions de fabrication commode compatibles avec des taux élevés d'échange de chaleur et une faible perte de pression. En ce qui concerne le rapport c, des va- a leurs comprises entre 1/4 et 1/2 donnent des résultats sa- tisfaisants, mais l'invention n'est pas limitée à. ces va- leurs.
Les dimensions du conduit 16 dépendront naturelle- ment de la nature du liquide à traiter. par exemple; dans le cas du traitement d'un brassin contenant du houblon ou de lait qui, sous l'influence de la chaleur, donne un dép6t de caséine, il est possible qu'il soit nécessaire de donner au conduit des dimensions plus grandes que dans le cas de l'eau pour emppécher le risque d'engorgement, et les liqui- des visqueux tels que la crème peuvent aussi exiger un con- duit relativement large. Il ressort de ce qui précède qu'on peut faire varier entre de grandes limites la pression né- cessaire en sacrifiant quelque peu le taux d'échange de cha- leur .
Dans certaines circonstances, il peut.être désira-' ble de faire en sorte que les axes majeurs des lumières 3 et 4 soient inclinés par rapport à la direction des rigoles, au lieu de leur être parallèles comme dans la figure 1. Ceci peut assurer une distribution plus uniforme du fluide sur les plaques, surtout si la largeur de la laumiére n'est qu' environ la moitié de la longueur de la rigole, comme dans les figures 1 et 8. Les lumières 5 et 6 et les ouvertures 10, 11,12,et 13 de la plaque de fig. 3 servaient similairement inclinées. a titre d'alternative, on peut intercaler entre ..,les lumières et la première rigole une obstruction allant en se.. rétrécissant.
Cette obstruction peut affecter la forme d'un.renflement matricé sur la plaque ou d'une barre portée par la plaque ou par le cadre.
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Fig. 7 est une coipe transversale de l'ensemble de plaque etde cadre suivant une line transversale à la direc- tien du fluide. On a représente ici la forme des: extrémités de la rigole 14. il est désirable que les extrémités']8.¯de la rigole, qui sont parallèles à la direction de l'écoule- :ent des fluides, fasse avec le plan de la plaque le mêie sagleque les cotés 17 de cette rigole, qui sont transver- saux à la direction du courant de fluide, afin de réduire au minimum le volume de fluide s'échappant de la rigole à tra- vers l'espace 19 qui sépare l'extrémité de.la rigole du ca- dre coopérant, sans cependant rencdre Exagérément difficile le nettoyage des rigoles.
Le bord interne du cadre peut aussi 'être :iseauté de façon à posséder la forme de l'espace 19 représenté dans fig. 7 et à réduire ainsi les fuites au mi- nimum en remplissant l'espace qui resterait autrement ouvert. fig.8 montre une autre disposition de cadre et de plaque dans laquelle le fluide décrit un parcours en forme d'U au contact de la plaque. Les rigoles sont disposées en deux groupes placés cote à c8te comme représenté et le fluide passe successivement à travers les deux groupes.
A cet effet, une nervure de guidage saillante 20 portée par le cadre prin- cipal 1 sépare les deux groupes de rigoles mais laisse un in- tervalle 21 permettant au fluide de passer d'un groupe à l'au- tre; in joint de caoutchouc peut être prévu sur la nervure 20 de même que sur le cadre 1. On peut substituer à cette nervure de guidage 20 du cadre un renflement embouti ou autrement cons- titué sur la plaque et occupant la place de la nervure. Si on le désire, le sonnet du renflement peut présenter une dépres- sion propre à recevoir un joint.
Fig. 9 représente un autre type de cadre et de plaque suivant 1 invention. Dans ce cas, les rigoles sont disposées en trois Lroupes et des nervures 20 portées par le cadre obli-
Gent le fluide à décrire trois passages sur la plaque entre les lumières d'admission et d'échappement, Si on le désire, or. peut remplacer les nervures 20 par des renfements cons-
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titués sur les plaques, comme décrit au sujet de fig. 8.
Les lumières 3a, 4a, 5a, 6a ont de préférence la même longueur, dans la direction de leur axe majeur, que les rigoles, comme représenté, afin d'assurer une distribution uniforme du fluide sur les plaques et de réduire autant que possible la perte de pression qui se produit à l'entrée et à la sortie de la plaque.
Il est clair qu'or, pourrait adopter un nombre quelconque de sections de parcours en zig-zag de ce genre.
Fig. 10 montre une autre disposition dans laquelle les cadres 23 sont soudés aux plaques ±\. on autrement rendus solidaires de ces plaques, comme représenté. Ceci permet de diminuer de moitié le nombre de joints de caoutchouc nécessai- re et peut être avantageux dans certains cas. Si on le désire,.: le cadre supérieur 23 de fig. 10 peut être considéré comme re- tourné sens dessus dessous et fixé à la plaque inférieure, de sorte que deux cadres 23 sont assujettis sur les deux faces d'un groupe de plaques tandis que les plaques alternantes sont planes ou dépourvues de cadres sur leurs bords.
A titre d'al- ternative, le cadre de section en U 23 peut être remplacé -par deux rebords parallèles fixés à la plaque de façon à consti- tuer un canal propre à recevoir le joint, ou bien on peut fi- xer ou coller directement le joint au bord de la plaque, l'un ou chacun des rebords étant supprimé- Cette construction per- met de diminuer dans une mesure plus grande encore la sépa,- ration des plaques.
Fig. 11 représente l'application de plaques mou- lées à la présente invention, les cadres étant supprimés.
Les plaques 24 reçoivent par moulage la forme représentée comprenant des nervures 25 transversales à la direction du courant de fluide, de sorte que lorsque les plaques sont as- sembléey, il existe des chambres 15 reliées entre elles par de des conduits 16 ayant approximativement la forme/tubes de
Venturi, comme dans le cas de fig. 5. Si on le désire, toute-
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fois, la disposition des nervures peut varier d'une des faces de la plaue : l'autre.
Par exemple, les nervures coopérantes portées par les deux plaques adjacentes peuvent ïtre espacées de façon que les chambres qui existent sur une des faces ., lune plaque possèdent des dimensions différentes de celle qui exis- tent sur l'autre face, de même qu'il n'est pas nécessaire que les directions du mouvement des fluides en contact avec les deux faces de la plaque soient parallèles dans ce mode de réa- lisa.tion. Par exemple, les deux fluides peuvent se mouvoir à angle droit l'un par rapport à l'autre, les nervures étant dis- posées en conséquence.
Les plaques comportent des lumières d'admission, d'échappement et de transfert des fluides comme dans les -iode-- de réalisation précédents. fig. 12 et 13 représentent d'autres formes qu'on peut donner à titre de variantes aux rigoles suivant l'inven- tion. Dans fi. 12, les rigoles ont une section transversale en tents de scie, l'angle 26 ayant approximativement 90 ou un peu plus. Dans la fi. 13, les plaques sont façonnées de facon que deux plaques adjacentes constituent conjointement des conduits resserrés lorsqu'elles sont assemblées.
On voit que le jet de fluide sortant du conduit 28, par exemple, est projeté contre les parois transmettrices de chaleur 29 de la chanhre suivante et que le jet du second fluide sortant du conduit 30 est aussi projeté contre l'autre c8té de la plaque 29, ce qui favorise l'obtention d'un bon échange de chaleur entre les deux fluides, avec un;: très faible perte de pression.
Un procédé qui peut être commode dans certains cas pour énablir un appareil échangeur de chaleur sdivantl'inven- tien consiste à constituer une paroi transmettrice de chaleur en pliant une plaque métallique sur la largeur entière de cette placée de facon à lui donner la section transversale ce fig.4 et à solder alors des plaques latérales destinées à obturer les extrés 18 des rigoles 14.
Si plusieurs pla-
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ques sont assemblées de façon à constituer un échangeur de chaleur, une seule plaque assujettie en travers de chaque côté suffira pour maintenir la série entière de plaques en position, A titre de variante, le bord de la plaque trans- mettrice de chaleur, établie de la façon qu'on vient de dé- crire ou comme dans la figure 3, peut être plié et soudé à la plaque suivante d'une manière propre à constituer un joint étanche ou hermétique.
Be plus, dans l'une quelconque des dispositions précédemment décrites, on peut munir les plaques de petites entailles ou saillies supplémentaires disposées à certains intervalles le long des cotés ou des fonds des rigoles 14.
Ces éléments entrent en contact avec les plaques adjacentes et servent à maintenir l'espacement correct des plaques. Ils empêchent les plaques de subir, sous l'influence d'un excès de pression existant sur une des faces, une déformation qui pourrait changer les dimensions de la gorge 16. Appliquée à la construction décrite dans le paragraphe précédent, cette disposition permet de se dispenser d'avoir recours à l'appli- cation de cadres distincts pour espacer les plaques.
On a décrit précédemment plusieurs modes de réali- sation préférés de l'invention, mais il est bien entendu que celle-ci ne doit pas être considérée comme leur étant limitée et qu'elle est susceptible de recevoir d'autres modes de réa- lisation et diverses modifications sans s'écarter de son es- prit. En particulier, l'invention n'est nullement limitée à son application a. des parois transmettrices de chaleur planes, étant donné qu'elle peut aussi avantageusement être appliquée à des parois d'autres formes, par exemple cylindriques ou co- , niques.