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BREVET D'INVENTION PERFECTIONNEMENTS AUX ECHANGEURS THERMIQUES.
L'invention est relative aux échangeurs thermiques, cette expression englobant tous les appareils ou dispositifs dans lesquels un échange de calories s'effectue entre au moins deux systèmes à des températures différentes, l'un des systèmes compre- nant au moins un fluide et le ou les autres systèmes comprenant au moins un fluide ou, et un solide, l'échange s'effectuant par con- tact direct ou indirect entre fluides ou fluide et solide, et con- cerne plus spécialement les échangeurs dans lesquels de la chaleur (ou du froid) est transmise d'un fluide chaud (ou froid) à un autre fluide ou solide à échauffer (ou à refroidir), comme par exemple les chaudières, notamment à faisceaux tubulaires, les réchauffeurs de liquides ou de gaz, ,les appareils de distillation, de réfrigéra- tion ou autres, les fours, et appareils analogues.
Elle a pour but surtout d'accroître le rendement de ces dispositifs dU appareils et d'atténuer les variations qui peuvent se manifester dans l'échange calorifique si des modifications vien-
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nent à se produire dans les températures de l'un des systèmes, ou des éléments de ces derniers.
L'invention est basée sur ce fait d'observation que si, à un système de deux fluides, ou plus généralement de deux corps dont l'un au moins est fluide, l'état de fluidité étant en princi- pe quelconque, dans un état d'échange thermique réciproque, on associe un élément ou corps rayonnant, il en résulte , toutes cho- ses égales, une variation de température par rapport à l'état pré- existant.
En conséquence, l'invention consiste, dans sa généralité, à faire intervenir, dans un appareil ou dispositif du genre défini, comprenant au moins deux corps dont l'un au moins est fluide, l'é- tat de fluidité étant en principe quelconque, en état d'échange thermique, un ou des éléments ou corps rayonnants, de pouvoir rayonnant approprié, de façon à obtenir, toutes choses égales, un accroissement de température ou de vitesse d'échauffement de l'au- tre ou des autres fluides ou corps du système par rapport à l'état préexistant.
On donnera naturellement aux éléments ou corps rayonnants des emplacements propres à leur permettre d'agir de la manière la plus efficace, en tenant compte des lois de transmission et du rayonnement qui interviennent. Par exemple lorsque le système échan geur comprend des fluides émetteurs (par convention on qualifiera d'émetteur un fluide chaud relativement, du système), en particu- lier en état de mouvement et qui s'écoulent notamment sous forme de veines, tous les points des fluides émetteurs ou des veines de ces fluides, en état d'échange thermique, avec un ou des fluides, ou corps récepteurs, ou des veines de ces fluides (récepteur dési- gnant par convention un ou des' fluides ou corps froids;
relative- ment), ne se trouvent pas à égale température et les points ou zô- nes de ces fluides ou veines dont les températures sont les plus élevées pourront communiquer le plus de chaleur aux éléments ou corps rayonnants, en accroissant l'effet utile de ces derniers.
Conformément,l'invention consiste également à agencer le ou les éléments ou corps rayonnants, de manière à leur permettre
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d'agir de la manière la plus efficace en tenant compte des lois de transmission et du rayonnement, en particulier à les influen- cer par les températures les plus élevées du ou des fluides trans- metteurs,, notamment à les disposer ou les faire pénétrer, tout au moins en partie, aux points ou dans les zones des dites tempé- ratures élevées.
Gomme l'intervention de corps ou d'éléments rayonnants in- troduit des modifications dans un système du genre défini en état d'échange thermique, en agissant sur la dite intervention on pour- 'ra en varier les effets, c'est à dite graduer à volonté les modi- fications introduites.
L'invention consiste donc encore à agencer le ou les élé- ments ou corps rayonnants de façon à pouvoir modifier à volonté leur influence dans le système en état d'échange thermique, soit en agissant sur leur étendue, soit en modifiant leur action rayon- nante dans le système.
Et afin que l'on puisse bien comprendre comment les disposi- tions caractéristiques peuvent être pratiquement réalisées on dé- crira ci-après plus en détails, en référence au dessin annexé, certains agencements préférés,-- donnés bien entendu au seul ti- tre d'exemples -- prévus dans un des cas d'application de l'inven- tion, également indiqué à titre d'exemple.
Dans le dessin ;
Fig.1 est une vue partielle en coupe, plus ou moins schéma- tique, d'un dispositif générateur de vapeur comportant application de l'invention; Fig.2 montre en coupe transversale partielle, à travers l'un des faisceaux du générateur, par exemple, suivant 2-2 de la fig.l, une disposition de corps ou éléments rayonnants,-,
Fig.3 montre en coupe transversale partielle à travers un des faisceaux du générateur, par exemple sensiblement suivant 3-3 de la fig.l, une variante d'agencement.
Fig.4 à 7 montrent d'autres variantes ; Figs 8 et 9 montrent deux variantes d'application.
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En se référant à la Fig.1, 1 désigne l'espace foyer d'un gé- nérateur, dont les flammes et produits de combustion parcourent ensuite divers carneaux, comme il est indiqué par les flèches F, F1....F4 pour se rendre, par 2, à la cheminée (non représentée).
Dans ces carneaux sont montés, respectivement, le faisceau tubulaire principal 3, en liaison avec les collecteurs 4 et 5, un faisceau ou groupe de tubes surchauffeurs 6, en liaison avec le collecteur-, 5 et un départ de vapeur, non représenté, et un fais- ceau ou groupe de tubes réchauffeurs 7, dont les liaisons sont en elles-mêmes bien connues et n'ont pas été représentées.
Suivant l'invention, pour accroitee la transmission de cha- leur des flammes et produits de combustion, aux faisceaux et aux fluides y contenus,on associe à chacun ou certains de ces faisceaux, et en intéressant la totalité ou une partie seulement de chacun d'eux, des éléments ou corps rayonnants,dont le pouvoir rayonnant est plus élevé que celui des gaz de combustion qui s'écoulent entre les tubes du faisceau ou de la portion de faisceau considéré.
Pour constituer les corps ou éléments rayonnants, on choisira naturellement des matières dont le pouvoir rayonnant est le plus élevé possible, et qui sont d'autre part propres à satisfaire aux autres conditions de l'emploi particulier visé. Ainsi on pourra, dans le cas considéré, employer divers métaux, tels que le fer, la fonte, l'aluminium, le cuivre ou autres; divers matériaux, telles la silice, la pierre , l'amiante ou autres, les surfaces actives des éléments ou corps étant de préférence apprêtées pour en augmenter le pouvoir rayonnant, et par exemple.'recouvertes de phosphates de fer, de carbonates de plomb, d'oxydes de fer, de noir de fumée , ou autres.
Comme ces corps ou éléments sont également destinés à préle- ver au milieu gazeux chaud le maximum possible de chaleur, le choix se portera par préférence sur les matières présentant égale- ment des coefficients élevés de conductibilité, comme les métaux déjà mentionnés.
Ces corps ou éléments pourront recevoir les conformations les plus variées, en développant autant que possible leur étendue
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réelle et apparente.
Dans l'exemple illustré, on a prévu des plaques 8, dont on se réserve de rainurer ou développer autrement l'étendue, dispo- sées entre les rangées des tubes, comme le montrent clairement les figs. 2 et 3.
Pour la faisceau tubulaire 3, les plaques 8 n'ont été pré- vues que dans la partie inférieure, là où les produits de combus- tion, s'écoulant suivant la flècheF2, ont déjà abandonné, une notable portion de leurs calories, tandis que la partie supérieure ne comporte pas de plaques 8, l'échange thermique entre les pro- duits de combustion à haute température et les éléments du fais- ceau s'effectuant déjà dans de'bonnes conditions. Il va de soi pourtant que des éléments ou corps rayonnants, telles des plaques 8, pourraient être prévus également dans cette partie.
Si l'on considère que les z8nes ou points les plus chauds des veines fluides qui parcourent les faisceaux, sont, d'une manière approchée, situés dans les portions centrales des veines élémentaires, on remarque que si l'écoulement s'effectue, dans l'ensemble, transversalement au faisceau, on pourra adopter avan- tageusement la disposition illustrée dans la fig.3, dans laquelle les plaques 8 sont généralement planes, mais que si l'écoulement s'effectue, dans l'ensemble, suivant l'axe du faisceau, la dispo- sition de la fig.2 peut présenter plus d'intérêt, les ondulations formées dans les plaques faisant pénétrer ces dernières dans les portions centrales des veines fluides s'écoulant entre tous les tubes.
En raison de la présence des éléments ou corps définis, illustrés par les plaques 8, dans les veines fluides chaudes et entre les tubes 9 des faisceaux, on assure, par transmission du fluide aux plaques, un épuisement plus complet des calories du fluide, notamment dans les portions transmettant d'une manière directe le moins de chaleur aux tubes 9, tandis que par rayonne- ment des plaques 8 vers les tubes 9, on accroit la température de ces derniers.
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Il en résulte une.moindre température de départ ou sortie des gaz de combustion en 2, et un échauffement plus marqué, ou plus rapide du ou des fluides à échauffer.
Ces résultats conduisent, dans une installation ou un appareil donné, à un accroissement du rendement d'ensemble et, pour des installations ou appareils à établir, permettent une ré- duction d'étendue des faisceaux et de l'ensemble.
D'autre part, si la température des produits de combus- tion ou fluide chaud vient à se modifier assez rapidement, dans le sens d'un abaissement, les corps ou éléments illustrés par les pla- ques 8 continueront à rayonner vers les¯tubes 9 ce qui procurera u- ne atténuation plus ou moins marquée des effets de la variation.
Il en serait de même si au lieu d'un abaissement de la température des produits de combustion ou fluide chaud, c'était la température du fluide froid qui brusquement s'abaissait, en en- trainant un abaissement rapide de la température du fluide chaud.
Les dits éléments ou corps, illustrés par les plaques 8, jouent à ce point de vue la rôle d'un volant de chaleur, lequel agit également pour des variations inverses de celles dont il vient d'être question.
Dans la fig.4, au lieu d'éléments ou corps en forme de plaques, on a-prévu, entre les tubes 9, d'autres tubes 10, les vei- nes fluides élémentaires qui traversent longitudinalement le fais- ceau entre les tubes 9 traversant également les tubes 10, lesquels renferment en quelque sorte les portions centrales les-plus chau- des des dites veines fluides élémentaires.
Il en résulte un échange thermique actif entre ces por- tions des veines élémentaires et les tubes 10, lesquels rayonnent alors leur chaleur vers les tubes 9.
Si on le désirait, les tubes 10 pourraient être équipés d'ailèttes internes, par exemple radiales, ou plissés ou ondulés circulairement comme il est figuré pour certains d'entre eux, afin d'assurer un échange thermique plus actif sans entraver sérieuse- ment l'écoulement du fluide.
Dans les dispositions précédentes on a supposé les élé-
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ments ou corps rayonnants fixes ou d'étendue constante, si bien qu'ils possèdent une action en quelque sorte invariable. Il rentre dans le cadre de l'invention de modifier cette action et, à cet effet, de rendre les corps ou éléments rayonnants mobiles, de fa- çon à pouvoir les engager en plus ou moins grand nombre, ou bien ensemble dans une plus ou moins grande mesure, dans le système, ou les retirer, de même, de ce dernier.
A cet effet, comme il est par exemple illustré dans la fig.5 pour un faisceau tel que le faisceau 7 de la fig.l, les éléments ou corps rayonnants, telles que les plaques 8, sont prolongés, par exemple en bout, jusqu'à l'extérieur du carneau, des moyens mécani- ques étant prévus en cet endroit pour engager ou retirer, à la manière indiquée, les éléments ou corps rayonnants. Dans l'exemple on a prévu une suspension équilibrée plus ou moins complètement, illustrée par un cable 11 fixé à une plaque 8, ou bien à une tra- verse réunissant une série de plaques 8, et passant sur les poulies de renvoi 12 et 13 d'un bâti approprié pour s'attacher, à son au- tre extrémité, à un contrepoids 14.
Bien entendu tous autres moyens de manoeuvre pourraient être rayonnants adoptés, de même que les corps ou éléments /pourraient être dépla- cés latéralement au lieu d'être soulevés ou abaissés.
En retirant ou en engageant plus ou moins les corps ou élé- ments dans l'enceinte d'échange thermique entre les fluides,on pourra ainsi modifier l'action des corps ou éléments et influer sur l'échange thermique entre les fluides.
Il rentre en outre dans le cadre de l'invention de prévoir un isolement thermique des parties des corps ou éléments amenées, par retrait, à l'extérieur de l'espace où se produit l'échange thermique entre les fluides.
Les parties en retrait qui s'échauffent par conductibilité à partir des parties des corps ou éléments se trouvant dans l'en- ceinte , agiront, lors de leur ré-introduction, avec une plus gran- de rapidité, en accroissant ainsi l'effet de l'introduction.
Dans la figure 5 on a schématisé le système calorifuge par une enveloppe 15, tout autre agencement pouvant bien entendu être
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adopté. Au lieu d'être extraits du carneau, comme dans l'exemple précédent, les corps ou éléments pourraient y être constamment maintenus, mais simplement plus ou moins dégagés d'entre les tubes 9 comme il est figuré en traits interrompus dans la figure, le résultat obtenu étant, d'une manière approchée, le même que précé- demment.
D'autres moyens peuvent encore être employés pour modifier l'action des corps ou éléments rayonnants.
C'est ainsi que dans la figure 6 on a prévu des corps ou éléments agencés de façon à pouvoir facilement être développés en étendue, les corps ou éléments étant à cet effet composés de tron- çons ou éléments 16 juxtaposés, assemblés entre eux de façon appro- priée, comme, notamment, par des articulations, des liaisons lâches, ou semblables, la figure représentant, respectivement en traits pleins, en traits interrompus et en traits mixtes, un corps rayon- nant développé, replié et partiellement développé.
Bien entendu, au lieu de corps formés de tronçons en plaques ou semblables, on pourrait prévoir tout autre agencement de corps développable, par exemple des tronçons de tubes télescopants.
Un autre moyen permettant de modifier laction des corps ou éléments rayonnants a été représenté dans la fig.7.
Il consiste à constituer ces corps ou éléments par des tronçons orientables, par exemple montés à la manière des lames des jalousies, dont les faces sont tournées vers les tubes 9 en position active, ou disposées plus ou moins angulairement par rap- port à ces tubes pour modifier plus ou moins leur action.
La figure montre des éléments 17, articulés sur des barres parallèles 18),manoeuvrables de l'extérieur, le tracé en traits pleins montrant les éléments 17 dans leur position active, tournés vers les tubes 9 et le tracé en traits interrompus montrant ces mêmes éléments orientés dans une position relativement angulaire, avec une réduction résultante d'action sur les tubes.
Il rentre encore dans le cadre de l'invention de conformer les corps, ou éléments, non seulement pour accroitre leur étendue
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réelle , mais aussi pour, en raison de leur forme, accroitre l'ac- tion en des pointa ou zones déterminée.
A cet effet, et par exemple, on pourra donner aux corps ou éléments, ou à des portions de ces corps ou éléments, des confor- mations propres à concentrer leur rayonnement, et c'est ainsi, notamment que, dans la fig.7, on a donné aux tronçons ou éléments 17 des conformations en coquilles ou analogues, satisfaisant aux conditions désirées pour concentrer les rayonnements sur les tu- bes 9.
Dans la fig.8 on a représenté¯d'une façon conventionnelle une batterie de cornues 18 constituant un laboratoire dans lequel peut être exécuté tout traitement, réaction,et analogues,dans 'lesquels la chaleur intervient, ces cornues étant associées à des carneaux 19 parcourus par un fluide de chauffage.
Des éléments rayonnants 8 sont disposés dans les carneaux 19, de façon à accroitre l'échange thermique entre le fluide et les cornues, les éléments 8 pouvant être établis fixes ou rendus mobiles suivant les conditions que l'on désire satisfaire.
Dans la fig.9, 18 désigne également des cornues, par exem- ple des cellules de fours à coke et 21 une chambre de chauffage, comportant par exemple des brûleurs 22, entre ces cellules.
Des éléments rayonnants 8 sont prévus dans les parties de la chambre 21, telles que leur action concoure, par exemple, à uniformiser l'échauffement des cornues ou cellules 18, les élé- ments 8 pouvant encore ici être établis fixes, par exemple sous forme de murets, ou rendus mobiles, à volonté.
Bien entendu, les divers moyens précédents pourront être combinés entre eux, de même que l'on pourrait imaginer d'autres moyens ou variantes pour concourir aux buts poursuivis, et ces moyens peuvent être utilisés non seulement dans les cas d'appli- dans cation plus spécialement décrits, mais/ tous systèmes dans lesquels se produisent des échanges thermiques.