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Echangeur de chaleur du type en tôle enroulée en spirale ou autre type analogue et son procédé de construction.
La présente invention se rapporte aux appareils dite "échangeurs de chaleur" en tôle enroulée en spirale ainsi qu'à des appareils analogues pour la transmission indirecte de la chaleur entre des agents qui s'écoulent, appareils consistant en une construction en tôle comportant des canaux en spirale s'étendant séparément les uns à coté des autres ou d'autres canaux de passage de forme analogue pour les agents rechange de chaleur, ces canaux étant constitués par et entre des pièces en tôle enroulées d'une façon essentiellement parallèle les unes par rapport aux autres, en formant les parois des canaux à travers lesquels se transmet la chaleur, et un certain nombre d'entretoises ou pièces d'écartement, rigides,
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de dimensions relativement faibles étant fixées dans tous les sens,
sur au moins une des-parois des canaux, de manière à déterminer la section de passage.
Comme entretoise', on a déjà employé avec succès dans des dispositifs de ce genre de petits corps massifs et cylindriques dont une des extrémités était usuellement soudée à une des parois en t61e, par exemple par soudure électrique ordinaire, en y appliquant par fusion un supplément de matière qui s'accumule sous,forme d'une protubérance en un endroit voisin de la périphérie de l'entretoise.
L'avantage de ces entretoises et d'autres entretoises analogues est surtout que les parois des canaux sont ainsi, d'une manière satisfaisante, rendues assez facilement accessibles à partir des extrémités frontales de l'appareil, en vue de leur inspection et de leur nettoyage mécanique et, pour réaliser les conditions les meilleures possibles de ce point de vue, on s'est efforcé jusqutà présent d'employer un nombre aussi réduit d'entretoises clairsemées qu'il est admissible, compte tenu des exigences du point de vue de la résistance.
Suivant le procédé usuel et le moins coûteux de construction, on pourvoit d'abord d'entretoises les pièces de tôle planes, puis on les enroule les unes autour des autres, ce qu'on exécute en les reliant, à une de leurs extrémités, à un dispositif approprié à. moyeu, après quoi on fait tourner ce dispositif, et par conséquent les extrémités internes de la tôle, les pièces de t61e étant guidées pendant ce temps entre une paire de sabots de frein ou d'autres organes analogues, une pression étant exercée ainsi sur les deux faces de la tôle de telle sorte qu'elles se trouvent sous tension et sont cintrées conformément à la partie intérieure déjà achevée.
Pour donner dans ces circonstances aux parois des canaux une forme continue et régulière, on
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oonsidérait autrefois, qu'il était nécessaire d'interposer aussi entre les pièces de t61e dans le sens longitudinal, aux extrémités frontales, des fils métalliques, que l'on détache ensuite sauf dans le cas où ils peuvent servir à la fermeture des c6tés des canaux: Il est évident que de tels organes d'appui auxiliaires étaient nécessaires aussi dans les modes de construction antérieurs à entretoises relativement écartées.
Ce procédé de construction est toutefois très défectueux à de nombreux points de vue et il entraîne de tels inconvénients que ces constructions ne présentent en réalité que rarement les qualités qu'on peut en attendre et, malgré cela,' elles sont beaucoup plus coûteuses qu'on le désirerait:
On a notamment constaté que; lors de leur soudure sur une des parois des tôles, les entretoises se placent souvent, en raison de la poussée latérale qu'elles subissent alors, dans une position tellement oblique d'un côté par rapport à la paroi en tôle que leurs extrémités libres se trouvent à une hauteur différente au-dessus de cette paroi et même parfois plus haut que les fils introduits au bord, car la grosseur de ceux-ci ne peut dépasser que d'une quantité extrêmement faible la lon- gueur des entretoises ;
en résulte que les parois des ca- naux présentent des bosses irrégulières aux endroits où les entretoises dépassent le niveau des fils du bord de sorte que, d'une part, la section de passage devient très variable et que., d'autre part, les extrémités libres des entretoises ne s'appliquent pas d'une façon satisfaisante sur la paroi voisine du canal, en particulier lorsque la seotion du canal s'élargit de la façon indésirable précitée.
Ces inconvénients entraînent une diminution considérable du rendement, tant à cause des variations des vitesses résultant des sections va- riables des canaux qu'en raison du contact défectueux des en-
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tretoises qui, sans cela; participeraient beaucoup plus à la transmission de la chaleur alors que, par suite de ces inconvénients, il peut se produire même une nouvelle diminution du fait qu'au cours du travail les parois des canaux peuvent, sous l'influence d'une pression plus élevée qui s"exerce d'un coté ou par suite d'efforts inadmissibles d'une autre nature; se déformer encore davantage parce qu'une construction aussi imparfaite plie trop facilement et est trop élastique.
L'invention a pour objet principal une construction qui rend possible l'utilisation d'un procédé de fabrication perfectionné grâce auquel les inconvénients précités sont écartés, de sorte que la construction et le rendement de l'appareil sont améliorés bien que les avantages particuliers de ce mode de construction soient du reste conservés et elle se distingue principalement en ce que les entretoises sont disposées sur tout le trajet des canaux, si près l'une de l'autre que leurs extrémit és libres peuvent, pendant l'enrou- lement des pièces de tôle, lorsqu'on applique par cintrage et qu'on fixe une spire extérieure suivante à la distance désirée de la spire de tôle toute façonnée préoédente, servir directement d'organes d'appui et d'organes de formation à la spire extérieure qui doit être formée,
et cela sans l'aide de dispositifs d'appui auxiliaires de façon que les spires de tôles reçoivent par exemple la forme d'une spirale régulière et en ce que ni la distance entre des entretoises voisines, dans n'importe quel sens, ni le trajet le plus court entre l'entretoise extérieure et le bord voisin de la tôle ne peuvent dépasser une certaine dimension maxima qui, dans le sens axial des spires, ne peut jamais dépasser 180 mm: et, dans le sens du pourtour, 90 mm. ou moins, tandis que sa longueur dans d'autre* directions est limitée à une zone dont les pro-
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jections dans les sens précités sont égales ou inférieures aux dimensions maxima indiquées pour ces sens:
Suivant l'invention, les entretoises sont disposées, de préférence en rangées, de façon à former au moins deux séries de rangées qui se croisent en formant chacune un angle aigu convenable avec l'axe des spires de façon que, pratiquement, toutes les surfaces des canaux puissent être rendues accessibles de l'extérieur aux fins du nettoyage', etc., un outil de nettoyage pouvant être introduit dans la majeure partie des surfaces intermédiaires libres, obliquement par rapport aux extrémités frontales de l'appareil,' dans diverses directions, et l'outil étant guidé par les entretoises.
Dans les appareils qui font ltobjet de l'invention, on a constaté que, pour des motifs économiques et autres qui seront expliqués plus loin, il y avait avantage à employer des entretoises d'une construction particulière qu'on peut fixer aux parois en t61e sans employer un supplément de matière, par exemple par soudure électrique par résistance.
La réalisation de la construction en t61e a lieu, conformément à l'invention, de la façon la meilleure et la plus simple, par enroulement de pièces planes de t61e, comme auparavant, mais sans l'emploi de fils de soutien au bord et par application de la pression nécessaire, au moyen de freins, appliquée de préférence aux faces extérieures seulement, aux endroits où les t8les sont amenées par cintrage à leur forme définitive et dirigées vers l'axe des spires de façon que cette pression agisse à peu prés perpendiculairement sur les faces de t61e, et notamment directement sur les entretoises qui se trouvent au-dessous.
L'invention présente, outre les avantages précités, encore beaucoup dtautres qui apparaîtront dans ce qui suit.
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Le dessin annexé représente quelques exemples de réalisation de l'invention et le nouveau procédé de construction, ainsi qu'une partie d'une construction défectueuse en tôle, telle qu'on la produisait auparavant. Sur ce dessin :
La figure 1 représente à petite échelle, en coupe longitudinale, un échangeur de chaleur du type à spirales en t61e suivant l'invention.
La figure 2 est une vue latérale, à échelle un peu plus grande, d'une partie d'un échangeur de chaleur à spirales en tôle d'une construction analogue, antérieure, défectueuse.
La figure 3 est un plan d'une paroi de canal pourvue d'entretoises suivant l'invention.
La figure 4 montre en élévation et en coupe longitudinale et la figure 5 en plan quelques formes d'exécution différentes d'entretoises du type employé pour la soudure par fusion et
La figure 6 est une vue latérale schématique de l'opération d'enroulement exécutée suivant l'invention.
Comme le montre la figure 1, l'échangeur de chaleur peut être constitué par deux tôles formant paroi 1 a et 1 b, enroulées de préférence suivant une spirale et d'une façon essentiellement parallèle l'une autour de l'autre (ce que montre encore mieux la figure 6) ces tôles étant maintenues à la distance déterminée par de petites entretoises rigides 2. Celles-ci consistent par exemple simplement en des corps massifs et cylindriques qui sont soudés au moins à une des parois en t61e et qui sont répartis d'une manière sensiblement uniforme sur les surfaces des parois.
Par ces parois et entre ces parois en t61e sont constitués ainsi; de chacun des c6tés opposés de celles-ci, des canaux 3 a et 3 b en spirale
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qui', par conséquent, s'étendent séparément l'un à c6té de l'autre et qui sont destinés aux agents différents parcourant ces canaux à contre-courant ou d'une autre façon, la transmission de chaleur désirée s'effectuant à travers les parois communes,. Dans ce cas, l'un des agents entre dans le canal 3 a, à son extrémité périphérique, par l'entrée 4 et est évacué à son extrémité interne par la sortie 5, tandis que l'au- tre agent entre dans le canal 3 b à son extrémité interne, par l'entrée 6, et en sort, à son extrémité externe, par la sortie 7, d'où résulte un véritable contre-courant.
Dans un appareil de ce genre, les deux extrémités frontales des canaux doivent être fermées pendant le fonctionnement et ceci peut avoir lieu par exemple au moyen de couvercles amovibles, une garniture en caoutchouc ou une autre garniture analogue pouvant être prévue également le long des bords des tôles pour assurer l'étanchéité complète, par exemple une garniture d'étanchéité disposée entre ces bords et les couvercles. De plus,' la construction en tôle présente à la partie médiane un certain nombre d'organes de support 9, à peu près circulaires, affectant la forme de disques ou d'anneaux disposés perpendiculairement par rapport à l'axe des spires de tôle, disques qui sont embrassés par les spires intérieures de fa- çon qu'ils servent à les rendre plus rigides.
De préférence, les organes de support 9 constituent une partie du dispositif, faisant office de moyeu, qu'on emploie pour l'enroulement et ils déterminent alors la forme des spires intérieures; mais un autre dispositif peut évidemment être employé à cet effet.
La figure 2 représente les défectuosités, mentionnées plus haut, d'une construction analogue à spirales en tôle; exécutée à la façon primitive, dans laquelle les entretoises 2 étaient par conséquent prévues en nombre relativement
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restreint et étaient fixées sur les parois en t61e, par soudure ordinaire au moyen de métal d'apport qui forme un joint de soudure extérieur 21 faisant une protubérance en un endroit des entretoises.
Dans ce procédé, les entretoises sont soumises à une pression latérale assez élevée (indiquée par de petites flèches) et, de ce fait, s'inclinent facilement d'un coté par rapport à la surface de la t61e, ce qu'on a indiqué en 2 x, d'où il résulte que leurs extrémités libres s'élèvent à des hauteurs différentes au-dessus de la surface des tôles et même plus haut que les fils qu'on a interposés aux bords, car la grosseur de ceux-ci doit évidemment correspondre aussi exactement que possible à la hauteur des entretoises.
Ce fait a pour conséquence, lors de l'enroulement des pièces de tôle, que les parois en t61e présentent des bosses tout à fait irrégulières, et cela aux endroits où les entretoises s'élèvent trop haut, et il en résulte évidemment qu'un contact complet entre les entretoises et la paroi voisine en t61e n'est pas réalisé en ces endroits, tandis qu'en d'autres endroits encore, où une bosse extérieure de la t61e se présente précisément au-dessus d'une entretoise correctement placée, il n'y a pas de contact du tout, ce qu'on a représenté en 2 x x.
Il s'ensuit en outre que la section de passage du canal varie considérablement en différents endroits et que l'ensemble de la construction plie trop facilement et est trop élastique. En fait, on a constaté que l'ensemble de tous ces inconvénients dans les constructions exécutées jusqu'à présent diminue souvent dans des proportions inadmissibles le rendement prévu et la résistance calculée de l'appareil.
Par contre, suivant l'invention, le nombre des entretoises et leur distance réciproque sont déterminés, sans
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tenir compte des nécessités du point de vue de la résistance, de manière que, lors de l'enroulement des tôles constituant les parois, l'effet de freinage nécessaire ou la force employée pour le cintrage puisse être transmis directement aux entretoises et que, par conséquent, un contact satisfaisant soit réalisé partout entre celles-ci et les parois des canaux.
Ces dernières reçoivent aussi de cette façon la forme régulière désirée pourvu que la distance entre les entretoises voisines, ainsi que le trajet le plus court entre les entretoises les plus écartées et le bord voisin de la tôle ne dépasse en aucun point une longueur ou division d qui, dans le sens de l'axe autour duquel se fait l'enroulement, peut être au maximum de 180 mm. et, dans le sens périphérique, de 90 mm: au plus, ou qui, dans toute autre direction, correspond à une distance dont les projections dans les deux sens précités sont égales ou éventuellement inférieures aux distances maxima indiquées plus haut dans ces deux sens.
Comme le montre la figure 3, les entretoises sont, suivant l'invention, réparties de préférence en rangées disposées d'une façon uniforme et',' à la gauche de cette figure, on a représenté la disposition usuelle jusqu'à présent, ainsi que le procédé, employé avec cette disposition, pour le nettoyage des parois 1, cette disposition correspondant aux entretoises interposées en nombre restreint. Il s'ensuit qu'il suffit de déplacer l'outil de nettoyage par exemple un fer plat relativement étroit, d'un mouvement de va-et-vient, essentiellement dans le sens axial, sur les surfaces libres des parois, entre les entretoises, d'une extrémité frontale à l'autre et de tourner en même temps l'outil un peu dans le sens latéral, pour que les intervalles 0 (entre les lignes en traits mixtes) soient parcourus également.
Mais ce procédé
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est évidemment peu approprié dans le cas d'entretoises disposées, suivant l'invention, à peu de distance les unes des autres parce que, dans ce cas, il n'est guère possible de faire tourner latéralement l'outil de nettoyage et que la plus grande partie des intervalles deviendrait inaccessible de ce fait.
Mais cela peut être évité suivant l'invention grâce au fait que les entretoises sont disposées de la façon indiquée à droite sur la figure 3, à savoir en au moins deux séries de rangées qui se croisent et forment chacune un angle aigu convenable avec l'axe suivant lequel sont enroulées les t61es.
Cela permet d'introduire un outil de nettoyage approprié sur les parties de surface libres indiquées ici par R R, entre les entretoises, dans diverses directions, de façon que, pratiquement, les surfaces des parois soient parcourues toutes entières, car les parties inaccessibles 00 sont réduites ainsi dans les limites du possible et, en outre, le guidage correct de l'outil a lieu par les entretoises mêmes, ce qui facilite beaucoup le travail du nettoyage. A cet effet l'angle aigu précité V doit avoir une valeur comprise entre 30 et 60 , tandis que les distances entre les entretoises voisines d'une même rangée et entre les diverses rangées voisines d'une série (la distance d3) ne doivent en aucun endroit dépasser 200 mm.
Un outil de nettoyage utilisable pour ce procédé peut consister par exemple, en un petit organe de nettoyage rigide S dont les dimensions maxima sont déterminées par les mesures qui viennent d'être données et par les dimensions des canaux, outil qu'on pousse, au moyen d'une longue tige flexible S S à poignée, dans les canaux, la valeur de la division d3 étant de préférence égale à la moitié de la longueur de l'organe de nettoyage S.
Dans ce genre d'échangeurs de chaleur, il est de la
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plus grande importance que les parois des canaux soient rendues aussi aisément accessibles que possible et que, tant en considération de l'accessibilité qu'en raison de motifs écono- miques et pour être sûr de fixer les entretoises exactement dans la position correcte', on les fixe conformément à l'invention, de préférence par fusion, sans emploi de métal d'apport, par exemple par soudure électrique par résistance, les entretoises recevant une forme spéciale telle que celles que représentent les figures 4 et 5.
Une forme d'exécution simple est constituée par un corps massif 2 a, de préférence cylindrique, dont une extrémité présente originellement un ou plusieurs tétons 22 ou des formations analogues, dirigées dans le sens axial, qui se confondent ensuite, par fusion, avec une des t61es constituant une paroi. Les entretoises peuvent aussi être constituées par un corps creux 2 b, qui présente, à une de ses extrémités une ou plusieurs languettes 23 b ou d'autres formations analogues, dirigées latéralement, ces languettes s'appliquant à une des parois du canal et les surfaces qui les terminent pouvant présenter originellement de petites surélévations locales 22 qu'on unit par fusion à la paroi en tôle.
Le dessin montre aussi un corps creux modifié 2 c qui, au lieu de languettes, présente à une de ses extrémités un fond mince 23 c, tandis qu'il est ouvert à son autre extrémité, le fond étant fixé par soudure à la paroi en tôle. Une autre forme d'exécution 2 d est constituée par une bande de métal ou d'un corps analogue qui, avec avantage, est replié par exemple en forme de I, de L, de V, de T ou d'une autre manière analogue de façon que l'organe constituant l'appui proprement dit soit pourvu le long d'une des parois de canal de rebords ou d'ailes lat érales.
Dans la soudure électrique par le procédé de résis-
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tance, un organe contacteur est appliqué aux parties des entretoises qui doivent être fixées par soudure et sont donc pressées perpendiculairement pendant cette opération contre la paroi en tôle, grâce à quoi une fixation très préoise est évidemment possible. Cette opération peut, en partie, être exécutée automatiquement et dans le cas où l'on emploie un grand nombre d'entretoises, elle est plus économique que la façon dont on procédait antérieurement.
Un autre avantage du nouveau procédé consiste en ce que, conformément à l'invention, on évite la formation de protubérances relativement grosses qui se forment suivant l'ancien procédé lorsqu'on emploie du métal d'apport et qui seraient particulièrement gênantes pour l'accès des surfaces des parois si les entretoises étaient disposées les unes près des autres, de sorte qu'à ce point de vue les meilleures conditions possibles sont réalisées.
Le nouveau procédé d'enroulement est représenté par la figure 6 et, suivant ce procédé, les tôles 1 a et 1 b constituant les parois sont enroulées, sans emploi d'un dispositif de support supplémentaire aux bords des tôles, en substance à la façon connue autour d'un dispositif convenable A faisant office de moyeu, en faisant tourner celui-ci dans le sens de la flèche, Mais dans ce cas, la pression de freinage proprement dite B est appliquée exclusivement contre les faces extérieures des pièces de tôle et cela aux endroits où elles sont cintrées d'une façon définitive, la pression étant exercée sur les faces de la tôle, à peu près perpendiculairement à l'axe d'enroulement, et répartie, pratiquement d'une façon uniforme, sur toute la largeur de la tôle,
mais pouvant éventuellement n'agir que sur une série de parties individuelles séparées. A mesure que progresse l'enroulement, une partie de tôle après l'autre est soumise à l'action de la pression
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de freinage et elles sont ainsi courbées contre les spires de tôle immédiatement précédentes, qui ont.reçu par cintrage leur forme définitive, jusqu'à ce que les extrémités libres des entretoises qui se trouvent immédiatement au-dessous de la spire extérieure qu'il s'agit de former, viennent en contact avec la surface de la paroi voisine; grâce à quoi la forme de chaque spire extérieure ajoutée est déterminée par les entretoises, qui lui prêtent appui, de telle façon que cette forme corres- ponde à celle des spires intérieures.
Au moment final de l'opération d'enroulement la pression de freinage exerce toute sa force immédiatement sur toutes les entretoises agissant réellement comme supports et elle est transmise par celles-ci à la spire intérieure qui se trouve immédiatement au-dessous d'elles de façon qu'on contact complet soit assuré partout entre les entretoises et les parois des tôles, un façonnage uniforme des tôles qui constituent les parois étant rendu possible par une répartition suffisante des entretoises. On remarquera en outre que, pendant l'enroulement, à la façon décrite, ces tôles ne sont guère soumises à un effort de traction, contrairement à ce qui est le cas dans le procédé usuel jusqu'à présent et rend très difficile de diriger les pièces de tôle, inconvénient qui est écarté par la présente invention.
Dans tous les oas, la constitution de l'appareil est considérablement améliorée grâce à l'invention et, dans de nombreux cas, on peut exécuter de cette façon les échangeurs de chaleur à moins de frais qu'auparavant.
Il est évident que l'invention n'est nullement limitée aux formes d'exécution décrites plus haut, mats qu'on peut modifier des façons les plus diverses et qu'elle se rapporte à toute construction analogue, indépendamment de la réa- lisation d'autres parties de cette construction.