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Echangeur thermiquepour substances fluides .La présente invention concerne un échangeur thermique pour substances fluides, telles que liquides ou gaz, dans lequel - les fluides entre lesquels la chaleur doit être échangée sont con- duits sur les deux côtés., le long des deux surfaces, d'une cloi- son séparatrice constituée par un matériau bon conducteur de la chaleur.
Une forme d'exécution connue d'un échangeur thermique de ce genre consiste en un tuyau métallique, préférablement en cuivre, qui peut être raccordé à une conduite d'amenée d'un fluide cédant de la chaleur, comme par exemple la vapeur, ce tuyau étant entouré par un tuyau extérieur, disposé concentriquement autour du premier et constitué par un matériau isolant, ou par le même matériau que le tuyau intérieur, mais entouré extérieurement par un isolant, le fluide qui absorbe la chaleur, par exemple un li- quide, étant conduit entre les dits tuyaux, en équicourant ou en contre-courant.
Pour augmenter la transmission de chaleur par unité de longueur d'un échangeur thermique de ce genre il est connu d'appli- quer des moyens par lesquels un fluide ou les deux fluides sont obligés de s'écouler en un mouvement hélicoïdal le long de la paroi ou des parois du tuyau transmettant la chaleur, d'où il résulte un brassage du ou des fluides et une répartition rapide et uniforme de.la chaleur échangée. A cet effet on a construit des échangeurs thermiques dont le tuyau intérieur est muni d'une paroi disposée debout et hélicoldalement sur ce tuyau et s'appliquant contre le tuyau extérieur. Le fluide conduit entre le tuyau intérieur et le tuyau extérieur passe donc par un canal enroulé hélicoïdalement autour du tuyau intérieur et possédant en section transversale une forme rectangulaire ou trapézoidale.
La paroi disposée debout sur le tuvau intérieur doit être constituée également en un maté- riau bon conducteur de la chaleur et la transmission de chaleur est améliorée lorsque cette paroi est d'une pièce avec le tuyau inté- rieur ou lorsqu'elle lui est unie par soudure. Des échangeurs ther- miques de ce genre sont connus en principe par le brevet allemand N 642.878 et les brevets américains Nos 1.854.61G et 2.060.936.
Cn a trouvé en outre que la transmission de chaleur peut être considérablement amélioreelorsque la paroi hélicoïdale est disposée sur le tuyau de manière que la, hauteur du canal formé soit considérablement plus grande, au moins deux fois plus grande, que sa largeur, c'est-à-dire, que la distance entre les spires de la paroi disposée de bout égale tout au plus la moitié de la hau- teur de cette paroi disposée debout. Le brevet anglais n 404.077
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décrit une exécution, dite sur champ, de ce genre.
Un facteur quiexerce une influence importante sur la transmission de chaleur par unité de longueur d'un échangeur ther- mique de ce genre, à section transversale déterminée du canal, réside dans l'épaissuer de la. paroi hélicoïdale disposée debout.
La présente invention a. pour but de créer un échangeur thermique au moyen duquel on puisse faire subir aux substances fluides, en très peu de temps, un chauffage à une température Elevée ou une forte réfrigération. L'importance d'un tel chan- geur thermique est particulièrement grande pour le chauffage de substances visqueuses ou d'une fluidité épaisse, renfermant des substances organiques en dissolution ou en suspension. Si le chauffage est, trop lent, il y a danger que des substances orga- niques sensibles à la chaleur se décomposent et se transforment pendant le chauffage.
Gr, il est po ssible, suivent la présente invention, de construire un échangeur thermique de manière que le liquide à chauffer y soit porté à la température nécessaire avec une telle rapidité que, pratiquement, il ne peut pas se pro- duire une décomposition ou une transformation du liquide.
Suivant l'invention l'échangeur thermique pour substan- ces fluides, telles que liquides ou gaz, qui comprend un tuyau intérieur, bon conducteur de la chaleur, par lequel on peut faire passer le fluide chauffant, une paroi hélicoïdale, bonne conductrice de la chaleur, disposée debout sur le dit tuyau intérieur ainsi qu'un tuyau extérieur entourant le tout et préférablement isolée le fluide à chauffer pouvant être conduit entre les dits tuyaux, la hauteur de la paroi disposée debout étant préférablement au moins deux fois plus grande que la.
dista.nce entre deux spires con- sécutives de cette paroi, est caractérisé en ce que l'épaisseur de la paroi disposée debout estau moins égale au cube de la hauteur de la paroi, en mm, divisé par mille foisle diamètreextérieur du tuyau intérieur, en mm, et multiplié, par le rapport entre le coefficient de transmission de chaleur de la paroi disposée debout à la substance fluide, en céleri es par m , par heure, par degré C de différence de température, et le coefficient de con- ductibilité de chaleur du matériau de la paroi et du tuyau inté- rieur, en calories par m2, par heure, par degré C,par m.d'épais- seur.
Donc, pour cette relation suivant l'invention on a la formule : d x h3 dans laquelle : 100D d = l'épaisseur de la paroi, en mm; le coefficient de transmission de chaleur de la niµci¯ disposée debout à la substance fluide, en calories, par m de sur- face, par heure, par degré de différence de température. d= le coefficient de conductibilité de chaleur du matériau em- ployé pour le tuyau intérieur et pour la parci disposée debout, en calories, par m2, par heur^-., par contigrade de différence de température, par m. de hauteur; h= la hauteur de la paroi disposée debout, en mm; D = le diamètre du tuyau interieur mesuré à sa paroi extérieur?, en mm.
Si la hauteur de la paroi disposée debout est approxima-
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tivement égale eu diamètre du tuyau intérieur mesuré à sa paroi extérieure; comme il en sera souvent dans la pratique, la fournie est simplifiée, dans le cas d'une construction en cuivre, pour
EMI3.1
lequel ..:1 = 3CC, respectivement dans le cas d'une construction en fer, pour lequel si= 5U, comme suit : d cuivre 3 x h2 1 et d è 0<. hi:: cuivre x 10-' fer 5 x 10
Pour des liquides d'une fluidité visqueuse ou épaisse, comme par exemple le sirop de glucose de consommation, pour lequel on peut tabler sur [alpha] = 500, l'épaisseur minimum est donnée par :
EMI3.2
d :::
h2 ou 0 QUI? h2 et df - ¯h2 ou 01 G, É2. cui vre 6ÔG 100
Pour les liquides très fluides, par exemple le lait, pour lesquels on peut tabler sur = 1500 au moins, la formule est sim- plifiée en :
EMI3.3
douivre 4 h2 ou 01OU5 h2 et dfer 3h2 ou 0,03 h2 .
200 100
Puisqu'au cours de l'écoulement à travers l'échangeur thermique la différence de température entre les deux fluides dimi- nue du point d'entrée du fluide à chauffer au point de sa sortie de l'échangeur thermique, il est recommandable, suivant la présente invention, de faire augmenter l'épaisseur de la paroi disposée de- bout, préférablement d'une manière régulière ou uniforme, à partir de l'ouverture d'entrée pour le fluide à chauffer jusqu'à l'ouver- ture de sortie.
De même, un accroissement régulier de la surface de la bride, qui peut être obtenu éventuellement par une augmenta- tion du diamètre de la bride ou de la paroi disposée debout, ou par une augmentation de la profondeur de la section d'écoulement, donne un accroissement de transmission de chaleur, mais il conduit en même temps à une épaisseur de paroi encore plus forte.
Puisque, dans lecas de liquides visqueux ou épais, la viscosité diminue considérablement avec l'augmentation de la tem- pérature, etpuisqu'un tel liquide subit, lors de son déplacement à travers l'échangeur thermique, une turbulence qui se produit d'au- tant plus facilement que sa température monte, de sorte que l'ab- sorption de la chaleur se passe également plus rapidement, et qu'en outre la résistance à l'écoulement est ainsi diminuée, il est re- commandable suivant l'invention de faire diminuer la surface du profil d'écoulement du canal hélicoïdal à partir de l'orifice d'en- trée jusqu'à, l'orifice de sortie.
La vitesse du liquide en est accrue, la transmission de chaleur améliorée et la longueur de l'échangeur thermique diminuée lorsqu'on maintient inchangées les autres dimensions et particulièrement la hauteur de la paroi dispo- sée debout.
Il est recommandable d'employer une paroi disposée debout dont l'épaisseur diminue régulièrement à partir de la base vers le haut, de sorte que la section transversale du canal d'écoulement présente une forme trapézoïdale. Cette caractéristique de l'épais- seur est en concordance avec la diminution vers le haut de la chaleur totale à transmettre par la paroi, et elle assure, outre
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une économie en matériel, l'avantagequ'avec une telle forme de la section transversale du canal il se forme plus facilement dans le liquide, au voisinage de la courbure extérieure, un tourbillon double sous l'action de la force centrifuge. De ce fait les parlantes liquides sont mieux brassées et le chauffage total, uniforme et rapide en est favorise.
Il va de soi que 1'échangeur thermique suivant l'inven- tion peut être exécuté aussi avec une paroi hélicoïdale dispo- sée debout Jans le tuyau Intérieur,, de sorte qu'il en résulte la formation de remous aussi dans le fluide chauffant et aue l'émission de chaleur en est accélérée. Naturellement il est aussi possible d'utiliser un appareil comprenant plus d'une paroi hé- licoïdale disposée debout, ou d'exécuter l'appareil de façon que le fluide chauffant puisse être conduit,,, de la manière in- diquée plus haut autour d'un tuyau a l'intérieur duquel on peut faire passer de la manière décrite le fluide à chauffer.
REVENDICATIONS
1.- Echangeur thermique pour substance fluides tels que les liquides et les gaz, comprenant un tuyau intérieur, bon con- ducteur de la chaleur, par lequel on peut faire passer le fluide chauffant ou le fluide réfrigérant, une paroi hélicoïdale, bonne conductrice de la chaleur, disposée debout sur le dit tuyau intérieur, ainsi qu'un tuyau extérieur entourant letout et pré- férablement isolé, le fluidechauffer ou à réfrigérer pouvant être conduit entre les dits tuyaux, la hauteur de la paroi dis@o- sée debout étant préférablement au moins deux fois plus 3 grande que la distance entre deux spires consécutives de cette paroi,
lequel échangeur thermique est caractérisé en ce que l'épaisseur de la paroi disposée debout est au moins égale au cube de la hauteur de la paroi, en mm, divisé par mille fois Il:! diamètre extérieur du tuyau intérieur, en mm, et multiplié par le rapport entre le coefficient de transmission de chaleur de la paroi disposée debout à la substance fluide, en calories, par m2,par heure, par degré C de différence de température, et le coefficient de conductibilité de chaleur du matériau de la paroi et du tuyau intérieur, en calo- ries, par m2, par heure, par degré centigrade, par m. d'épaisseur.