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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de
BREVET D'INVENTION
EMI1.1
la société : AKTIEBOLAGET LJUNGSTROMS ANGTURBIN- "Dispositif d'échange de chaleur" Priorité d'une demande de brevet déposée en Suède le 28 mai 1945.
La présente invention se rapporte à l'échange de chaleur et plus particulièrement à une construction en plaques destinée à transmettre de la chaleur d'un mi- lieu gazeux à un autre, soit par le procédé appelé procédé par régénération suivant lequel la construction en plaques est chauffée par contact par un gaz chaud pour céder ensui- te sa chaleur à un gaz plus froid parcourant subséquemment les mêmes canaux de la construction, soit par le procédé appelé procédé par récupération suivant lequel la chaleur est transférée d'un milieu plus chaud à un milieu plus froid par conduction à travers des claques séparant des canaux adjacents parcourus simultanément par les milieux chaud et froid respectivement.
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Les types habituels d'appareils auxquels l' invention se rapporte sont bien connus, un exemple du type à régéné- ration étant décrit dans le brevet des Jtats-Unis n 2.023.965 accordé à Alf Lysholm le 10 décembre 1935 et un exemple du type à récupération étant décrit dans le brevet des Etats-Unis n 2.064.931 accordé à Alf Lysholm le 22 décembre 1936.
Dans tous ces appareils, la capacité de transfert de la chaleur d'un dispositif d'une grandeur donnée est une fonction du degré de transfert de la cha- leur entre un milieux gazeux et la construction mais l'uti- lité commerciale ou lerendement du dispositif n'est pas seulement déterminé par le coefficient de transfert de la chaleur obtenu niais également par le facteur :le la résis- tance opposée au courant du milieux gazeux traversant le diapositif aussi bien qu'aux fauteurs du coût et du poids de la construction en plaques requise, de la facili- té de nettoyage des passages pour le gaz, etc..
Dans les dispositifs antérieurs de l'espèce considé- rée ici, des coefficients de transfert de la chaleur satis- faisants étaient obtenus par des constructions produisant un tourbillonnement vigoureux du courant de gaz, ;nais ceux-ci étaient obtenus au prix d'une grande résistance au courant et par conséquent d'une forte chute de pression, dans le dispositif, inconvénient auquel s'ajoutait habituel- lement la difficulté de nettoyer les surfaces des plaques.
Pour remédier à ceci, il a été exécuté des constructions en plaques dont celles faisant objet des brevets Lysholm mentionnés ci-dessus constituent des types, et dans les- quellesil a été pré vu des passages ou des canaux p our le gaz sensiblement droits et sans obstacles possédant une ou plusieurs parois formées par une ou par plusieurs plan- ques munies de gaufrures ou de rayures peu profondes dis-
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posées obliquement dans le but de créer une composante latérale du courant dans la couche limite de la colonne de gaz, qui produit une friction moléculaire avec l'âme de la colonne ce qui a pour effet d'empêcher la stratification du gaz et d'amener progressivement la totalité du gaz en rapport aveu la paroi du canal d'échange de chaleur,
assurant de ce fait un degréélevé satisfaisant de trans- fert de chaleur à la paroi du canal, tandis qu'en même temps une résistance relativement faible au courant du gaz est maintenue comparativement aux types antérieures.
L'objet général de la présente invention , est de perfectionnera le type d'appareil à canal ouvert, qui vient d'être décrit en prévoyant de nouvelles formes et agencements pour la construction en plaques, qui améliore- ront le degré de transfert de chaleur, qui réduiront même davantage la résistance au courant de gaz, qui fourniront des canaux dimensionnés de façon à, faciliter le nettoyage des parois, qui permettront que les dispositifs puissent être comstruits avec des plaques d'une même configuration de sorte que le coût de la fabrication des p.laques est ré- duit, et qui pour une capacité de transfert de chaleur donnée requièrent moins de tôle que jusqu'ici, ce qui réduit le coût davantage et également le poids.
Dans le but de comprendre mieux en détail la nature et les objets de l'invention et les avantages résultant de son utilisation , il est utile de se référer à la par- tie suivante de cette description ainsi qu'aux dessins j.oints, qui en forment une partie et dans lasquels:
La fig. 1 est une vue en plan d'une partie d'une plaque agencée pour être employée lors de l'exécution de l'invention .
La fig. 2 est une section de l'extrémité de la pla-
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que montrée dans la Fig. 1.
La fig. 3 est une vue en perspective montrant des plaques de l'espèce illustrée dans la Fig. 1 assemblées conformément à l'invention.
Les fig. 4 à 8 inclusivement sont des vues si;ni-- laires à la Fig. 3 et montrent des foruaes de plaquer différentes particulières et des agencements pour l' exécu- tion des principes de l'invention .
La fig. 9 est une vue similaire e à la Fig. 3 montrant une variante dans l'agencement des nervures de la construe- tion de la plaque .
Les fig. 10 et 11 sont des vues en plan illustrant encore d'autres variantes de l'agencement des nervures de la@plaque.
Dans les constructions de plaques comme elles sont exécutées jusqu'ici, lecourant latéral de la couche li- mite a été produit de telle manière que la friction entre la couche limite et l'âme de la colonne de gat, tend r, produire une composante rotative unidirectionnel'! e du cou- rant de la masse de gaz entière dans le canal, ce qui avait pour effet que le gaz avait la tendance d'avancer dans le canai comme une colonne unique suivant un trajet généralement hélicoïdal pour le courant. De tels appareils ont trouvé une utilisation commerciale très étendue et l'expérience a montré que les meilleurs résultats avec ceux-ci ont été obtenus avec des canaux à gaz dont la largeur est un multiple élevé de la profondeur.
Ceci don - ne un canal p oss éda nt un rayon hydraulique d'une valeur relativeuient faible, c' est-à-dire le rapport entre la surface de la section transversale et le contour, et il est clair que du point de vue de la résistance opposée au courant, plus la valeur du layon hydraulique est éle-
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vée, meilleurs seront les résultats . D'un autre côté, si on s'inspire de l'enseignement ci-dessus, et si on donne aux aanaux une forme plus étroite et plus profonde pour aug- menter le rayon hydraulique, on constate que le transfert de chaleur devient moins efficace et pour cette raison, cette voie est impraticable.
Toutefois, on a découvert que l'augmentation du rayon hydraulique, si hautement souhaitable, peut être obtenu, pas seulement sans diminution de l'efficacité du transfert de chaleur mais avec une efficacité nettement plus élevée en plaçant et en agençant les rayures obliques dans la ou les parois du canal, de telle façon que les composantes laté- rales induites dans les différentes parties de la couche limite dans la mêmè section tendent à subdiviser la colonne de gaz unique en un certain nombre de colonnes partielles, avançant parallèlement les unes aux autres, sensiblement dans la même direction à travers le même canal mais avec des composantes latérales du courant d'un sens de rotation opposé par rapport à l'axe longitudinal du canal et produi- sant des trajets hélicoïdaux en sens opposé pour les diffé- rentes colonnes partielles.
Ce trait caractéristique nouveau pour le courant peut être obtenu avec une variété de constructions de plaques es- sentiellement différentes mais dans le but d'expliquer l'invention de manière que ses avantages apparaissent clai- rement, il suffit de décrire un petit nombre de réalisa- tions qui ne produisent pas seulement le courant désiré mais également des avantages subsidiaires , qui seront mis en évidence dans ce qui suit.
En se référant maintenant à la réalisation montrée dans les Figs. 1 à 3, il pourra être constaté que la construc- tion de plaque est composée d'un certain nombre de plaques similaires désignées dans l'ensemble par 10. Celles-ci sont habituellement en tôle de métal mince, susceptibles
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d'être laminée ou pressée dans la configuration désirée, mais l'invention n'est pas nécessairemtn limitée à l'emploi de plaques en métal.
Les plaques 10 sont formées de manière à présenter des arêtes parallèles espacées 12 et 14 respectivement,les premières faisant saillie d'un côté de la plaque et les dernières de l'autre côté, ntre les arêtes, les plaques sont gaufrées pour fournir une série de raynures obliques 16, qui comme il pourra être constaté dans les dessins, sont relativement peu profondes compara- tiveinent à la hauteur dus arêtes 12 et 14 et qui sont relativement étroites comparativanent à la distance entre lesarêtes.
Comme montré, les rayures sont inclinées avec un angle d'environ 30 , qui peut être modifié cependant,vers les arêtes s'étendant longitudinalement et, pour autant que cela concerne l'invention, les rayures peuvent former un gaufrage d'une configuration ondulée comme indiqué éven- tuellement avec des surfaces planes plus nettement accu- sées. comme il résulte dela Fig. 3, les plaques sont assem- blées de manière que les arêtes de plaques adjacentes sont décalées latéralement les unes par rapport aux autres pour former une série de canaux parallèles 18, dont les parois, se trouvant face à face, présentent des rayures inclinées obliquement vers le même bord latéral du canal.
Avec cette disposition, les couches limites du gaz, à des côtés oppo- sés du canal, sont chacune guidées vers le même côté du canal, ce qui a pour effet, que les parties de la couche limite se trouvant en des points différents sur le contour de la section, ont dea composantes de courant latérales d'un sens de rotation opposé par rapport à l'axe longitu- dinal 20 du canal, comme indiqué par les flèches 22, la direction de l'ensemble du courant des gaz passant par le
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canal, étant indiqué par les flèches 4.
Lorsque les courants de gaz de la couche limite à des côtés opposés du canal atteignent la paroi latérale, ils sont déviés par celle-ci et puisque leurs mouvements ont des sens opposés de rota- tion, ils se heurtent et se font dévier mutuellement pour produire une composante de courant latérale de retour tra- versant la région centrale ou la région de l'âme du canal comme indiqué par les flèches 26.
La colonne de gaz dans le canal est ainsi subdivisée en colonnes partielles suivant en général des trajets héli- coïdaux de sens opposés et comme il pourra êtrefacilement constaté dans la Fig. 3, la profondeur du canal par rapport à sa largeur peut être considérablement plus grande que s'il s'était produit seulement une colonne unique suivant un trajet hélicoïdal, parce que,à cause du mouvement latéral plus accentué produit dans la partie centrale de l'âme du canal, toutes les molécules du gaz sont amenées rapidementtrés près ou en contact réel avec la surface de la paroi du canal .
On comprendra, que suivant la longueur du canal, les rayures d'une rangée quelconque sont inclinées dans la même direction d'une extrémité du canal à l'autre de sorte que chaque colonne partielle de gaz garde le mouvement rotatif dans le même sens sur toute la longueur du canal.
Quoiqu'il puisse paraître de prime abord que la construction décrite ci-dessus doive produire un courant tourbillonnant de telle façon qu'une augmentation de la ré- sistance au courant en est le résultat, des essais réels avec des formes de constructions de plaques du commerce ont montré que ce n'était pas le cas et qu'en réalité, grâce semble-t-il à, semble-t-i]l'utilisation de canaux ayant un rayon hydrau- lique plus grand, que ceux employés précédemment , la résis- tance opposée au courant ou la chute de pression est dimi-
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nuée comparativement aux constructions antérieures dans des conditions similaires .
A titre d'exemple, ona essayé une construction de plaque en métal ferreux de l'espèce décrite ci-dessus, dans laquelle les canaux avaient une largeur de 37,5 mm et une profondeur de 4,6 mm (distance moyenne entre les plaques) avec des rayures de 2,3 mm de profondeur , disposées comme montré dans la Fig.
3, dans les mêmes conditions et avec le même équipement d'essai, en com- paraison avec une construction de plaque de l'espèce la plus efficace, qui était connue et maintenant en usage par- tout, et qui produit un courant hélicoïdal unique dans un canal de 50 mm de largeur , de 3,8 mm de profondeur avec des rayures de 2,7 mm de profondeur, on a trouvé qu'entre les limites des vitesses employées commercialement dans ces appareils, la chute de pression spécifique dans le nouvel appareil est approximativement de 30 % inférieure à celle de l'ancien, l'amélioration variant habituellement en rapport inverse de l'allure du courant de gaz.
Ces essais ont démontré également que la construction nouvelle possède un degré de transfert de chaleur plus élevé que l'ancienne, représentant une amélioration du coefficient de transfert de chaleur de gaz à métal d'appro- ximativement 18 % ,entre les limites de vitesse de gaz utilisées lors des essais, cette amélioration étant sensi- blement constante.
Selon les conditions spécifiques d'utilisation, comme la nature et la température du gaz, la vitesse désirée pour le courant traversant l'appareil et d'autres facteurs du même ordre, le rapport entre la largeur et la profondeur du canal donnant lerésultat optimum peut varier considéra- blement , particulièrement , si l'on tient compte du fait,
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que, dans certains cas, un degré de transfert de chaleur a plus d'importance que la valeur de la chute de pression et que dans d'autre cas, l'inverse peut êtrevrai et encore dans d'autres cas, le critère \ peut être déterminé par une combinaison de ces deux facteurs.
En conséquence , les dimensions et les proportions données ci-dessus doivent être interprétées seulement dans un sens illustratif et ne limitant d'aucune façon la portée de l'invention.
En ce qui concerne la construction physique elle-même desplaques, des modifications importantes peuvent être faites sans sortir du cadre de l'invention. Pour la facilité de la fabrication, les plaques peuvent être munies d'arêtes et gaufrées, comme montré dans la Fig. 4, avec des arêtes s'étendant seulement d'un coté du plan général de la plaque ou, comme montré dans la Fig. 5, l'es- pacement des plaques peut être réalisé par des arêtes s'étendant longitudinalement et constituées par des nervures séparées 30 soudées par;. points, bradées ou fixées d'une autre façon aux plaques . Dans tous les cas on peut dire que les arêtes ou les nervures constituent des dispositifs d'espacement, quipeuvent former également lesparois latérales du canal.
Selon la portée de l'intention, l'agencement des rayu- res obliquas n'est pas limité à la disposition montrée dans les exemples décrits ci-dessus , Comme montré dans la Fig. 6, les rayures entre les arêtes ou pièces d'espacement adjacentes, peuvent avoir la forme d'arêtes de poisson ou de chevrons, les rayures faceà face, deplaques adjacentes étant inclinées en général parallèlement les unes aux au- tres, tendant à créer ainsi dans le passage, quatre colonnes partielles, comme indiqué par les flèches 32.
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Dans toutes lesréalisations décrites précédemment, les rayures face à'face de plaques adjacentes sont inclinées dans la même direction et tandis que cette disposition courante est préférée, on peut avoir recours à d'autres, tout en restant dans le cadre de l'invention. Dans la Fig. 7 par exemple, il est montré une construction consistant en des plaques de la même configuration que celles montrées dans la Fig. 6, mais les plaques alternantes sont tournées de bout en bout dans le snécne plan, de sorte que les che- vrons formés par les rayures ont la pointe dirigée loni- tudinalement dans des directions opposées.
Avec cette construction, le nombre des colonnes parti elles est réduit à, deux mais dans ce cas, chaque colonne occupe la profon- deur totale du canal seulement sur une partie de sa largeur comme montré par les flèches 34, ce qui contraste avec les réalisations montrées dans les Fige. 1 jusqu'à 5 dans les- quelles chaque colonne occupait toute la largeur mais seule- ment une partie dela profondeur du canal. Dans le cas ou la disposition des rayures est telle, qu'elle tend à produire des colonnes degaz partielles s'étendant à travers toute la profondeur du canal, il sera clair que dans ces constructions des p laques alternantes peuvent présenter des surfaces planes 36 entre les arêtes d'espacement sans con- trarier le courant latéral caractéristique comme montré dans la Fig. 8.
Il sera également clair, que dans le cas, où il est fait usage de plaques alternantes planes, il est sans importance de quelle façon les plaques intermédiaires munies de rayures sont posées pour ce qui concerne le rapport entre la direction de leurs rayures, puisque dans une telle construction, les rayures des différentes plaques ne se trouvent pas face à face, les unes des autres dans le mêmecanal.
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Il sera évident après ce qui précède que des construc tions de plaque pouvant servir à mettre l'invention en exécution avec succès, peuvent être constituées dans la plupart des cas par des paquets ou des groupes de plaques de la même configuration et comme il pourra être constaté particulièrement dans les Fig. 3 et 4, l'espacement désiré entre les plaques peut être facilement assuré à l'aide d'arêtes, qui ont la forme d'encoches ouvertes, cette construction étant particulièrement avantageuse du point de vue du coût, puisqu'il n'est pas nécessaire de fabriquer des pièces d'espacement ni de fixer celles-ci aux plaques.
Il est toutefois évident, qu'avec des plaques comme celles montrées dans la Fig. 4, le déplacement latéral d'une plaque par rapport à l'autre peut avoir comme effet que les plaques s'emboîtent les unes dans les autres, puisque leur configuration est la même . Ceci ne peut pas arriver avec la construction d'échange de chaleur par récupération habi- tuelle dans laquelle les plaques doivent êtrefixées .;air leurs extrémités à des pièces de tête ou similaires pour la répartition des gaz sur les jeux de canaux alternants qu'ils traversent . Dans la forme habituelle du dispositif pour l'échange de chaleur par régénération cependant, ceci ne doit pas être nécessairement le cas.
Dans cette construction , l'agencement des plaques constitue ordinai- rement un rotor cylindrique, composé de compartiments de forme sectorale et"pour des raisons de: coût, de la facilité de remplacement en cas de corrosion ou d'autres domrna, les diverses plaques
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dommages et pour d'autres co.nsiderationsJ n6 sont. !Lao tue.L- lement pas fixées rigidement les unes aux autres.
Ainsi,sons l'influence de la vibration, on a cause d'un léger flé- chissement ou à cause d'une autre raison une ou plusieurs
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plaques d'un paquet de plaques de la même forme, peut se déplacer suffisamment dans le sens latéral pour s'emboî- ter dans la plaque adjacente , ce qui n'a pas seulement pour effet de fermer une rangéede canaux mais également de détacher les plaques restantes d'un paquet de phoques formant une unité et qui ne sont pas connectées rigidement les unes aux autres .
Jusqu'ici, des difficultés dues à l'emboîtement n'ont pas été rencontrées pour les paquets de plaques d'échange de chaleur par régénération, purée que les plaques adjacentes n'étaient pas de la même confi- guration dans les premières formes d'exécution qui ont donnée les résultats les plus satisfaisantes et qui ont été les plus employées . conformément à un autre aspect de la présente inven- tion, les avantages que des plaques de la même configura- tion peuvent procurer, peuvent être conservés, sans ris- dont quer un emboîtement, par la façon @ les arêtes parallèles sont réparties les unes par rapport aux autres et par rapport aux bords marginaux de la plaque .
Ainsi, par exemple, pour des plaques de la forme montrée dans la Fig. 4, la configuration peut être la même mais avec une distance différente entre les arêtes adjacentes dans le sens de la largeur de la plaque . Lorsque des plaques pareilles sont assemblées dans un paquet, les plaques alternantes sont retournées pour former un assemblage tel que celui montré dans la Fig. 9.
Dans la figure, la différence des distances entre les arêtes a été exagérée dans un but illustratif, mais il sera évident qu'avec une différence d'espacement relativement petite, le risqae de l'emboîtement , à cause du déplacement latéral est évité et la différence dans la largeur des canaux résultant de l'espacement variable peut être maintenu suffisamment fai-
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ble pour qu'elle n'ait pas unè influence sensible sur la capacité de transfert moyenne du paquet de plaques.
Pour certaines configurations de plaques, une diffé- rence de distance entre les arêtes conjointement avec le retournement des plaques adjacentes, ne serait pas prati- était donné suivant laquelle
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que , BEaoogHqxae 1' exigenc e $fiÉ# 1 es rayures se trouvant face à face sur des plaques adjacentes doivent présenter une disposition symétrique les unes par rapport aux autres dans chaque canal.
Dans ces cas, le but envisagé peut être atteint d'une manière économique, tout en maintenant l'égalité des dis- tances entre les arêtes en exécutant les tôles constituant les plaques , en forme de bandes plus longues que les pla- ques nécessaires, avec des arêtes espacées uniformément et interrompues à certains intervalles sur leurlongueur.
Une de ces dispositions est montrée dans la Fig. 10 , dans laquelle les arêtes 38 sont formées en rangées s'étendant ensemble dans le sens longitudinal et les plaques sont cisaillées de la bande de telle manière que les arêtes se trouvent à des distances inégales par rapport aux bords marginaux terminant la plaque, la distance a étant inférieu- re à la distance b .Avec de telles plaques, le retourne- ment des plaques alternantes produit un décalage longitu- dinal entre les arêtes comme indiqué par les traits en poin- tillé désignant des arêtes 38a d'une plaque retournée se trouvant sous la plaque désignée par des traits pleins .
La fig. 11 montre encore une autre disposition, dans laquelle les interruptions dans les arêtes sont décalées les unes par rapport aux autres et les plaques coupées de telle façon , que lorsque'des plaques alternantes sont re- tournées, leurs arêtes sont situées comme indiqué par les contours en pointillé 40a.
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Il est clair que des contours spécifiques de sur- face entre les arêtes peuvent être employés avec les différentes dispositions des arêtes décrites ci-dessus à titre d'exemple et il sera de plus évident que beaucoup de modifications et de changements dans les différentes constructions montrées dans cet exposé peuvent être appor- tées à celles-ci, sans sortir du cadre de l'invention dont la portée est définie par les revendications annexées.
REVENDIAATIONS.
1. Appareil d'échange de chaleur consistant en une construction de plaques agencées de manière à former un certain nombre de canaux ouverts d'une section transversale à. surfacesensiblement uniforme, destinés à, être traversés par un courant de gaz entre des plaques adjacentes dans un sens général donné, en une certain nombre de rayures d'une largeur relativement étroite et d'une faible profondeur comparativement à la largeur et la profondeur des dits ca- naux, les dites rayures étant disposées obliquement par rapport au dit sens général du courant donné pour créer une composante latérale du courant dans la couche limite de la colonne de gaz et adjacente aux rayures, les dites rayures étant de plus disposées de manière à produire un courant latéral dans un sens de rotation opposé, par rapport à l'axe longitudinal du canal,
dans les différentes parties de la couche limite se trouvant dans la même section trans- Vers#le du canal en des Endroits différents du contour.