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ECHANGEUR THERMIQUE.
L'invention concerne un échangeur de chaleur ou thermique convenant à la transmission thermique dans les deux sens (chauffage et refroidissement) entre deux fluides identiques ou différents, même des fluides dont l'état se modifie pendant l'échange thermique: L'échangeur thermique selon l'invention permet de réaliser des charges particu- lièrement élevées sur les surfaces d'échange thermique, par exemple (dans les générateurs de vapeur) pour tirer avan- tage d'une charge élevée sur la chambre de combustion, et permet d'obtenir de très faibles différenves de température entre les fluides en relation d'échange thermique, tout en
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étant d'un encombrement et d'un poids minimum, l'inertie thermique étant réduite à l'extrême, tandis que les pertes de pression des fluides en mouvement sont très faibles;
Il est vrai que, dans les échangeurs connus à ce jour, on a réussi à améliorer progressivement la transmission thermique par l'extension des surfaces de séparation des fluides (par exemple en remplaçant la chaudière à grand volume d'eau par une chaudière tubulaire) et par l'accrois- sement des mouvements internes et du brassage des fluides - en relation d'échange thermique;
toutefois, tous les échan- geurs connus, même les plus modernes, sont caractérisés en ce qu'une faible partie seulement du fluide à chauffer ou à refroidir est en relation directe d'échange thermique avec les parois assurant la transmission thermique, tandis que le gros du fluide ne participe à l'échange qu'indiréc- tement et graduellement, à savoir, par transmission ther- mique dans le fluide même, ce qui limite déjà notablement la valeur totale de la transmission thermique. A cela s'a- joute la formation d'une pellicule-limite calorifuge du fluide sur les parois assurant l'échange thermique (parois de séparation).
En méconnaissant les principes de laphysi- que moléculaire qui sont à la base de la transmission ther- mique, on croyait pouvoir augmenter de plus en plus la va- leur de cette transmission en augmentant les surfaces de séparation et les vitesses d'écoulement, ainsi que la pres- sion des fluides en mouvement ; ces efforts abou- tissent à une limite impossible à dépasser, atteinte actuel- lement enpratique, étant donné leurs résultats fort déce- vants et de plus en plus minimes, ainsi qu'en raison des pertes de pression rapidement croissantes avec la vitesse d'écoulement.
Par contre, l'invention part d'un principe tout dif- férent, dont l'exactitude a été confirmée pleinement tant
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par des calculs mathématiques que par les résultats d'es- sais étendus. Comme il ressort de la loi de Maxwell, sur la distribution de vitesses moléculaires (courbe intégrale connue en forme de cloche, de la fonction des probabilités), la partie perpendiculaire aux parois de séparation, des chocs exercés contre ces parois par les molécules ou atomes du fluide et dus aux mouvements moléculaires thermiques, détermine une portion telles dominante de la transmission thermique totale qu'elle peut servir pratiquement comme l'unique mesure de la valeur de celle-ci.
Par conséquent, une hausse notable, notamment par bords, du coefficient de transmission thermique ne peut être obtenueque si, d'u- ne part, une proportion maximum des molécules de chaque plan de section transversal du trajet du fluide considère participe directement a ces chocs perpendiculaires (sup- pression au possible de la conduction thermique interne et de la convection, qui freinent et retardent la trans- mission entre fluides) et, d'autre part, on favorise la partie perpendiculaire aux parois précitées de ces chocs:
Le premier de ces deux buts est atteint selon l'invention par le fait que l'ordre de grandeur de l'écartement des parois de séparation qui limitent les sections transver - sales d'écoulement se rapproche autant que possible de l'ordre de grandeur du trajet libre des molécules, la seule limite étant imposée ici par des considérations tech- nologiques, tandis que le second objectif est réalisé par le fait que les surfaces de séparation présentent des chan- gements de direction brusques au possible , c'est à dire qui se situent également dans la gamme d'ordres de gran- deur moléculaires.
Cette dernière disposition détermine une distribution notablement uniforme des chocs perpendi- culaires entre la plupart ou la totalité de toutes les directions de l'espace, de sorte que la probabilité qu'une
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molécule du fluide provoque dans n'importe quelle direction de son mouvement thermique, un choc perpendiculaire à une paroi, tend vers un maximum.
Ce changement de direction en tout sens, que les parois de séparation doivent présenter à un degré maximum, est obtenu selon l'invention par les dis- positions ci-après, que l'on combineie utilement entre elles:
Courbure accentuée au possible des surfaces de séparation. au moins dans un plan (par l'emploi de tubes à section (lu- mière) réduite au minimum, ce qui.permet en outre d'atteindre le premier des objectifs précitée utilisation, pour cette courbure, de tous les plans de l'espace, en entrelaçant ces tubes ou en y prévoyant dans les surfaces de séparation des ondulations serrées au possible ;
finalement, transposition du changement de direction dans le domaine des ordres de grandeurs moléculaires grâce à une rugosité appropriée des parois. Ces dispositions peuvent être secondées dans le sens dynamique par un mouvement relatif aussi rapide que possible des parois par rapport à un au moins des fluides en relation d'échange thermique, ce qui assure en outre une moindre résistance à l'écoulement, avec dégagement et éva- cuation automatique de particules ou groupes moléculaires éventuels qui rétrécissent ou obstruent les sections d'é- coulement.
Contrairement aux échangeurs connus à ce jour, toutes les mesures selon l'invention ne recherchent pas une amélioration de la transmission thermique par un bras- sage accru des fluides, dont une accélération au possible de la succession des chocs moléculaires qui opèrent gra- duellement la transmission'thermique, mais visent et réa- lisent, par une utilisation maximum de l'espace occupé par le fluide, en ce qui concerne l'écartement et la multipli- cité des directions des surfaces de séparation, une parti-
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cipation simultanée au possible de toutes les molécules aux chocs perpendiculaires contre les parois, c'est-à-dire la transmission directe de la chaleur.
Comme ceci a pour effet d'éliminer pratiquement la conduction intérieure et la con- vection d'une part, et d'empêcher la formation d'une pellicu- le thermiquement isolante sur les parois (une telle pellicu- le est caractérisée par un déplacement moléculaire thermique du fluide suivant une directionprincipalement parallèle aux parois) grâce aux changements de direction brusques de ces parois, d'autre part, la transmission thermique s'effectue ici, comparativement aux échangeurs connus, avec une constan- te de temps inférieure de plusieurs ordres de grandeur, donc pratiquement sans inertie. Ceci permet des charges extrême- ment élevées des surfaces de séparation, et donc de faibles différences de température, ainsi que de faibles trajets dans le sens de l'écoulement, pour un intervalle déterminé du chan- gement d'état d'un fluide.
Comme la vitesse de transport (d'écoulement) des fluides en relation d'échange thermique, dans le cas de la présente invention, n'exerce aucune in- fluence sur le coefficient de transmission en raison du ca- ractère pratiquement simultané et direct des chocs moléculai- res, cette vitesse peut être abaissée à volonté, de sorte que les pertes de pression des fluides en question sont très ré- duites malgré les sections d'écoulement de l'ordre capillaire.
Donc, la section de passage (lumière) totale, déterminée par la quantité de fluide à transporter et par la vitesse d'é- coulement de celui-ci est obtenue selon l'invention par la éléments mise en parallèle d'un nombre convenable déchangeurs de cha- leur individuels à lumière réduite selon l'invention. Etant donné que, comme indiqué plus haut, un intervalle détermine du changement d'état thermique du fluide n'exige qu'un court trajet de ce dernier, on peut prévoir au besoin un nombre
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élevé de collecteurs pour équilibrer la pression et la tempé- rature des courants de fluide parallèles.
En outre, la réduction des lumières individuelles des éléments échangeurs ainsi qu'une courbure accentuée de leurs parois ou un entrelaage de ces corps, permettent d'utiliser des parois très minces même pour.les pressions les plus éle- vées, voire d'aller jusqu'au minimum imposé par les considé- rations technologiques, sans pour cela diminuer la résistan- ce mécanique ou la rigidité de ces parois. Outre une amélio- ration de l'échange thermique, il en résulte, dans l'échan- geur selon l'invention, une réduction extrême de matière, d'encombrement et de poids.
En outre, et selon l'invention, on tient compte, en combinaison avec les mesures exposées de la grande part que prend le rayonnement à la transmission de chaleur lorsque les différences de température sont élevées, principalement dans les générateurs de vapeur, ce rayonnement étant favorisé, se- lon l'invention, par des mesures spéciales, ce qui élargit la gamme des différences de température qui entreen ligne de compte.
Finalement, dans les échangeurs thermiques selon l'in- vention qui fonctionnent avec des températures et des différen- ces de température plus élevées des fluides en présence, on prévoit l'emploi simultané de l'écoulement à équi-courant et à contre-courant dans un seul échangeur thermique, conjoin- tement avec les nouvelles mesures précitées, afin d'amélio- rer encore au possible la transmission thermique, tout en limitant les contraintes thermiques agissant sur les matières employées:
Dans les dessins annexés :
La figure 1 représente schématiquement et en coupe partielle un mode d'exécution de l'échangeur thermique Se-
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lon l'invention, sous la forme d'un générateur de vapeur.
Les figures 2 à 14 sont des exemples d'exécution d'échangeurs thermiques dont les éléments constitutifs sont formés par des tubes ou nappes tubulaires croisés ou super- posés dans l'espace qui, s'arcboutant mutuellement ou reliés entre-eux, forment une sorte d'entrelacement tubulaire auto- portant, les figures 3 à 4 montrant également la disposition des collecteurs pour le fluide traversant les systèmes tubu- laires.
La figure 15 montre schématiquement un système d'écou- lement des fluides en présence selon l'invention, avec alter- nance d'équi-courant et de contre-courant.
Dans le générateur de vapeur selon la figure 1, les brûleurs 1 sont prévus dans un porte-brûleurs 2 monte sur une chaudière dont les vaporisateurs sont constitués par trois faisceaux tubulaires 3, 4, 5 spiralés en forme de cylindres: Le porte-brûleurs comporte les canaux d'arrivée 6 pour l'air préchauffé à 500 environ, qui est amené au porte-brûleurs le long du manteau du faisceau extérieur 5 depuis le réchauf- feur d'air.
Une partie de cet air est dérivée des tuyaux 6 pour être fournie comme air secondaire aux flammes des brû- leurs: L'air primaire arrive par les tuyaux 6 du porte-brû- leurs aux brûleurs individuels non représentés dans les dessins et répartis sur les sections annulaires entre les faisceaux 3, 4 et 5 et la section intérieure du faisceau 3, pour réali- ser une charge uniforme de l'espace de combustion. Les brû- leurs individuels sont reliés par des tuyaux 7 à un vaporisa- teur ou gazéificateur 8 pouvant être chauffés électriquement par exemple:
Le combustible (carburant) est envoyé au porte- brûleurs par une pompe, des tuyaux séparés étant prévus pour les différents brûleurs afin d'obtenir une alimentation uni-
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forme . Le débouché de chaque brûleur est muni d'un corps incandescent chauffé électriquement qui opère l'allumage lors de la mise ne marche et empêche ensuite une rupture ou une extinction éventuelle de la flamme. Les faisceaux 3, 4 et 5 enroulés en forme de vis à filets multiples,se terminent par les tuyaux de sortie de vapeur 9 qui émergent du porte- brûleurs sur lequel ils sont uniformément répartis, pour être ensuite réunis (non représenté).
Suivant une autre dis- position, les tuyaux de vapeur 9 sont disposés dans l'inté- rieur du générateur, dont ils émergent en un endroit autre que le porte-brûleur, ce qui procure l'avantage de pouvoir établir le porte-brûleurs comme élément distinct pouvant être aisément enlevé de la chaudière ou remplacé:
Les faisceaux 3,4, et 5 formant les vaporisateurs et constitués, sous la forme de vis à filets multiples, @ par des tuyaux branchés en parallèle et présentant les lumières capillaires et les parois minces selon l'invention, sont en- roulés à spires serrées dans la partie du générateur tournée vers le porte-brûleurs, partie dans laquelle le rayonnement détermine la majeure partie de la transmission de chaleur vu la température élevée des flammes ou des gaz, tandis que, dans la partie adjacente du générateur, dans laquelle la part de la convection dans la transmission thermique augmente progres- sivement, ces spires sont séparées par des intervalles pour offrir une surface de contact maximum aux gaz chauds.
Dans la dernière partie du générateur qui sert principalement au réchauffage de l'air, les différents tubes sont rassemblés au centre et se dirigent vers les pompes d'alimentation sous la forme d'un faisceau tubulaire 10. Pour favoriser le rayonnement et donc la transmission thermique, on prévoit dans la première partie de la chaudière, à l'intérieur et entre les vaporisa- teurs 3, 4 et 5, des corps de rayonnement co-axiaux 11, 12 et
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13 ayant la ib rme de cylindres creux et constitués Utile- ment en une matière réfractaire à haut pouvoir émetteur,par exemple la stéatite, ces corps présentent des parois mimes, éventuellement poreuses ou à perforations multiples, afin de réaliser un temps de chauffe réduit, ainsi qu'un encombre- ment et un poids peu importants.
La seconde partie du géné'- rateur comporte également des corps de rayonnement 14,15, 16 creux présentant par exemple la forme de cylindres/fermés à parois simple ou double, rétrécis à une extrémité, de telle Sor- te qu'ils dévient les gaz chauds vers le vaporisateur, fa- voris ant ainsi le passage de ces gaz entre les tubes des va- porisateurs enroulés à spires écartées dans cette partie de la chaudière. Ainsi, le rayonnement reste efficace même aux faibles températures des gaz chauds, tandis que la convec- tion se trouve favorisée à ces températures. L'action des corps de rayonnement peut être complétée ou remplacée par celle de matières gazeuses ou pulvérulentes, à haut pouvoir de rayonnement, mélangées aux gaz chauds.
Le générateur de vapeur proprement dit se prolonge par un réchauffeur d'air que les gaz chauds traversent dans les tubes 17, tandis que l'air circule entre ces tubes: Dans la disposition représentée ici, l'air fourni par un compresseur est introduit par un tube 18 entourant le fais- ceau 10, s'échappe des ouvertures 19 dé ce tube pour baigner les tubes 17 à gaz chaud, parvient ainsi radialement vers l'extérieur et se dirige ensuitesuivanture direction axiale vers le porte-brûleurs 2 en passant entre les vaporisateurs 5 et une enveloppe en tôle 20 entourant ce dernier. Grâce à cette disposition, les pertes de cnaleur vers l'extérieur subies par le générateur de vapeur sont réduites à un mini- mum.
En outre, ce système d'écoulement d'air, joint à la construction du vaporisateur 5 dans la zone des températures
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maximum sous la forme d'un faisceau tubulaire à spires ser- rées, permet de supprimer toute maçonnerie réfractaire dans le générateur de vapeur selon l'invention.
Afin de réaliser (outre une vitesse partout unifor- me des flammes et une charge uniforme de. lchambre de com- bustion, obtenues grâce à l'alimentation et la répartition convenables des brûleurs) une charge uniforme des surfaces de chauffe d'une part, et un état uniforme de la vapeur dans les tubes branchés en parallèle de tous les vaporisateurs d'autre part, l'invention prévoit que les diamètres, de mê- me que les nombres de filets des vaporisateurs concentri- ques et chauffées des deux côtés, c'est à dire intérieur et extérieur, seront dans un rapport (valable pour n'importe quel nombre de tels vaporisateurs) de 1 : 2 : 3 : 4 : 5, etc.., ce qui peut être trouvé par le calcul.
Dans les va- porisateurs chauffés d'un seul côté (vaporisateurs, dans la figure 1) le nombre de filets, et donc celui des tubes de vapeur branchés en parallèle, doit être réduit à la moi- tié de la valeur, qui, dans le cas considéré,correspond à la proportion ci-dessus:
Selon l'invention, l'espace intérieur du vaporisa- teur intérieur extrême (3 dans la fig.l) peut, au lieu d'être chauffé par des gaz brûlés:à l'aide de brûleurs y associés, comme montré au dessin, peut contenir, du moins partiellement, le (ou un) moteur à vapeur alimenté par le générateur de vapeur, notamment une turbine à vapeur: On obtient ainsi une construction compacte.
De plus, on élimine toute perte de chaleur par rayonnement ou convec- tion, du moteur à vapeur.
Selon l'exemple de la figure 2, les différents éléments échangeurs thermiques sont constitués par des serpentins 21 dont les spires circulaires sont disposées
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en hélice le long de l'axe. Le fluide appelé à traverser les serpentins entre par le raccord 22 à l'extrémité supé- rieure da serpentin et sort par le raccord 23 à l'extrémité inférieure. Les serpentins 21 sont disposés de façon que les spires s'entrepénètrent, en laissant entre les spires des surfaces aux dimensions aussi uniformes que possible: Ainsi, la section libre entre les spires des serpentins juxtaposes est subdivisée en sections partielles, ce qui assure un écou- lement uniformisé du fluide passant entre les serpentins.
Les serpentins 21 assemblés en un seul groupe se suppor- tent mutuellement à leurs points d'intersection avec les ser- pentins voisins et peuvent être réunis entre eux en ces points par soudure ou analogue, de sorte que le groupe assemblé for- me,un tout auto-portant. ne
La figure 2/montre qu'un groupe de serpentins emboîtés les uns dans les autres.
Cependant, deux ou plusieurs de ces groupes peuvent être réunis en un élément échangeur de chaleur complet; dans ce cas, il y a non seulement emboîtement des ser- pentins de chaque groupe, mais aussi intersection des serpen- tins du groupe intérieur avec ceux du groupe qui l'entoure; Afin d'augmenter au possible le nombre des tubes, l'arrivée du fluide devant traverser les tronçons tubulaires peut être prévu aussi bien de l'extérieur que de l'intérieur, éventuel- lement aussi dans des positions intermédiaires.
L'exemple selon la figure 2 montre une disposition cy- lindrique des tubes; cependant, cette disposition peut être aussi .'différente par exemple elliptique, parabolique ou ana- logue, ou rectiligne, ou rectiligne avec une courbure voulue.
Dans chaque cas il y a lieu de veiller à ce qu'on obtienne, perpendiculairement au sens d'écoulement du fluide passant entre les tubes, des intervalles tels que le courant du fluide
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sera réparti aussi uniformément que possible sur l'ensemble de sa section d'écoulement.
La disposition selon la figure 3 prévoit des chambres annulaires 24 et 25 reliées par des tubes 26 à lumière mini- mum. Un échangeur thermique de ce type consiste de préféren- ce en un nombre de chambres 24, 25 en série, les tubes de liaison 26 étant formés et exécutés de telle manière que les sections libres laissées pour le passage du fluide entre ces tubes présentent des superficies uniformes au possible, uni- formisant ainsi l'écoulement,du fluide. Le fluide peut être introduit dans les éléments échangeurs soit par admission sé- parée pour chaque élément annulaire, soit par admission com- mune à plusieurs chambres. Ici également, les tubes reliant les chambres annulaires peuvent présenter toutes formes et dispositions voulues.
Lorsqu'il s'agit de grandes dimensions, on peut prévoir, au lieu de deux chambres annulaires selon la figure 3, un plus grand nombre de telles chambres, lesquelles seront alors concentriques et reliées entre elles par des tubes analogues aux tubes intenédiaires 26.
La disposition et l'exécution des tubes à lumière mi- nimum selon l'invention peut également consister à entourer l'ensemble du système tubulaire d'une enveloppe formée de tu- bes enroulés en serpentins à spires serrées, la disposition pouvant être telle qu'un système tubulaire-à spires entre- croisées vient se juxtaposer à un tronçon relativement Court d'un tel serpentin.
En outre, les diverses combinaisons de système tubulaire selon l'invention peuvent être appliquées conjointement avec des tubes servant à amener ou à évacuer le fluide et po- sé suivant l'axe longitudinal de l'échangeur, renforçant ain- si le système tubulaire auquel ils servent de tubes de support:
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Le développement plus poussé des échangeurs thermiques selon l'invention, formés par des tubes capillaires entrela- césaboutit aux réalisations selon les figures 4 à 14, où les éléments entrecroisés ou entrelacés consistent non plus en tubes individuels mais en nappes tubulaires, afin de réa- liser un nombre maximum de tubes en parallèle avec le mini- mum d'encombrement, comme cela est nécessaire par exemple dans les générateurs de vapeur à grande puissance. Ici, tout comme dans les variantes selon les figures 2 et 3 on a tenu compte de la nécessité d'un degré d'alimentation uniforme de longueurs égales de tubes ou systèmes tubulaires branchés en parallèle, grâce à une construction et disposition symétriques de toutes les branches parallèles.
En outre, les variantes selon les figures 4 à 14 sont caractérisées en ce que les tubes ou systèmes tubulaires branchés en parallèle et faisant partie du trajet d'écoulement d'ensemble du fluide, débouchent dans le nombre requis de collecteurs traversés successivement par le fluide, afin de réaliser un équilibrage fréquent de la pression et de la température des courants partiels indi- viduels du fluide, effet particulièrement avantageux dans les générateurs de vapeur:
La figure 4 est une coupe d'un échangeur thermique, montrant un exemple d'une disposition par nappes tubulaires selon l'invention.
Dans cette disposition, les tubes sont juxtaposés à faibles intervalles par cinq en formant des nappes 27, de tel- le sorte que la nappe présente trois côtés formant essentiel- lement un triangle équilatéral: Les extrémités des tubes for- mant une telle nappe sont raccordées à des chambres 28 pré- vues dans une enveloppe circulaire 29 entourant les nappes 27. Lorsque les différentes nappes 27 sont disposées selon la figure 4, on obtient un entrelacement tubulaire dans le-
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quel les extrémités des tubes aboutissent dans des collec- teurs successifs 28, de sorte qu'on obtient un système de col- lecteurs relies par les nappes tubulaires, système formant le trajet continu du fluide à chauffer ou à refroidir.
L'espace situé au milieu de l'entrelacement tubulaire formé par les nappes peut servir, dans le cas de générateurs de vapeur, à abriter une turbine à vapeur alimentée par la vapeur fournie par ce générateur:
Selon l'invention, les anneaux 29 formant les collec- teurs 28 peuvent être construitsde diverses manières.
La fi- . gure 5 montre un exemple d'exécution en coupe: Dans cette variante, l'enveloppe servant comme collecteur annulaire con- siste en deux anneaux 30, 31 à sections rectangulaires, as- semblés avec l'enveloppe annulaire 33 à l'aide de boulons de dilatation 32, avec interposition de joints 34, 35 et 36: Un évidement lenticulaire 37 prévu dans l'enveloppe 33 et qui est soumis,à une pression intérieure dans les générateurs de vapeur par exemple, agit de façon àpresser les bords latéraux de l'enveloppe 33 dans des dégagements des anneaux 30, 31 et contre les joints 34, 35 prévus dans ces évidements.
Les ex- trémités des tubes 38 formant les nappes sont introduites dans les anneaux 30, 31 où elles sont brasées, et débouchent ainsi dans les collecteurs 39 formés par les anneaux 30, 31 et l'en- veloppe annulaire 33. Le collecteur annulaire 30, 31, 39 est séparé du système tubulaite entrelacé par une chemise 40 et, de l'extérieur, par les chemises 41, 42,l'air contenu dans l'intervalle entre ces chemises constituant un bon calorifu- ge.
Les figures 6 et 7 montrent un anneau collecteur ana- logue, la figure 6 étant une coupe suivant C-D de la figure 7, laquelle est une coupe suivant A-B de la figure 6: Dans
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cette variante, les collecteurs 43 sont formés 1 par deux an- neaux 44,45 pourvus d'évidements assemblés à serrage par des boulons 46, anneaux dans lesquels pénètrent les extrémités des tubes 47, pour y être brasées: Entre les anneaux 44, 45 est interposé un joint annulaire fermé 48 qui assure l'étan- chéité du collecteur 33.
La figure 8 montre une autre variante des collecteurs annulaires et l' assemblage des différents anneaux et leur raccordement aux deux parties extrêmes de l'enveloppe annu- laire par lesquelles se fait l'arrivée et l'évacuation du fluide. Selon la variante de la figure 8, on prévoit deux piè- ces annulaires extrêmes 49, 50 entre lesquelles se situent les collecteurs annulaires 52 raccordés au tube 51 du système tubulaire entrelacé, les pièces 49,50 étant assemblées par des boulons 53 qui traversent ces collecteurs. Les pièces 49, 50 présentent respectivement des canaux annulaires 54, 55, dont le premier sert à l'admission du fluide, par exemple de l'eau à vaporiser, tandis que le second sert à collecteur et à évacuer le fluide, par exemple la vapeur développée'.
Les col- lecteurs annulaires situés entre les pièces 49,50 sont cons- titués par des anneaux 52 munis d'évidements etjuxtaposés avec interposition de joints annulaires 56. Les évidements des parois latérales des anneaux 52 forment des chambres 57 où aboutissent les extrémités des tubes 51. Les chambres 57 sont reliées par les tubes 51 de telle façon qu'on obtient une canalisation comprenant l'ensemble du système tubulaire entrelacé et dont les derniers collecteurs sont reliés par les canaux 58 ou 59 aux canaux annulaires 54 ou 55.
Selon les figures 9 à 11, les anneaux contenant les chambres 57 et entourant le système tubulaire entrelacé peu- vent être remplacés par des barres creuses 60 juxtaposées avec interposition de joints 61 et réunies par des tirants 6S
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Pour absorber les efforts de flexion aux points de rencontre, on peut intercaler des pièces intermédiaires 63 à section en T (ligure11). Une telle construction des éléments de l'é- changeur thermique tient particulièrement compte d'une divi- sion poussée en sdction et donc de l'interchangeabilité de ces éléments.
L'emploi de tubes entrelacés selon l'invention per- met en outre la disposition à deux chambres opposées, fermant un système continu et reliées par des tubes. Cette construc- tion offre la possibilité d'occuper entièrement un plan par des tubes et d'utiliser ainsi complètement la surface par- courue, sans avoir à occuper plusieurs pians par des croise- ments que l'entrelacement rend nécessaires. Ceci réduit no- tablement la hauteur ou la longueur d'un tel échangeur de chaleur, par exemple élément de chaudière. Cette construc- tion n'est cependant avantageuse que dans les parallélogrammes équilatéraux, lorsqu'on doit satisfaire à la condition qui stipule que les tronçons tubulaires exposés à un degréd'é- chauffement déterminé, doivent présenter des longueurs iden- tiques.
La figure 12 montre une telle construction sous la forme d'un carré qui, dans les petites unités, sera employé seul et, dans les grandes unités, sous la forme d'un carré quadruple (étoile), comme montré dans cette figure. La dis- position des tubes 64 et le sens d'écoulement du fluide sont montrés schématiquement dans la figure 12. Les tubes 64 dé- bouchent dans les collecteurs 65 forant'les côtés du carré et communiquant avec une chambre centrale 66 ainsi que des cambres latérales 67 pour l'admission et l'évacuation.
A titre de variante, la figure 13 montre l'assemblage de parallélogrammes équilatéraux obliques en un hexagone, pour se rapprocher de la disposition circulaire de l'instal-
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lation. Des collecteurs et des points d'admission et d'éva- cuation sont prévus tout comme dans la disposition en carré selon la figure 12.
La figure 14 montre une construction composée d'un grand nombre de parallélogrammes obliques, ce qui détermine un "anneau" hexagonal qui, dans les générateurs de vapeur, peut servir à contenir le moteur à vapeur.
Pour combiner, dans les échangeurs thermiques selon l'invention, notamment des générateurs de vapeur, une transmis- sion thermique maximum avec le plus grana ménagement possible des éléments échangeurs en ce qui concerne les contraintes ther- miques, il est éventuellement utile que les fluides en relation d'échange thermique parcourent les surfaces de séparation par- tie à équi-courant et partie à contre-courant,. Bans le cas de générateurs à vapeur, on obtient ainsi l'avantage que, dans la partie travaillant à équi-courant, dans laquelle afflue les gaz chauds, une proportion relativement importante de la quan- tité de chaleur des gaz-chauds est dépensée pour le préchauf- fage et la vaporisation de l'eau amenée.
On obtient ainsi que les différences de température dans les parois de l'élément échangeur (par exemple tubes parcourus par la Vapeur.) , par rapport au fluide à chauffer sont maintenues dans des limites tellement étroites, que l'on peut utiliser, comme matériaux de construction, des matières dites de remplacement, c'est à dire des matériaux qui ne comportant que peu ou point de nickel) de chrome ou analogues, peuvent supporter des températures jus- que 600 C. environ.
Par conséquent, et selon l'invention, la variante ci- après prévoit que, dans un échangeur thermique, servant comme générateur de vapeur, la Partie destinée aU préchauffage et à la vaporisation sera éventuellement alimentée à équi-courant par rapport au sens d'écoulement des gaz chauds, tandis que l'autre
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partie de cet échangeur, située vers le point de sortie des gaz chauds, et où s'effectue la surchauffe de la vapeur, travaillera à contre-courant à raison de la température sensiblement réduite de la chambre de combustion. En outre, suivant le type de l'é- changeur -et les rapports de température qu'il détermine, on peut prévoir plusieurs alternances de parties à équi-courant et à con- tre-courant, avec prédominance de groupes à équi-courant ou à contre-courant, selon les nécessités.
La figure 15 montre schématiquement l'application de ce principé à un générateur de vapeur selon l'invention, où la va- peur traverse un système de serpentins à lumière et épaisseur de paroi minimum:
Dans l'exemple selon la figure 15, la partie du généra- teur de vapeur parcourue par la vapeur est:constituée par deux groupes de serpentins 68 et 69. Les serpentins 68 relient deux chambres annulaires 70 et 71 ; on peut prévoir un nombre élevé, 10 par exemple, de tubes hélicoidaux 68. L'eau à vaporiser ar- rive dans la chambre 70 par le tube-72, tandis que la vapeur arrive dans la seconde partie du générateur de vapeur par le tube 73. Cette dernière partie est constituée à son tour par des cham- bres annulaires 74, 75, 76 reliées, la première avec la seconde et la seconde avec la troisième, par un système tubulaire héli- coidal 69.
Ici également, on peut employer un grand nombre de serpentins, par exemple vingt serpentins entre les chambres 74 et 75 et trente serpentins entre les chambres 75, 76. Le tube 73 amène la vapeur à la dernière chambre 74, d'où cette Vapeur parvient dans la chambre 76 à travers les serpentins 79 et la chambre intermédiaire 70, en s'écoulant à contre-courant des gaz chauds qui traversent les générateurs de vapeur dans la di- rection indiquée par la flèche, la vapeur se dirigeant de la cham- bre 76 vers l'endroit d'utilisation en passant par le tube 77.
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Etant donné que, comme indiqué par les flèches, les gaz chauds arrivent dans le générateur de vapeur en rencontrent d'abord la chambre annulaire 70 que traverse d'autre part l'eau à vaporiser, le premier groupe de serpentins, prévu entre les chanbres 70 et 71, travaille à équi-courant par rapport au sens d'écoulement des gaz. Cette partie sert, dans l'exemple repré- senté, à produire de la vapeur jusqu'à la limite de la vapeur saturée. La vapeur saturée amenée dans la chambre 74 par le tube 73 est déjà surchauffée sur son trajet à travers les serpentins 69 jusqu' à la chambre 76 communiquant avec le tube de prise de vapeur 77, trajet accompli à contre-courant par rapport à l'é- coulement des gaz:chauds dont la température se trouve déjà sensiblement réduite.
La prévision d'une ou de plusieurs cham- bres intermédiaires 75 vise principalement à éviter un écoule- ment non uniforme. De telles chambres intermédiaires peuvent au besoin être prévues aussi dans la partie à équi-courant:
Dans ,la partie à contre-courant, on peut obtenir, grâce à des surfaces largement calculées pour l'échange thermique) par exemple, grâce à une élévation convenable du nombre et/ou du diamètre des serpentins 69, une transmission thermique plus élevée et, par conséquent, une utilisation particulièrement économique de la chaleur que possèdent encore les gaz chauds après avoir coupé la partie à équi-courant ;
d'autre part, et vu -La caisse sensible de la température de la encore de com- bustion survenue déjà dans la partie à équi-courant, on peut utiliser des matériaux de substitution même dans les générateurs de vapeur à grande puissance. Enprincipe, le nombre ou le dia- mètre des tubes doit être plus élevé dans la partie de l'échan- geur thermique travaillant à contre-courant, que dans sa partie à équi-courant. On obtient ainsi, dans toutes les parties de l'échangeur, des vitesses d'écoulement qui, eu égard à la trans- mission thermique dans les différentes zones de température, déterminent des températures de parois réduites au possible.
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Dans toutes les variantes et applications des échangeurs thermiques selon l'invention, il peut être utile d'élever la trans- mission thermique tout en réduisant la résistance à l'écoulement, cela grâce à des mouvements relatifs des surfaces de séparation par rapport à un au moins des fluides en mouvement, de préférence par des vibrations de haute et de très haute fréquence, vibrations orientées au moins partiellement dans le sens transversal à la direction d'écoulement, ce qui détermine en outre un relâchement automatique de particules éventuellement engagées dans les lumiè- res étroites.
De tels mouvements peuvent être obtenus de diverses manières; il est cependant particulièrement avantageux d'utiliser à cet effet le courant d'au moins un des deux fluides: REVENDICATIONS.
EMI20.1
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1.- Echangeur thermique, caractérisé par des surfaces d'é- change thermique qui, au moins en ce qui concerne l'un des fluides en relation d'échange thermique, présentent un écartement minimum, avec des changements de direction aussi brusques que possible, d'où une participation aussi uniforme que possible de toutes les molécules de chaque section transversale du flux aux chocs molé- culaires qui déterminent essentiellement la transmission thermique entre la surface d'échange et le fluide, chocs perpendiculaires à la paroi considérée, tout en élevant le nombre et la valeur d'im- pulsion de ces chocs.