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Chaudière ou analogue comportant de grandes surfaces d'échange de chaleur.
La présente invention se rapporte à des échangeurs de chaleur de grande surface tsls qus ceux qui sont utilisés pour les chaudières à vapeur ou analogues en vue d'effec- tuer un transfert indirect de chaleur entre deux milieux présentant des conductibilités thermiques extérieures dif- férentes; elle concerne un mode (la construction remplissant ces conditions, et susceptible de supporter continuellement des températures de gaz supérieures à 1300 C.
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L'invention est particulièrement applicable aux sur- faces de convection des chaudières à vapeur. Une telle mise en oeuvre permet d'obtenir une réduction allant jusqu'à 90% de la quantité de tubes nécessaires pour les surfaces de con- vsction et permet de réduire l'espace nécessaire pour les surfaces de convection à 1/8ème de celui qui est nécessaire dans une chaudière du type La Monte qui est considérée comme l'une des chaudières actuellement disponibles dont l'effica- cité est la plus grande.
L'invention permet encore d'augmenter de beaucoup le rendement des chaudières et des fours actuellement en ser- vice; il suffit simplement d'incorporer un élément relati- vement petit construit conformément à l'invention dans le carneau reliant le foyer à la cheminée; en outrée en raison du petit encombrement qu'elles nécessitent, les chaudières construites conformément à l'invention conviennent parfaite- ment pour utiliser la chaleur qui serait normalement perdue et qui provient de hauts-fourneaux et autres sources indus- trielles de chaleur.
De plus, l'invention est particulièrement importante pour les chaudières de narine dans lesquelles l'augmentation du rendement rend possible un taux de vaporisation plus éle- vé et, par conséquent, des vitesses plus grandes; en raison de la consommation plus faible de combustible et de la ré- duction de poids, elle permet d'obtenir un plus grand rayon d'action.
L'invention se rapporte encore au perfectionnement et à la réduction des dimensions totales des réchauffeurs d'hui- le et appareils similaires dans lesquels la vapeur de con- densation est fréquemment utilisée comme fluide chauffante et où les constructeurs des appareils utilisés jusqu'à pré- sent dans ce but n'ont pas tenu compte de la différence des coefficients de conductibilité thermique de l'huile et de
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la vapeur.
On a également trouvé que l'utilisation de chaleur radiante, comme par exemple dans des fours générateurs d'air chaud, peut être grandement améliorée en appliquant à ces appareils la présente invention.
L'invention tient compte du fait que, en augmentant la surface du transfert de chaleur exposée au milieu ayant la plus faible conductibilité extérieure et en proportion- nement et en disposant l'ensemble conformément à certaines formules, le taux de transfert de chaleur du dit milieu peut être rapproché de celui du milieu dont la conductibili- té extérieure est la plus élevée.
L'invention consiste essentiellement à augmenter la surface de transfert à l'aide d'éléments en forme de barreaux fixés aux tubes bouilleurs ou aux parois séparant les deux milieux et s'étendant dans la zone contenant le milieu dont la conductibilité extérieure est la plus basse sensiblement transversalement à cette zone, de telle sorte qu'ils soient en mesure de lui transmettre directement la chaleur tout en se trouvant en mesure de transmettre indirectement la cha- leur à travers la paroi au milieu dont la conductibilité ex- térieure est la plus élevée. Les buts de l'invention sont obtenus en proportionnant et en disposant convenablement ces éléments de transfert de chaleur.
On sait que de nombreux essais ont été effectués jus- qu'à présent pour améliorer l'échange de chaleur entre deux milieux, et cela en se servant d'ailettes., de barreaux et autres éléments portés par les tubes ou autres parois sépa- rant los milieux et s'étendant dans l'un des milieux ou dans les deux à la fois; néanmoins, il ne semble pas que l'on ait jamais indiqué de quelle manière, en utilisant une augmen- tation de surface, les surfaces de convection d'une chaudiè- re à vapeur du type La Mont., par exemple, pourraient être réduites dans une mesure telle que l'on ait plus besoin que
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de 1/8ème de l'espace qui était précédemment nécessaire.
D'après les informations existant sur ce sujets la. détermi- nation de la forme, des proportions etde la disposition gé- ométrique des surfaces de transfert additionnelles a tou- jours été effectuée en se basant sur des tâtonnements et cette méthode empirique a conduità des dépenses exagérées.
La présente invention., au contraire, est basée sur la décou- verte d'un certain nombre de faits scientifiques démontrés, relatifs aux facteurs mis en jeu et à leur signification; ainsi qu'il apparaîtra plus clairement ci -après, l'invention fournit des directives parfaitement adaptées à la détermina- tion pratique d'appareils susceptibles de remplir les buts qu'elle se propose.
En somme, les buts de l'invention sont les suivants : 1) Permettra d'obtenir un échange indirect de chaleur plus efficace entre deux milieux de conductibilités exté- rieures différentes.
2) Obtenir des appareils d'échange de chaleur particuliè- rement conçus pour être utilisés sous forme de surfaces de convection dans une chaudière à vapeur et grâce auxquels la tubulure nécessaire est réduite à 1/10ème de celle qui était indispensable jusqu'à, présenta l'encombrement total des surfaces de convection étant réduit à environ 1/8ème de 1 ' encombrement habituel.
3) Fournir des moyens pour augmenter le rendement des chau dières et fours actuellement en service.
4) Réduire la dimension et segmenter le rendement des réchauffeurs d'huile.
5) Améliorer l'utilisation de la chaleur radiante.
L'invention concerne le nouvel appareillage sensible- ment tel que décrit ci-après, étant entendu que l'on peut apporter aux différents modes de réalisation de la présents
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invention toutes modifications de détail sans sortir du cadre de la dite invention.
Les dessins annexés représentent plusieurs exemples complets de réalisations matérielles préférées de l'inven- tion.
Sur ces dessins :
La fig. 1 est une vue schématique représentant une chaudière type La Mont dont les surfaces dent-les-surfaces de convection sont construites conformément à l'invention.
Les proportions de ces surfaces , dans un but de clarté sont quelque peu exagérées par rapport au reste de l'appareil.
La fig. 2 représenta symboliquement une chaudière ty- pe La Mont et montre quelle proportion de son espace d'en- combrement total est attribuée aux surfaces de convection; elle montre également par comparaison l'importante réduction de cet espace résultant de l'application de la présente in- vention.
La fig. 3 est une vue en coupe longitudinale à une échelle agrandie, la dite coupe étant effectuée à travers le carneau de la chaudière représentée sur la fig. 1 et mon- trant une coupe des surfaces de convection.
La fige 4 est une vue en coupe de la fige 3 suivant le plan représenté par la ligne 4-4.
La fig. 5 est une vue en coupe partielle à une échel- le encore plus grande, la dite coupe étant effectuée à tra- vers deux tubes des surfaces de convection représentées sur la fig. 3, les éléments de transfert de chaleur y étant fixés.
La figure 6 est une vue en coupe effectuée à travers la fig. 5 suivant le plan de la ligne 6-6 et représentant la disposition des éléments de transfert de chaleur l'un par rapport à l'autre et représentant le flux de gaz pas- sant sur eux.
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La fig. 7 représente un profil avec coupe verticale partielle montrant l'application de l'invention à uns ins- tallation de chaudière existante de manière à utiliser la chaleur, habituellement perdue, des gaz d'échappement, de manière à accroître le rendement de la chaudière.
La fig. 8 est une vue en coupe de la fig. 7 suivant le plan représenté par la ligne 8-8.
La fig. 9 est un graphique représentant le rondement relatif de la chaudière à laquelle a été adjoint le disposi- tif des fig. 7 et 8, avant et après la dite adjonction.
La fig. 10 représente une courbe expliquant la désigna- tion symbolique utilisée dans la présente description pour définir le rendement en conduction des éléments individuels de transfert de chaleur dont l'ensemble constitue la surface additionnelle.
La fige 11 est une abaque montrant un ensemble de cour- bes qui ont été construites afin de faciliter la détermi- nation de la longueur maximum des éléments de transfert conformes à l'invention.
La fig. 12 est une vus en coupe verticale effectuée à travers un four générateur d'air chaud et montrant l'ap- plication de l'invention pour améliorer l'utilisation de la chaleur radiante.
La fig. 13 est une vue de profil avec coupe longitudi- nale partielle montrant l'application de l'invention à un ré- chauffeur d'huile et la fig. 14 est uns vue en coupe de la fig. 13 suivant le plan représenté par la ligne 14-14.
Avant d'aborder la description des différents modes de réalisation représentés sur les dessins annexés, il est essentiel que le terme "conductibilité extérieure soit net- tement compris. On entend par ce terne la propriété d'un mi-
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lieu d'effectuer un transfert de chaleur entre lui-Même et la surface d'un solide exposé au dit milieu.
Ce terme met en jeu des éléments tels que les propriétés physiques inhé- rentes au milieu ; lestempératures du milieu et des surfaces mises en cause ; la vitesse du Milieu s'il est en état d'écou- lement ou en Mouvement; la forme et les dimensions de la. surface exposée au milieu : la disposition de la surface dans le milieu par rapport à sa direction d'écoulement ou de mouvement; et sa proximité vis-à-vis d'autres surfaces ou d'obstacles pouvant exister dans le milieu et qui pour- rait exercer un effet sur la manière suivant laquelle le milieu est en contact avec la dite surface.
Plus précisément, le terme "conductibilité extérieurs Il tel qu'on l'utilisera dans la présente description, possède la même signification que l'expression "valeur Alpha" ob- tenue d'après les formules ci-après et en tenant compte de la correetion qui a été trouvée nécessaire.
Dans le cas de la disposition imbriquée clos éléments de transfert de chaleur constituant la surface additionnelle, telle que représentée sur la fig. 6, on a :
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Dans le cas de la juxtaposition des éléments de trans- fert de chaleur c'est-à-dire lorsque les dits éléments sont disposés l'un derrière l'autre suivant des rangées ou files juxtaposées :
EMI7.2
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Dans ces formules :
Sq est la distance d'axe en axe entre deux éléments de transfert de chaleur adjacents, la dite distance étant comptée en mètres et mesurée à angle droit par rapport à la direction de l'écoulement das gaz ;
Si est la distance d'axe en axe entre les éléments de transfert de chai sur,, la dite distance étant comptée en mètres et mesurée suivant la direction de l'écoulement des gaz ;
T est la température absolue des gaz., c'est-à-dire tg+ 2730 C.
Vo représente la vitesse des gaz en mètres par seconde à 0 C. d est le diamètre des éléments de transfert de chaleur mesure en mètres.
Ces formules ont été extraites de l'ouvrage du Dr. Ing.
Anfred Schack intitule "Der Industrielle Warmeühergang" (édition 1940 page 121). Il a néanmoins été trouvé que les valeurs ainsi obtenues sont trop élevées d'environ 30% pour l'application pratique aux appareils du type rentrant dans le cadre de la présente invention. 70% des valeurs obte- nues en appliquant les dites formules peuvent être consi- dérées comme satisfaisantes.
En conséquence, lorsqu'on utili- sera le forme "conductibilité extérieure au cours de la présente description, il doit être bien entendu que l'on entend par là la valeur tirée des formules ci"dessus et ré- duite ensuite de trente pour cent (30%)
Il doit être encore bien entendu que dans les condi- tions qui existent normalement dans une chaudière à vapeur., la "conductibilité extérieure" de la vapeur ou de l'eau, c'est-à-dire du fluide de la chaudière, est au moins cent fois plus grande que celle des gaz de combustion;
en outrer
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à 50 C, et pour la même vitesse la. "conductibilité extérieume de l'huile est seulement de neuf pour cent (9 %) de celle de l'eau.
Il résulte de ces considérations que l'onnbbtient au- cun résultat utilisable en augmentant l'aire de la surface d'une paroi séparant par exemple de l'eau et des gaz de combustion chauds, si cette augmentation est la même sur les deux cotés de la paroi; en effet, en raison de sa conductibilité extérieure plus grand, le taux de transfert de chaleur qui est obtenu entre l'eau et la surface en con- tact avec elle est beaucoup plus grande que le taux de trans- fert de chaleur qui peut être obtenu entre les gaz chauds et la même paroi.
On peut déduire encore que si les surfaces de trans- fert de chaleur qui sont exposées à des échanges de chaleur avec les gaz chauds sont augmentées et si ces surfaces sont convenablement dimensionnées et disposées par rapport à l'é- coulement des gaze il est possible d'augmenter le taux de transfert de chaleur entre les gaz et les surfaces en con- tact avec eux jusqu'à une valeur telle que ce taux arrive à équilibrer le taux maximum que l'on peut obtenir pour le transfert de chaleur entre l'eau et l'intérieur du tube con- tenant cette eau. Néanmoins, le fait seul de disposer au ha sard une quantité de saillies ou d'ailettes sur le côté extérieur du tube est insuffisant.
Il doit être encore bien entendu que les difficultés présentées par le problème sont largement accrues par des considérations pratiques, par exemple par la température extrêmement élevée à laquelle les appareils de ce genre sont soumis, la nécessité de nettoyer les surfaces des accumula- tions de suie ou de poussière et les exigences de résistan- ce mécanique.
En se référant maintenant, en détail, aux dessins
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annexés,, et plus particulièrement aux figures 1 à 6 inclusi- vement, le chiffre 5 désigne le foyer ou zone de combustion d'une chaudière type La Mont, dont les parois sont garnies de tubes 6 suivant une disposition usuelle. L'eau est astrein- te à circuler à travers ces tubes à partir d'un dôme de va- peur 7 et sous l'action d'une pompe 8. Les gaz de combustion quittent le foyer ou zone de combustion en passant par un carneau 9 qui conduit à la cheminée (non représentée.)
A l'intérieur du carneau 9 se trouvent les surfaces d'échange par convection 10 de la chaudière, comprenant une partie servant à la vaporisation, une partie servant à la surchauffe, un économiseur et un réchauffeur d'air comme représenté sur la figure 1.
Les différentes parties des sur- faces d'échange par convection sont connectées suivant le procédé qui est courant dans la construction habituelle. Bien qu'on l'ait déjà mentionne ci-dessus, il est nécessaire d'insister encore sur ce point que, dans le but de rendre le dessin plus claire la représentation des surfaces d'é- changes par conviction sur la fig. 1 est quelque peu exa- gérée.. En réalité, elles occuperaient une place plus pe- tite qu'il n'est représenté.
L'économie d'espace qui résulte de l'application de l'invention à une chaudière du type La Mont est représen- tée graphiquement sur la figure 2. Sur cette dernière figu- re,une chaudière type La Mont estreprésentée sous forme symbolique; la partie de cette chaudière qui contient les surfaces d'échange par convection et le réchauffeur d'air est hachurée. Conformément à la pratique usuelle, le carneau d'échappement des gaz est représenté passant en bas le long de la paroi arrière 11 de la zone de combustion, cette dispo- sition ayant été considérée comme la mieux appropriée au point de vue de l'économie d'encombrement.
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Grâce à l'application de la. présente invention , la chaudière type Le Mont, l'importante réduction de l'espace nécessaire pour loger les surfaces d'échanges par convection permet de situer le carneau d'évacuation des gaz de telle sorte qu'ils passent directement vers le haut en partant du sommet de la zone de combustion comme représenté sur la figure 1.
Cornue on le voit sur les fig. 3 à 6, la quantité de tubes 12 utilisés pour les surfaces d'échange par convec- tion est effectivement inférieure à celle qui était néces- saire jusqu'à présent. En fait, la réduction atteint quatre vingt dix pour cent (90 %, Cela résulte du fait que les sur- faces primaires de transfert de chaleur ne sont pas les pa- rois des tubes ; au lieu d'être constituées par les dites parois., elles consistent endes surfaces additionnelles sous forme d'éléments 13de transfert de chaleur qui sont fixés convenablement aux tubes et en contact calorifique très étroit avec eux.
Les éléments 13 présentent une section droite petite comparée à leur longueur. Exactement la surface de la section droite de ces éléments doit être comprise entre 3 et 50 m2 et la forme de leur section droite est de préférence ronde bien que toute autre section puisse être utilisée tant que la dimension transversale la plus grande n'excède pas 3 fois la dimension transversale la plus petite. On assure ainsi la turbulence nécessaire dans l'écoulement.
La longueur minimum des éléments., c'est-à-dire de leurs parcours de conduction ne doit pas être inférieure à 10 fois la racine carrée de leur section droite; pour plus de précision, la longueur minimum du parcours de conduction (mesuré en mm. ou avec toute autre unité de mesure conve- nable) ne sera pas inférieure à dix fois la racine carrée
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du nombre exprimant l'aire de la section droite de l'élément (en mm.2ou en une autre unité quelconque de mesure corres- pondant à celle qui est utilisée pour exprimer la. longueur du parcours.)
La longueur maximum optimum des éléments correspond à une relation déterminée avec :
la température à laquelle les éléments sont soumis, l'aire de la section droite des élé- ments, le coefficient de conductibilité intérieure des élé- ments et la coefficient de conductibilité extérieure des gaz.
Cette longueur peut être déterminée avec une précision rela- tite au moyen de la formule suivante dans laquelle le sym- bole g représente le rendement des éléments en transfert de chaleur :
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Ó = coefficient de conductibilité extérieure (valeur Alpha) du gaz telle que déterminée par la formule appropriée avec une correction de 30% corme expliqué ci -dessus.
# = coefficient de conductibilité intérieure du métal dont sont constitués les éléments. e =la base des logarithmes népériens = 2,718 F = la circonférence de l'élément en mètres f = aire de la section droite de l'élément en m2 1 = longueur du chemin de conductance en mètres.
Pour poursuivre l'explication du rendement g du transfert de la chaleur, on se référera au diagramme re- présenté sur la fig. 10. D'après ce diagramme, on verra que g représente la différence entre la température des gaz et la température moyenne de l'élément 13 divisée par la différence entre la température des gaz et la températu- re de la paroi sur le côté du tube exposé aux gaz. Sur ce
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diagramme, la courbe a-b représente le gradient de tempéra- ture, suivant la longueur de l'élément et les deux surfaces hachurées au-dessus et au-dessous de la courbe a-b, dont les aires sont égales, déterminent le point de température moyen- ne le long de la courbe a-b.
Etant donné qu'il est nécessaire de comprendre exacte- ment la signification du rendement en transfert de chaleur g pour apprécier clairement la valeur de l'invention il est utile d'en donner une plus ample explication. Exprimé . d'une autre maniera, ce symbole représente la relation en- tre la quantité de chaleur transmise à travers un élément dans un appareil réel dans lequel la température de l'élément augmente nécessairement suivant sa longueur et vers son extrémité extérieure et la chaleur transmise par le même élément dans des conditions comparables si la température d'un bout à l'autre de cet élément était constante et égale à la température à la base de l'élément où il est fixé à la paroi du tube.
La dernière condition, bien entendu., est impossible à obtenir dans un appareil de fabrication actuel- le; mais le critérium de rendement g peut être effective- ment utilisé pour déterminer la meilleure longueur maximum des éléments.
La manière la plus convenable d'utiliser ce critérium est d'établir une famille de courbes telles que celles qui sont représentées sur la figure 11, et cela en utilisant la formule indiquée ci-dessus. Ces courbes peuvent être construites pour un nombre quelconque de conductibilités extérieures, ou Valeurs Alpha, et cela pour toutes valeurs données de la surface de sestion des éléments.
Sur la figu- re 11 les calculs mis en jeu pour établir les courbes ont été appliquées à l'aire de section droite d'un élément de
3 mm. de diamètre et, dans ces calculs, le rendement du
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transfert de chaleur a été déterminé mathématiquement en
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partant de la formule donnantg pour chaque valeur suppo- S60 de Alpha pour des longueurs supposées parcours de con- ,'-action. Ainsi, par exemJ?le,1 pourf.-= 75 et une longueur de 0,01 m. 13 rendement du transfert de chaleur est 0,989 : pour 0,02 nu le rendement du transfert de chaleur est 0.,963; pour 0,03 ri. il est de 0916 ; pour 0,04 m. il est de 0,863, etc....
Si, an utilisant cette formule donnantg,1 on trouve que le rendement de la conductibilité des éléments est au
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moins 60 1o de la valeur théorique totale (100 %) du transfert de chaleur, les facteurs de dimensionnement et la conducti- bilité thermique des éléments sont satisfaisants pour des
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températures inférieures à 60000j mais lorsque les tempéra- tures dépassent 6000 C, ce rendement en conductibilité doit 3tre au moins égale à 75 po.
En d'autres termes, avec des tshi- pératures plus hautes, on doit utiliser des éléments plus courts, mais pour obtenir un rendement maximum pour l'appareil les éléments doivent être aussi longs que les conditions le permettent. Dans le même ordre d'idées, il y a lieu de noter qu'une paroi imaginaire ne comportant pas de porte de trans- fert de quelque nature que ce soit permettrait d'obtenir un transfert de chaleur total ot un rendement de conductibilité de 100 %,
Il doit être bien entendu que, dans les références précédentes, àla longueur des éléments 13 on entend la lon- gueur du parcours de conduction constitué par ces éléments jusqu'à la surface de base la plus proche.
Lorsque les élé- Ments sont en forme de boucle dépassant de la paroi à la- quelle ils sont fixés, la longaaur du parcours de conduction est la distance mesurés de long de l'axe de l'élément en par-
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tant de son point final de contact avec la paroi de base
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jusqu'au point qui en est le plus éloigné. Lorsque les éléments relient deux tubes comme représentés par ex. sur les figures 3,4 et 5, la longueur du parcours de conduction est la moitié de la distance (mesurée le long de l'axe de l'élé- ment) entre les points de contact final entre les éléments et les tubes..
Les éléments 13 doivent être en urmétal présentant un coefficient élevé de conductibilité thermique intérieurs, de préférence au Moins 90/mth/hM2/ C/m, Le cuivre est idéal bien que tout autre matériau que l'aluminium, 1 nickel, le laiton, le sine, l'acier et différents alliages puisse être utilisé.
La liaison de chaque élément 13 avec sa surface de ba- se, c'est-à-dire la paroi de cuivre à laquelle il est fixé doit être au moins aussi grande que l'aire de la section de l'élément. Les liaisons peuvent être effectuées par sou- dure, par brasure ou par tout autre moyen assurant une bonne connection pour le transfert de la chaleur.
Il est évident que la disposition constructive des tu- bes et des éléments de transfert de chaleur placés sur eux peut varier; néanmoins, celle qui est représentée sur les figures 3 à 6 inclusivement s'est montrée particulièrement satisfaisante. Dans l'exemple représenté, chaque section de surface de convection consiste en un certain nombre de couches 14 de tubes munis d'éléments de transfert de chaleur montés sur aux, cette tubulure étant disposée à la 'manière d'un serpentin et étant entièrement formée d'une longueur de tubas continue. Les trois spires du serpentin formant chaque couche possédant chacune ses propres éléments de transfert de chaleur 13 disposés sur elle.
Chaque ensemble formé par une spire et ses éléments de transfert de chaleur peut être considéré comme un "réseau" absorbant la chaleur et collec- tivement ces réseaux constiuent un écran absorbant la cha- @
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leur st déployé sur toute la largeur du carneau.
Les éléments 13 de chaque réseau sont de préférence constitués par une longueur continue de fil d'une section choisie à l'intérieur des limites prescrites de 3 et 50 mm2., an tenant compta de certaines considérations telles que la résistance mécanique nécessaire, les températures des gaz et les dispositions convenables pour le nettoyage de la suie et de la poussière à enlever de ces éléments.
En aucun cas, cependant,, la surface do section des éléments ne doit excéder 50 mm2 étant donné que des fils ou tiges de section plus gran- de que cette limite ns possèdent pas des avantages suffi- sants (au point de vus du transfert de la chaleur) par rap- port aux tubes de plus petit diamètre utilisés dans les chau- dières du type à circulation forcée, cornue par exemple, la chaudière La Mont.
On a constats que le volume combine de tous les élé- ments, c'est-à-dirs le volume total de la surface addition- nelle. doit se trouver entre 5% et 25% du volume de la zo- ne ou du conduit dans lequel ils sont situés, et que la sur- face totale additionnelle procurée par les éléments et expo- sée au gaz ne doit pas être inférieurs à 50 m2 ou supérieure à 200 m2 par m3 (la la partie da la zone ou du conduit qui contient les éléments.
On a trouvé également que la surface totale exposée des éléments de transfert de chaleur ne doit pas être infé- rieure à trois fois la. surface projetée de la partie de la paroi extérieure des tubes adjacente à la partie de la zo- ne ou du conduit qui contient les éléments; elle ne doit pas non plus être supérieure à 16 fois cette valeur et de préférence ne doit pas être inférieure à 5 fois ni supérieu- re à 10 fois.
Il doit être bien entendu que la "surface pro- jetée" d'un tube est égale au diamètre de ce tube multi-
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plié par sa longueur et que la surface projetée ainsi con- sidérée doit comprendre les jointures de tous les éléments de la paroi et s'étendre au-delà des jonctions extrêmes sur uns distance égale à la moitié de la distance séparant les jonctions adjacentes puisque pour cette surface la transmis- sion de chaleur par tous les éléments vers l'intérieur de la paroi sera le même.
Pour l'adaptation des éléments de transfert de chaleur 13 aux tubes, le fil dont les éléments sont constitués est enroulé autour des éléments des spires du tube suivant des boucles allongées et ensuite un côté d'une boucle sur deux est déforme vers le plan médian contenant les axes des tubes et au-dessus des tubes, et en même temps les boucles restan- tes ont leur autre côté pareillement déformé de manière à constituer l'ensemble d'éléments imbriqué représenté sur la figure 5 et sur la figure 6, la totalité de la surface addi- tionnelle constituée par les éléments s'étendant; bien en- tendu, transversalement ou normalement à la direction de l'é- coulement des gaz.
L'étendue des dentures formée par les cô- tés des spires est telle que la distance entre les côtés droits non déformés des boucles se trouve également divisée par les parties en forma de denture.
Pour illustrer plus clairement l'application de l'in- vention à une chaudière à vapeur, les dimensions principales et les caractéristiques pour une installation relie sont données ci-dessous. L'exemple s'applique aux surfaces de convection d'une chaudière type La Mont mais non nécessai- rament à celle qui est représentée sur les fig. 1, 3, 4 et concerne la disposition imbriquée d'éléments de transfert de chaleur tels que ceux qui sont représentés sur les figu- res 3 à 6.
Les caractéristiques et dimensions essentielles de
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l'installation choisie à titre d'exemple sont les suivan- tes:
Volume de gaz à 000. = 4.350 x régime normal en m3/h
Température des gaz venant en contact avec les surfa- ces de convection = 1.000 C.
Température des gaz quittant les surfaces de convec- tion = 450 C Température moyenne absolue des gaz 1. 000 + 450 +273
2 = 998 C Pressiom de vapeur = 25 atm,
Température de la vapeur (ts) = 225 C,
Vo (vitesse du gaz) à 0 C = 2,1 m/sec.
Les tubes sont en acier normal pour tubes de chaudiè- res et présentent un diamètre intérieur de 12 mm. et un dia- mètre extérieur de 16 mm. La dimension et le nombre des tu- bes sont déterminés en tenant compte des températures et des .?changes de chaleur rois en jeu et doivent être tels que les tubes à tout instant contiennent suffisamment d'eau pour maintenir les caractéristiques d'écoulement désirable. Le poids de l'eau doit être 4 à 10 fois plus grand que celui de la vapeur produite. Ce rapport permet d'assurer que les tubes restent propres et donne de bons résultats en général.
Les éléments individuels de transfert de chaleur sont en cuivre et ont un diamètre de 3 mm Leur distance d'axe en axe à angle droit par rapport à la direction de l'écoule- ment des gaz (valeur Sq des formules ci-dessus donnant la conductibilité extérieure) est de 12 lame
La conductibilité extérieure des gaz, en utilisant la formule appropriée donnée ci-dessus (la première pour la
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disposition imbriquée des éléments) est : fi, 39 ,44 0,124 x 12 \4/98 x 3J = 181 - 18 - qDDJ
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70% de cette valeur donne 113 mth/m2/oc/h.
La valeur 6,3 est la dimension S1 de la formule et est obtenue comme suit:, le diamètre du tube., 16 mm., plus un diamètre des éléments, c'est-à-dire 3 mm, donne une dis- tance d'axe en axe de 19 mm. entre les côtés rectilignes non déformés des spires formées par les éléments de transfert de chaleur.
La fait de disposer les côtés opposés des spires sous forme do denture suivant la manière déjà décrite divise par trois cette distance de 19 mm ce qui rend la distance S1 égale à 6,3 mm. La température de 998 C représente la tem- pérature moyenne absolue des gaz comme on l'a noté ci-dessus.
En utilisant la famille de courbes représentées sur la figure 11 pour déterminer la longueur des éléments, c'est à dire des parcours de conduction présentés par eux et en sup- posant un rendement de transfert de chaleur de 88% et une valeur Alpha de 113 mth/m2/ C/h on trouvera que la longueur des parcours de conduction fournis par les éléments 13 en spires doit être d'environ 30 mm.
La. précision avec laquelle on lit la courbe dans la détermination ci-dessus de la longueur des parcours de con- duction peut être vérifiée par la formule suivante :
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Etant donné que les parcours de conduction constitués
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par les extrémités enroulées des éléments sont de même lon- gueur que les parcours constitués par les parties reotili- gnes des éléments en partant de chaque tube jusqu'au point
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milieu de la boucise la dimension extérieurs globale des boucles allongées formées par les éléments ost approxisati- vement de 115 mm.
La longueur optimum des parcours de conduction., bien entendu, détermine aussi la distance d'axe en ame entre les
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tubes; cette distancoe dans l'exemple représentée est égale à 60 mm.
Si l'on calcule l'aire de la surface des éléments enrou-
EMI20.4
lés et si l'on déduit onze pour cent (11 -14o) pour leur aire approximative entourée par les jonctions soudées des boucles sur les tubes, on verra qu'une surface de chauffe additionnel
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le de 117 m2 par m5 de volume peut être obtenue. Ce résul- tat se trouva bien entre les limites indiquées ci-dessus,
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c'est-à-dire entre 50 et 200 m2 par u3.
Les dimensions de section droite du carneau sont
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600 x 1600 nsi. et les réseaux qui ont chacun 1600 due lon- gueur sont juxtaposés à plat de telle sorte que l'on puis- se disposer cinq réseaux dans chaque couche sur la largeur du cerneau. Dix couches de réseau,-. constituent la surface de convention totale, la distance verticale d'axe en axe
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entre les couches adjacentes étant de 25,2 mm. La hauteur totale de l'ensemble est ainsi de 9 x252 + 22 mm. (épais- seur d'un réseau = 249 mm.) Le volume du carneau pour l'ensemble tout entier (la si, 6/
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surface de chauffe totale) est : Oj6/x 0,249 = 0,239 3.
L'aire de la surface de chauffe contenue à l'intérieur
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de ce volume est de 117 x 0,239 = 27,9 2.
Les dimensions et données qui ont été indiquées ci- dessus s'appliquent donc uniquement au côté gaz de la pa-
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roi séparantles deux milieux, c'est-à-dire à l'extérieur des tubes. En ce qui concerne le cote eau, les indications nécessaires sont données ci -dessous.
La surface de chauffa effective (intérieur de la tubu- lure en contact avec l'eau) est de 600 m2. Dans la mesure où les tubes contiennent une émulsion eau-vapeur., la conduc- tibilité extérieure est au moins 10.000 mth/m3/ C/h.
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La chute de température moyenne entre 116-iau-ision eau- vapeur et la paroi du tube est de 15,,3 0. déterminée cornue suit : 4. 350 (1. 000 x 0,364 - 450 x 0,340) = 916.000 mth/h où 0,364 désigne la chaleur spécifique moyenne des gaz en-
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tre 00 et 1.0000c.j et ; 0,340 désigne la chaleur spécifique uoyenne des
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gaz entre 0 et 450 C.
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La chute de température moyenne dans la paroi du tu-
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be = 916.000 x ¯3¯ OjOC2 = 6,8 C.
6.00 45 La chute moyenne total de température à travers la
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paroi du tube est ainsi 23A C
La différence de entre les gaz et l'émul- sion eau-vapeur au point où les gaz tiennent en contact avec les surfaces de convection est :
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1000 0. (température des gaz à l'extrémité chaude) - 2250C. (tempéra tare de la vapeur) 7750 C.
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La différence de température entre les gaz et l'émul- sion eau-vapeur au point où les gaz quittent les surfaces de convection est
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4500C. (température des gaz , l'extrémité froide) .=-2250 c.
(température de la vapeur)
2250 C La différence de température moyenne entre les gaz et @
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l'émulsion eau-vapeur est ainsi :
775+225 = 500 C
2
La différence correspondante au point où les gaz vien- nent en contact avec les surfaces de confection sera, par con- séquent :
775 x 22,1 = 34 C
500 et pour le point où les gaz quittent les surfaces de convection, elle sera :
225 x 22,1 = 10 C,
500
La température de la paroi du tube du côté gaz au point où les gaz arrivent dans les surfaces de convection est donc : 225 + 34 =259 C et au point où les gaz quittent les surfaces de con- vection :
225 + 10 =235 C
La différence de température entre les gaz et les éléments à l'extrémité la plus chaude où les gaz pénètrent dans les surfaces de convection est :
0,88 (1.000 - 259) = 652 C. et à l'extrémité la plus froide où sortent les gaz :
0,88 (450-235) = 189 C
0,88 étant g (le rendement du transfert de chaleur).
La différence moyenne logarithmique de température en- tre les gaz 6t les éléments = 374 C.,a été calculée comme suit :
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On peut constatsr que la surface de chauffe nécessaire., c'est-à-dire la. surface effective des éléments de transfert
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de chaleur est :
916,000 21,7 m2, ce qui est inférieur à la sur-
113 x 374 - face utilisés, c'est-à-dire 27,9 m2,
Dans l'exemple représentée on remarquera, que le taux de transfert de chaleur du cote gaz (extérieur des tubes) s'est approché sensiblement du taux maximum que l'on peut obtenir pour le transfert de chaleur sur le côté eau (-intérieur des tubes), cela étant rendu évident si l'on compare les produits de la conductibilité extérieure par l'aire de transfert de chaleur sur les deux cycles de la paroi. En effet, on a :
10. 000 x 6,00 = 60.000
113 x 27,9 = 3,153
60.000 19
3.153 -
Le produit de la conductibilité extérieure sur le côté eau par l'aire de chauffe est ainsi 19 fois plus grand que le produit correspondant du côté gaz.
On appréciera toute la signification de cette conclu- sion si l'on remarque que si les tubes étaient utilisés seuls la conductibilité extérieure (valeur alpha) sur le côté gaz serait réduite à environ 67. Cette valeur., multipliée par l'aire totale de la surface extérieure des tubes, donnerait cornue résultat un produit égaleà 535,5; en comparant cela au produit 60.000, le produit du côté eau serait ainsi 112 fois plus grand que sur le côté gaz.
Sur les figures 7 et 8, on a représenté l'application de l'invention à uns installation, cette application étant destinée à récupérer la chaleur qui est habituellement per- due et à améliorer ainsi le rendement d'une chaudière déjà existante qui a été simplement indiquée et désignée sur la figure par le chiffre de référence 16. Dans ce mode de réa-
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lisation de l'invention, un dispositif 17 est monté entre la sortie des gaz de combustion de la chaudière et la chemi- née 18.
Pour permettre une telle connections un raccord en T a été substitué à la liaison directe entre la chaudière et la cheminée et un coude 20 a été raccordé à l'extrémité amont de la cheminée.
L'élément 17 est monté entre les sections de conduit 19 et 20 et comprend un passage pour les gaz en forme de chemi- née 21 limité par deux conduits d'eau 22 relié par deux pla- ques latérales 23. Les conduits, d'eau 22 sont munis d'une noussice supérieure 24 reliée à leurs extrémités supérieures, comme par exemple en 25, et comporte pareillement un collec- teur de sortie (-non représenté) relié à leurs extrémités in- férieures comme en 26.
A l'intérieur du carneau 21 et s'étendant entre les parois intérieures 27 des conduits d'eau se trouvent les éléments 28 de transfert de chaleur. Ces éléments s'étendent transversalement dans la. direction du flux des gaz et sont formés de longueurs de fils de cuivre dont le diamètre peut être choisi entre 2 et 8 mm.; ce fil est enroulé autour des tiges 30 du collecteur.
Les éléments sont fixés aux tiges 30 et aux parois in- térieures 27 des conduits d'eau de manière à assurer un bon transfert de chaleur, c'est-à-dire par soudure, brasure ou autrement, et le volume combiné des éléments 28 de transfert de chaleur représente entre 5 et 25 % du volume total du pas- sage de gaz 21.
L'expérience a montré que ce rapport est la valeur optimum permettant de réaliser les buts que se propo- se l'invention, en tenant compte de tous les facteurs tels que l'accessibilité pour le nettoyage pour le maintien d'un écoulement correct des gaz, etc., ces facteurs déterminant la quantité d'éléments de chauffe qui peuvent être incorporés
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dans un passage de gaz de volume donné. Evidemment, le rap- port doit être aussi élevé que possible en tenant compte de ces facteurs.
L'aire combinée des éléments exposés aux gaz est en- tre 3 et 16 fois plus grande que l'aire projetée de la lon- gueur des parois 27 garnie par les élémens, et do préféren- ce elle est entre 5 et 10 fois plus grande que cette aire projetée,, ce rapport étant déterminé par las mêmes considé- rations que celles dont on a tenu compte pour déterminer le rapport volumétrique ci-dessus.
Pour rendre possible l'accès aux éléments de transfert de chaleur en vue du nettoyage, des couvercles amovibles 31 sont prévus dans les raccords en T et en coude, visibles res- pectivement en 19 et 20. Après avoir ces couvercles des brosses de nettoyage,, des aspirateurs de suie ou autres moyens convenables peuvent être utilisés pour l'élimination de la suie et de la poussière accumulées sur les éléments 28.
De préférence) des registres 32 sont également dispo- sés dans les sorties des sections de conduites 19 et 20; on peut ainsi diriger la flux des gaz à travers l'ensemble 17 pu le dériver de cet ensemble.
Les résultats d'essais effectués avec un ensemble tel que celui qui est décrit sur les figures 7 et 8 et qui se sont poursuivis pendant une période de 4 mois sont portés sur les graphiques de la figure 9. D'après ce graphique, on peut voir que dans l'ensemble selon l'invention, la chaudière à laquelle cet ensemble a été adjoint présentait un rendaient décroissant lorsque la charge augmentait, comme il est re- présenté par la courbe "A". A la charge qui a été la plus utilisée pendant la période de 4 mois, indiquée par la ligna B-B, cette chaudière avait un rendement inférieur à 50 %.
Pendant la même période, et dans des conditions identiques,
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le rendement de la même chaudière munie de l'ensemble 17 a accusé un rendement de 80 %, comme représenté par la cour- be "C", Cela représente une économie de combustible de 40 % dans les conditions de fonctionnement normale cornue indiqué par la courbe "B", les courbes "C" et "D" étant bien entendu indépendantes l'une de l'autre.
La température moyenne des gaz de combustion pénétrant dans l'ensemble 17 au cours de ces différents essais était de 4500C., tandis que la température des gaz quittant l'ensemble et pénétrant dans la cheminée était seulement de 120 C.
Comme représenté sur la figure 12, l'invention permet également d'améliorer l'utilisation de la chaleur radiante par exemple dans un four. Dans ce but, l'invention tient comp- te de la grande différence de conductibilité extérieure qui apparaît sur les cotés opposés d'une paroi soumise d'un côté à la chaleur radiante directe des rayons émis par une couche de combustible brûlant et, ds l'autre côté, à l'air qui doit être chauffa et se trouve en mouvement par rapport à cette paroi.
Dans ce mode de réalisation de l'invention, uns paroi métallique 33 est soumise à la chaleur directe radiante ries rayons émis par une zone de combustion 34. Cette paroi coo- père avec une coquille extérieure 35 et des parois d'extré- mité convenables 36 (dont une seulement est représentés) de manièreà former un conduit ou passage d'air dans lequel l'air que l'on désire chauffer est amené par une arrivée 37 et d'où l'air chaud ressort ensuite par un orifice de sortie 38, De préférence, la coque 35 est munie d'une chemise iso- lante 39.
A l'intérieur du passage d'air ainsi formé se trouvent des rangées d'élé,ments de transfert de chaleur 40 en forme
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de serpentin et fixées à la paroi 33 avec un contact convena- ble au point de vue calorifique avec elle., ce contact étant réalisé par soudure., brasure ou autre : ces éléments, toute- fois, n'ont aucun contact avec la coque extérieure 35.
En proportionnant et en espaçant convenablement ces élé- ments 40 de transfert de chaleur le taux de transfert de cha- leur entre l'air que l'on désirs réchauffer et les surfaces de chauffa peut être accru dans uns mesure qui approche le taux maximum que l'on peut obtenir pour le transfert calori- fique entre la chaleur radiante des rayons et la paroi 33.
Pans ce cas, les rayons calorifiques constituent le milieu de grandes conductibilités extérieures tandis que l'air à chauffer constitua le milieu de faible conductibilité extéri- sure. Il y a lieu de remarquer particulièrement que les con- ditions qui se présentent ici ne sont pas les mêmes que lors- que la.
paroi sépare des milieux dont la conductibilité exté- rieure est sensiblement la Même. Les figures 13 et 14 mon- trant à titre d'exemple l'application de l'invention à un rschauffeur d'huile, Dans ce cas, l'huile constitue le mi- lieu de faible conductibilité extérieure, car 'La nilieu chauffant est de la vapeur de condensation qui pénètre dans l'appareil à travers un conduit central 41-., s'écoule suivant sa. longueur pour déboucher dans un passage annulaire 42 li- mité par la paroi du conduit 41 et un tube 43.
Les deux ex- trémités ds ce tubs sont forcées et un tube d'évacuation 44 part de sa partie extrême exposée à travers laquelle les pro- duits de condensation quittent l'appareil.
Le réchauffeur, formé par le conduit 41 et la tube 43 assemblés, comme indiqué, pénètre finalement dans une coque cylindrique 45 par une paroi extrême 48 de la dite coque 45 dont l'extraite opposée est fermée par une plaque 47.
L'espace annulaire entre le tube 43 et l'enveloppe 45
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constitue un passage pour l'huile à chauffer qui pénètre par un orifice d'entrée 48 pour sortir ensuite par un orifice d'évacuation 49. Des éléments de transfert de chaleur 50 sont disposés à l'intérieur de cet espace annulaire; ils sont fixés au conduit 43 avec un bon contact calorifique avec lui) mais avec un certain jeu rapport l'enveloppe 45.
Ces éléments 50 sont de préférence des longueurs de gros fil disposées en serpentin à. peu près autour du conduit 43 cornue représenté sur la figure 14, Par suite de la. foras incurvée des éléments 50, comas représente sur la figure 14, leur distance est à peu près uniforme sur tou- te leur longueur. Cette disposition facilite également le nettoyage des éléments, lequel, bien entendu, nécessite le retrait de 1' ensemble chauffant par démontage de la paroi d'extrémité 46.
On a également déterminé des formules simples qui permettront à l'homme de l'art de déterminer avec uns -or' cision convenable les limites entre lesquelles le coeffi- oient de conductibilité extérieure (valeur alpha) du milieu ayant la. plus faible conductibilité extérieure et l'aire to- tale des éléments de transfert de chaleur qui est exposée à ce milieu., doivent être comprises pour permettre d'assu- rer la construction d'un appareil efficace du genre décrit.
L'un des facteurs de chacune de ces formules est la différence entre le produit par l'aire du coefficient de conductibilité extérieure (valeur alpha) d'un coté de la pa- roi et le produit correspondant de l'autre coté de la paroi.
Ce facteur est désigné par Y dans les formules. Pour chaque formule on a déterminé les limites entre lesquelles la va- leur optimum de ce facteur Y doit se trouver. La, conducti- bilité extérieure du Milieu présentant la valeur alpha la plus faible a été désignée par, st l'aire de la surface
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de transfert de chaleur en contact avec elle par A1 pour le milieu ayant la plus grande conductibilité extérieur.,
les facteurs correspondants sont 2 et A2 Le produit de ces dernières valeurs divisé par le facteur variable Y donne- ra le produite1 x A1 pour le milieu ayant la plus faible conductibilité extérieure et avec le facteur Y donné si trois quelconques des autres facteurs de la formule 1 x A1 = sont connus; la valeur du cinquième facteur peut Y être aisément déterminés.
L'appareil calculé et construit conformément à ces for- suies ne sera peut-être pas parfait mais donnera un très haut rendement et ne nécessitera qu'un espace réduit conformément aux but de la présente invention.
Les plus importantes de ces formules sont les suivan- tes :
Pour les surfaces de convection d'une chaudière à va- peur où les tubes renferment une émulsion d'eau et de vapeur 2 est approximativement égal à 10. 000 mth/m2/ C/h, et le facteur Y varie entre' 10 et 40, et de préférence entre 16 et 24.
Pour de l'eau en mouvement., comme dans les tubes écono- miseurs d'une chaudière à va- pour, on a 2 = approximative- ment 5000 mth/m2/ C/h, et le facteur Y varie entre 10 et 50 et de préférence entre 20 et 30.
Dans d'autres applications de l'invention, cornue par exemple,, dans le chauffage préalable da l'huile où de la va- peur de condensation est utilisée cornue source de chaleur on a Ó2- approximativement 10000 mth/m2/ C/h, et le facteur Y varia entre.. 8 et 24 et de préférence entre 10 et 15.
Avec les indications qui ont été données dans le pré- sent texte, l'homme de l'art déterminera sans grandes diffi- cultés les valeurs réelles applicables dans chaque cas par-
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ticulier, eten faisant les corrections nécessaires, pour obtenir encore un rendement plus élevé.
Par exemple, dans le cas de l'eau on mouvement, ou la valeur alpha approxima- tive a été fixée à 5.000; si la valeur alpha réelle a été trouvée égale à 6.000,, la valeur correcte pour le facteur Y peut être déterminée cornue suit :
Ya -2 xY choisi comité étant
5. 000
5. 000 égal à 20 pour la gamme donnée dans la formule), d'où, en remplaçant 2 et Y par leur valeur
Ya (le facteur correct cherché) = 6.000 x 20 = 24,
5.000 Néanmoins, tant que les valeurs de Y restent dans les limites indiquées par les formules précédentes, on obtiendra. des résultats suffisamment précis et les appareils qui seront calculés en s'y conformant seront de loin supérieurs à ceux qui étaient disponibles jusqu'à présent.
Pour conclure, il y a lieu de noter que les diverses limites spécifiées ici se rapportent à tous les sodés de ré- alisations de l'invention (même si elles n'ont pas été spé- cifiées dans chaque cas), sauf lorsque de telles limites ne sont pas applicables à un mode de réalisation particulier.