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'PERFECTIONNEMENTS AUX ECHANGEURS DE CHAIEUR POUR APPAREILS DE
CHAUFFAGE D'EAU, CHAUFFES AU GAZ.
L'invention est relative aux échangeurs de chaleur dans lesquels un fluide s'écoule dans des tubes ou conduits garnis d'ailettes ou de lamel- les parallèles et transversales., et de l'autre côté desquels s'écoule un se- cond fluide, échangeurs dans lesquels la différence de température entre les fluides en état d'échange thermique n'est pas inférieure à 300 Ce
En particulier, l'invention concerne les échangeurs de chaleur du type précité pour des appareils de chauffage d'eau, chauffés au gaz, dans les- quels l'eau à chauffer s'écoule dans des tubes pourvus d'ailettes ou de lamel- les qui sont chauffés par contact avec des gaz chauds de combustion ascendants, provenant de brûleurs à gaz placés en dessous des tubes, et qui, a leur tour, chauffent l'eau s'écoulant dans les tubes.
Antérieurement,les échangeurs de chaleur de ce type étaient éta- blis avec des ailettes d'étendue relativement grande à l'effet d'extraire des gaz chauds une quantité de chaleur suffisante pour assurer un fonctionnement efficace de l'échangeur, étant supposé qu'une réduction d'étendue des ailet- tes se traduirait par une réduction dans l'extraction de la chaleur des gaz.
Les ailettes sont d'ordinaire établies en tôle de cuivre, et le coût des échangeurs de chaleur est ainsi comparativement élevé en raison de la quantité importante de tôle de cuivre nécessaire pour leur établissement.
Un objet de l'invention est de prévoir un échangeur de chaleur dans lequel l'étendue totale de tôle de cuivre nécessaire est notablement réduite sans affecter le fonctionnement efficace de l'échangeur.
A l'effet d'illustrer l'influence des dimensions des ailettes, et de leur nombre, sur le fonctionnement d'appareils de chauffage d'eau,. on a é- tabli un certain nombre d'échangeurs de chaleur du type décrit plus haut.
Chacun des échangeurs était constitué par trois conduits ou tubes d'eau d'un diamètre de 20 mm. pourvus d'ailettes conductrices d'une longueur constante
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de 134 m/m, mais dont la hauteur et le nombre étaient variables dans chaque cas La largeur totale de l'échangeur est de 228,6 m/m. On a utilisé des hauteurs de 22, 32,38, 43 et 64 m/m, et pour chacune de ces hauteurs d'ai- lettes des échangeurs comportant 25, 40 et 80 ailettes furent établis. Un échangeur de chaleur type est représenté en perspective sur la figure 1 an- nexée, qui ne montre pas toutes les ailettes.
A l'aide d'appareils appropriés on procéda à la mesure de la chaleur transmise par les gaz chauds de combustion provenant de brûleurs à gaz placés en dessous de l'échangeur, à l'eau s'écoulant à travers les tubes et, dans chaque cas, les résultats furent repris sous forme de diagrammes par rapport à l'étendue totale en contact avec les gaz ascendants dits de carneau.
Ces résultats sont indiqués dans la fig. 2, dans laquelle les cour- bes en traits interrompus relient des points pour lesquels la hauteur d'ai- lette est une constante et les courbes en traits pleins relient des points pour lesquels le nombre des ailettes est une constante.
Pour une hauteur d'ailette constante, la fig. 2 montre que la trans- mission de chaleur croît avec l'étendue totale, mais que pour une étendue don- née, la transmission de chaleur croît lorsque la hauteur d'ailette diminue.
La transmission totale de chaleur mesurée et reportée dans la fig.
2 comprend la chaleur transmise par radiation, et après rectification de la fig. 2 pour en éliminer la chaleur rayonnée, le coefficient de transmission de chaleur H, qui se définit comme étant la chaleur transmise par unité de surface et par unité de différence de température entre les ailettes et les gaz chauds de carneau, peut être calculé en considérant la transmission de chaleur pour une surface d'ailette nulle.
Le coefficient de transmission de chaleur H dépend également de l'écartement S des ailettes, et la variation est représentée dans la fig. 3.
Cette courbe est de la forme
H = KSO,15, dans laquelle k = constante.
Dans les conditions considérées, l'écartsment S est sensiblement proportionnel au nombre de Reynolds, Re, de sorte que
H = k Re0,15, dans laquelle k = constante.
Dans la fig. 4, qui indique le taux de transmission de chaleur par convection par pied carré (9,29 de), par rapport à l'écartement, pour diver- ses hauteurs d'ailette, on déduit que le taux de transmission de chaleur croît rapidement jusqu'à un écartement d'environ 12,7 m/m, après quoi il ne croît plus que très lentement.
La fig. 5 qui est un diagramme tiré d'un diagramme analogue à la fig.
4, pour des échangeurs de chaleur comportant 2 ou 4 conduits ou tubes d'eau disposés en une seule couche, montre comment la transmission de chaleur dimi- nue rapidement lorsque la.hauteur des ailettes devient plus grande que le dia- mètre des conduits d'eau.
De ces courbes ressort que la réelle variable n'est pas la hauteur d'ailette, mais la grandeur ou largeur de bride ou de saillie, qui se définit comme étant la distance du conduit d'eau au bord de l'ailette, ou bien la moi- tié de la distance entre les tubes ou conduits, quelle que soit la plus peti- te de ces valeurs.
Dans les échangeurs de chaleur expérimentés, le taux maximum de transmission de chaleur a été obtenu avec une hauteur d'ailette de 22 m/m, qui n'est que légèrement plus grande que le diamètre des conduits à eau.
Il est à observer que lorsque le nombre d'ailettes par unité de longueur est augmenté, la chute de pression des gaz de carneau à travers l'échangeur croît également. Les trois courbes de la fig. 6 montrent la variation entre ces deux quantités pour des vitesses constantes d'écoulement des gaz de carneau de 300 pieds/min. (90m/min), 200 pieds/min. (60 m/min) et 100 pieds/min (30 m/min).
On peut par suite conclure que pour une étendue ou surface donnée
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d'ailettes, on obtient ure transmission de chaleur plus grande avec des ai- lettes étroites et un faible écartement qu'avec des ailettes de grande hau- teur et un écartement important. Des exemples types, tirés des courbes de la fig. 2 sont donnés dans le tableau 1
Tableau 1 Etendue ou surface Hauteur des Nombre d'ai- Transmission de totale des ailettes ailettes.- lettes. chaleur.
4 pieds carrés (37,16 dm2) 38 m/m 40 480 BTU/min (121 cal/min) 4 pieds carrés (37,16 du?) 22 m/m 80 . 660 BTU/min (166 cal/min)
Alternativement, pour une valeur donnée de transmission de chaleur, une étendue ou surface d'ailettes moindre est nécessaire pour un échangeur de faible hauteur que pour un échangeur de hauteur importante comme le montre les exemples du tableau II.
Tableau II.
Transmission de Hauteur des Etendue ou surface chaleur. ailettes, totale des ailettes.
500 BTU/min 22 m/m 2.75 pieds carrés (126 cal/min) (26,55 dm2) 500 BTU/min 43 m/m 5,25 pieds carrés (126 cal/min) (48.87 dm2)
Le rapprochement des ailettes n'est limité que par la chute de pression admissible dans l'échangeur de chaleur. Cette valeur est détermi- née par l'effet de cheminée du corps de l'appareil de chauffagel'effet d'entraînement d'air du brûleur et la vitesse d'écoulement des gaz de carneau nécessaire pour donner le rapport voulu air/gaz.
Les résultats jusqu'à présent donnés, s'appliquent à une seule couche de conduits d'eau. La transmission de chaleur peut toutefois être ap- crue en disposant des tubes en plusieurs couches, soit en les étageant. Dans un échangeur de chaleur étagée deux ou un plus grand nombre de couches de conduits d'eau sont utilisées et placées l'une au dessus de l'autre de maniè- re que les gaz de carneau ascendants traversent toutes les couches. En géné- ral,un échangeur de chaleur étagé dans lequel les conduits d'eau sont dispo- sés soit en alignement vertical soit en quinconce, extrait environ 95 % de la somme des transmissions de chaleur de ses couches composantes.
L'accroissement du nombre de couches accroît la chute de pression dans l'échangeur mais, à nouveau d'une façon générale, la chute de pression dans un échangeur étagé représente 70 % environ de la somme des chutes de pres- sion des couches composanteso
L'épaisseur des ailettes des échangeurs de chaleur décrits plus haut est approximativement de 0,8 m/m, mais dès lors que l'épaisseur n'est pas inférieure à 0,127 m/m de cuivre ou l'équivalent, il n'y a aucune réduction appréciable dans la transmission de chaleur.
Dans un cas déterminée le pourcentage d'extraction de chaleur (P) est donné par
H = coefficient de transmission de chaleur.
P = H.T.A. dans laquelle T = différence moyenne de température.
A = étendue totale de la surface de transmission de chaleur de l'échan- avec,H proportionnel à Re 0,15 geur. et, H = (sv) 0,15 où s = écartement des ailettes et v = vitesse des gaz de carneau.
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On peut démontrer que T est proportionnel à d-0,77, d étant la hauteur de l'échangeur de chaleur et que T doit également dépendre de l'é- coulement volumétrique V des gaz de carneau, de sorte que :
T est proportionnel à d-0,77 f (v).
Par suite P est proportionnel à (sv)0,15.d-0,77 f (V) ad @
EMI4.1
=!d0.23..a 0 ?0,15 f (v) l: s 0,85 dans laquelle a = l'étendue de la section droite de la chambre de combustion.
On a trouvé que : f (V) est proportionnel à V0,85, de sorte que P est proportionnel à [a/s] 0,85.d0,23. v d'où P =ssA0,85/d0,62 dans laquelle ss= constante.
La chute de pression (PD) dans l'échangeur peut être considérée com- me indépendante de la hauteur et peut être représentée par :
PD = # v1,8/s1,2 dans laquelle #= constante.
Conformément à la présente invention, un échangeur de chaleur du type à conduits à ailettes, parallèles, transversales, dans lequel la diffé- rence de température entre les fluides en échange thermique n'est pas infé- rieure à 300 C, comprend un conduit ou tube dans lequel s'écoule un des flui- des échangeurs Se chaleur, qui est pourvu d'ailettes ou de lamelles de trans- mission de chaleur d'une hauteur égale au, ou n'excédant pas considérablement le diamètre du conduit ou tube.
Dans un échangeur de chaleur étagé conforme à l'invention, compre- nant au moins deux conduits disposés en deux couches au moins, la hauteur des ailettes ou lamelles individuelles est égale au, ou n'excède pas considérable- ment le produit du diamètre d'un conduit par le nombre de couches ou étages.
Dans une réalisation particulière d'échangeur de chaleur pour un appareil de chauffage d'eau chauffé au gaz, conforme à l'invention, les di- mensions des ailettes ou lamelles sont choisies pour satisfaire à l'équation
EMI4.2
P =JA05l V F6-3 ldO,63
Un échangeur de chaleur établi conformément à l'invention est re- présenté dans la figure 7, et comporte quatre conduits ou tubes à eau 1, de 20 m/m de diamètre disposés en deux couches dont chacune comprend deux con- duits ou tubes,les conduits ou tubes de la couche supérieure étant disposés en quinconce par rapport à ceux de la couche inférieure, et ces conduits ou tubes étant garnis de 45 ailettes de transmission 2 qui sont communes aux deux couches et qui ont 44 m/m de hauteur et 134 m/m de longueur. La largeur totale de 1* échangeur est de 228,6 m/m.
Toutes les ailettes ne sont pas représentées sur le dessin.
Les ailettes ou lamelles de transmission de chaleur,2, établies à partir de tôle de cuivre de 0,38 m, m d'épaisseur, de forme rectangulaire, sont poinçonnées pour permettre rengagement de quatre conduits ou tubes 1. Les trous poinçonnés sont disposés en deux rangées ou couches, chacune de deux trous ayant'le même diamètre et le même écartement. La rangée ou couche supé- rieure est disposée de manière que chacun de ses trous se trouve placé verti- calement au dessus soit de l'intervalle entre les trous de la rangée ou cou- che inférieure ou bien de l'espace compris entre l'un des trous inférieurs et le bord vertical de l'ailette.
La hauteur de chaque ailette est telle qu'elle excède de très peu deux fois le diamètre des conduits ou tubes. L'excédant de hauteur permet la fixation ferme des ailettes aux conduits ou tubes par brasure ou tout au- tre procédé approprié.
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Les extrémités des conduits ou tubes sont reliées en série par des coudes de raccordement appropriés, et tout l'échangeur est protégé contre l'ac- tion corrosive des produits de combustion par recouvrement d'une couche mince d'étain ou d'alliage d'étain, par exemple par trempage à chaud à un stade ap- proprié de la fabrication.
L'unité est alors assujettie en place à l'extrémité supérieure d'une chambre de combustion, et les conduits ou tubes d'eau sont reliés à un appareil de contrôle convenable d'une manière bien connue dans cette tech- nique.
Par comparaison avec des échangeurs de chaleur existants, on con- statera qu'un échangeur de chaleur établi conformément à l'invention est d'un poids bien plus réduit, et procure une transmission de chaleur légèrement plus importante et une moindre chute de pression,
Bien que l'invention ait été spécialement décrite dans son applica- tion aux appareils de chauffage d'eau, chauffés au gaz, elle n'y est pas li- mitée; elle pourrait, par exemple, être appliquée également aux chaudières à vapeur.
REVENDICATIONS.
1. - Un échangeur de chaleur du type à ailettes transversales pa- rallèles, dans lequel la différence de température entre les fluides en état d'échange thermique n'est pas inférieure à 300 C, comprenant un conduit ou tube dans lequel s'écoule un des fluides, ce conduit ou tube étant pourvu d'ailettes ou lamelles de transmission de chaleur d'une hauteur égale au, ou n'excédant pas considérablement le diamètre du conduit ou tube.
2. - Un échangeur de chaleur étagé, du type à ailettes transversa- les parallèles, dans lequel la différence de température entre les fluides en état d'échange thermique n'est pas inférieure à 300 C, comprenant au moins deux conduits ou tubes dans lesquels s'écoule l'un des fluides, les dits con- duits ou tubes étant garnis d'ailettes ou lamelles de transmission de chaleur d'une hauteur égale au, ou n'excédant pas considérablement le produit du dia- mètre d'un conduit ou tube par le nombre d'étages.
3. - Un échangeur de chaleur pour appareils de chauffage d'eau, chauffés au gaz, comprenant un conduit ou tube dans lequel s'écoule l'eau à chauffer, le dit conduit ou tube étant pourvu d'ailettes ou lamelles de transmission de chaleur d'une hauteur égale au, ou n'excédant pas considéra- blement le diamètre du dit conduit ou tube.
4. - Un échangeur de chaleur étagé pour appareils de chauffage d'eau* chauffés au gaz, comprenant au moins deux conduits ou tubes disposés en au moins deux étages, les dits conduits ou tubes étant pourvus d'ailettes ou lamelles de transmission de chaleur, et dans lequel la hauteur des ailet- tes ou lamelles individuelles est égale au, ou n'excède pas considérablement le produit du diamètre d'un conduit ou tube par le nombre d'étages.
5. - Un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, dans lequel la différence totale de hauteur entre les ailettes ou la- melles de transmission de chaleur et le diamètre du conduit ou tube, ou le produit du diamètre d'un conduit ou tube par le nombre d'étages n'excède pas 8 m/m.
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