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ECHANGEUR DE CHALEUR A ECOULEMENT RATIONNEL.
Dans ses brevets antérieurs, le Demandeur a décrit une dispo- sition d'échangeur de chaleur à ailettes, dans laquelle les tubes du faisceau de l'échangeur comportaient :, chacun deux ailettes disposées longitudinalement, suivant des génératrices diamétralement opposées ou approximativement, le plan de chaque ailette se trouvant tangent, ou ap- proximativement tangent, à la surface du tube, tandis que le fluide cir- culant extérieurement aux tubes, et échangeant sa chaleur avec le fluide circulant à l'intérieur des tubes, passait dans l'échangeur dans une di- rection générale perpendiculaire, ou approximativement perpendiculaire, à l'axe des tubes.
Un des avantages résultant de la disposition adoptée était que lorsque l'échangeur comportait un faisceau de tubes parallèles dis- posés en quinconce, on ménageait de la sorte entre les rangées de tubes des couloirs sinueux de section variable et dont les parois étaient dé- terminées par les ailettes et les surfaces des tubes. Le fluide extérieur circulait dans ces couloirs sinueux qui, du fait de la disposition adoptée pour les ailettes et les tubes, présentaient des étranglements et des par- ties élargies, ces variations de section assurant des variations de pres- sion et de vitesse dans l'écoulement du fluide extérieur, ainsi que des changements de la direction d'écoulement, qui se montraient favorables au rendement de l'échangeur.
A la suite d'essais et d'expériences effectués sur des échan- geurs munis de tubes à ailettes tangentielles du type décrit ci-dessus,
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il s'est révélé qu'on améliorait encore le rendement de l'échangeur lors- que les couloirs ménagés entre les rangées de tubes présentaient en aval de chaque étranglement, une disposition des parois telle que la section offerte au passage du fluide extérieur aille en s'élargissant graduelle- ment jusqu'au prochain changement de direction du couloir.
En conséquence, la présente invention porte sur des échangeurs de chaleur présentant cette particularité que les conduits, ou canalisa- tions, offerts au passage d'un des fluides ou des deux fluides qui échan- gent leur chaleur dans l'échangeur, et qui présentent des étranglements et des changements de direction successifs, sont établis de façon que cha- que étranglement soit suivi d'un élargissement graduel de la section of- ferte au passage du fluide, en général sous forme de divergent, cet élar- gissement se poursuivant jusqu'au prochain changement de direction du con- duit offert au passage dudit fluide.
Lorsque l'échangeur de chaleur est constitué par un faisceau de tubes à axes parallèles disposés d'une façon quinconcée, et munis d'ailettes tangentielles fixées comme il a été dit ci-dessus, l'invention porte sur le fait que les ailettes tangentielles, éventuellement conve- nablement surépaissies, et qui se trouvent délimiter les couloirs offerts au passage du fluide extérieur, sont profilées de façon que, en combinai- son avec la disposition à allure quinconcée des tubes, la section offerte par chaque couloir au passage du fluide extérieur aille en s'élargissant graduellement' depuis un étranglement du couloir jusqu'au changement de direction suivant.
Lorsqu'il s'agit d'un échangeur de chaleur du type lamellaire, c'est-à-dire constitué par un ensemble de plaques ménageant entre elles des lamelles, ou intervalles, alternativement parcourus par l'un et l'au- tre des fluides qui échangent leur chaleur à travers l'épaisseur des pla- ques, les ondulations prévues sur lesdites plaques dans un sens perpendi- culaire à l'écoulement des fluides, de façon à ménager dans les interval- les où passent les fluides des étranglements successifs et des changements de direction, sont telles que les inclinaisons des parois de l'intervalle entre un étranglement et le changement de direction suivant constituent un divergent, qui offre au passage du fluide une section allant en s'élar- gissant graduellement, d'un étranglement au changement de direction sui- vant.
L'amélioration du rendement, obtenue grâce aux dispositions qui viennent d'être indiquées ci-dessus, se justifie par les considérations suivantes :
Lorsqu'un fluide circule à une certaine vitesse dans une cana- lisation de section constante, l'écoulement laminaire du fluide se change, au bout d'une certaine distance d'écoulement, en un écoulement tourbillon- naire, qui provoque des cavitations, tandis qu'une pellicule de fluide reste adhérente à la paroi de la canalisation. Dans le cas d'un échangeur de chaleur entre fluides dont l'un circule à l'intérieur de tubes et l'au- tre à l'extérieur, une telle pellicule fluide sur la surface externe ou interne des tubes a pour effet, puisqu'elle n'est pas renouvelée, de frei- ner l'échange de chaleur et, par conséquent, de diminuer le rendement de l'échangeur.
D'autre part, les cavitations et tourbillons ont pour effet d'augmenter les pertes de charge des fluides lors du passage dans l'échan- geur.
Si, conformément à l'invention, on ménage sur le trajet par- couru par le fluide, des étranglements successifs suivis de dilatations progressives de la section de passage entre deux parois légèrement divergen-
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tes, on se trouve conserver à des vitesses d'écoulement relativement éle- vées, un mode d'écoulement du fluide plus éloigné de la formation de tour- billons sur toute la longueur du parcours.
En outre, le changement de direction offert au passage du fluide se produisant au moment où l'écoulement allait devenir tourbillon- naire, se trouve assurer le maintien du mode d'écoulement, tout en se montrant plus propice à l'échange de chaleur. Grâce au maintien de cet écoulement favorable sur toute la longueur du parcours du fluide, la pellicule fluide en contact avec les parois se trouve amincie et constam- ment renouvelée, sans qu'il se produise de cavitations ni de tourbillons importants et le renouvellement de cette pellicule fluide assure, dans le cas d'un échangeur de chaleur, une amélioration du rendement, puisque l'échange de chaleur peut alors s'effectuer plus facilement entre les fluides circulant de part et d'autre de la paroi.
On remarquera que, conformément à l'invention, le changement de direction dans le conduit ou canalisation offert au passage des fluides se trouve soit avant, soit après la portion étranglée. Cette disposition a pour effet de réduire davantage les chances de tourbillons ou de cavi- tations au moment où se produit le changement de direction puisque, dans ces portions relativement élargies de la canalisation, la vitesse du fluide est moindre que dans les portions étranglées. En outre, à la di- minution de vitesse du fluide à l'endroit où se produit le changement de direction correspond, comme on le sait, une augmentation de la pression statique du fluide à cet endroit laquelle favorise l'échange de chaleur pendant le changement de direction.
La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple, fera mieux comprendre la façon dont l'invention peut être réalisée.
La figure 1 représente, en coupe, une portion d'un échangeur de chaleur tubulaire à ailettes tangentielles conforme à la présente inven- tion.
La figure 2 représente en coupe un échangeur de chaleur du type lamellaire, présentant des tôles ondulées conformément à la présente invention, pour séparer les passages offerts aux fluides qui échangent leur chaleur.
La figure 3 est une coupe par III-III de la fig. 2.,
Ainsi qu'on le voit sur la figure 1, les tubes a de l'échangeur de chaleur sont des tubes cylindriques, montés en rangées parallèles sui- vant une disposition à allure quinconcée. Ces tubes sont parcourus inté- rieurement par un fluide qui échange sa chaleur avec un autre fluide cir- culant à l'extérieur des tubes, et perpendiculairement ou approximative- ment perpendiculairement, à l'axe des tubes dans le sens des flèches A.
Chacun des tubes a comporte deux ailettes, dites "tangentiel- les" b e qui sont soudées suivant deux génératrices situées à 180 l'une de l'autre, ou approximativement, et dont le plan de base se trouve tan- gent à la surface cylindrique du tube.
Les ailettes de tubes voisins sont à peu près jointives et conformées de façon à ménager entre les tubes en quinconce des couloirs perpendiculaires à l'axe des tubes dans lesquels circule le fluide exté- rieur A. Ainsi qu'on le voit, ces couloirs sont de section variable, et présentent des étranglements successifs B, B' ainsi que des changements de direction.
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Conformément à l'invention, les parois des ailettes tangentiel- les sont telles qu'à partir d'un étranglement B, et jusqu'au changement de direction situé en amont de l'étranglement suivant B', le couloir of- fert au passage du fluide A aille en divergeant graduellement, suivant CD d'une part, et EF d'autre part. De la sorte, et ainsi qu'il a été ex- posé, on assure le maintien d'un écoulement favorable de fluide A, avec les avantages qui en résultent pour l'échange de chaleur et la diminution de perte de charge dudit fluide.
Pour donner au couloir situé en aval de chaque étranglement B l'aspect du divergent GD, EF, il se peut que les ailettes tangentielles à monter sur les tubes doivent avoir un profil différent, suivant qu'il s'agit de l'atteste supérieure.± ou de l'ailette b. Les ailettes infé- rieures b pourront être par exemple légèrement plus épaisses que 'les ai- lettes supérieures c
Les figures 2 et 3 sont relatives à un échangeur du type lamel- laire dans lequel les deux fluides qui échangent leur chaleur, et non plus seulement le fluide extérieur A,sont soumis au mode d'écoulement confor- me à l'invention. L'échangeur des fig. 2 et 3 présente un ensemble de pla- ques e, e de tôle par exemple disposées de façon sensiblement parallèle, à l'intérieur d'un boîtier f.
Un tel échangeur de chaleur sera par exem- ple un réchauffeur d'air parcouru par de l'air qui doit s'échauffer au contact des gaz chauds.
Les tôles e,e' subdivisent l'intérieur du boîtier 1 en un certain nombre de lamelles ou intervalles parallèles, les intervalles g1 g2 g3 g4 sont parcourus par l'air, tandis que les intervalles inter- médiaires h1 h2 h3b4 sont parcourus par les gaz chauds. Les échanges de chaleur se font à travers les tôles e, e'
Tous les intervalles h parcourus par les gaz sont en communi- cation avec l'entrée 1 des gaz A dans l'échangeur, et aboutissent à la sortie 1 par où s'échappent ces gaz Ao Les intervalles g sont parcourus par l'air entrant suivant la flèche X dans l'appareil en k, et sortant en 1.
Dans le mode de réalisation représenté, les canalisations g1 à g4 aussi bien que les canalisations h1 à h4 sont parcourues en parallèle, tant par l'air que par les gaz, mais l'on conçoit que l'on pourrait réali- ser des passages en série ou en série-parallèle.
Les tôles e, e' séparant les canalisations h et g sont ondulées, perpendiculairement au sens de déplacement de l'air et des gaz, représenté par les flèches 'sur la figure 2. Il en résulte que, tant en ce qui con- cerne l'air qu'en ce qui concerne les gaz, les canalisations h et g pré- sentent des changements de direction et des étranglements successifs H pour les canalisations 11 et G pour les canalisations g Conformément à l'invention entre chaque étranglement H d'une même canalisation h et le changement de direction suivantles tôles e, sont conformées de façon que les parois de la canalisation aillent en divergeant dans le sens de l'écoulement des gaz passant dans ladite canalisation h. Il en va de même dans la cnaalisation g mais en sens inverse, puisque cette canalisation est parcourue par l'air en sens contraire.
Si l'on se reporte à la figure 2, les gaz entrant par exemple dans le sens de la flèche A dans la canali- sation h rencontrent un premier étranglement H, puis passent entre les pa- rois qui vont en divergeant jusqu'au changement de direction situé en amont de l'étranglement suivant H' et ainsi de suite; inversement, l'air entrant dans la canalisationg2 dans le sens de la flèche K, après un premier étranglement G, passe entre des parois divergeant jusqu'au change- ment de direction précédant l'étranglement suivant G', et ainsi de suite...
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On voit que la réalisation de tels divergents, dirigés alternativement dans un sens ou dans l'autre, suivant qu'on passe d'un intervalle g à un intervalle h ne nécessite que deux conformations différentes e, e' pour les tôles de séparation de l'échangeur, une tôle e d'une conformation alternant avec une tôle e' d'une autre conformation.
On remarquera encore qu'avec la disposition adoptée, la cir- eulation des fluides dans l'appareil se fait à contre-courant, mais on pourrait concevoir une circulation à courants parallèles.
Il va de soi que des modifications de détail pourraient être apportées sans sortir pour cela du cadre de cette invention,
EMI5.1
R E V E N D I C A T 1 0 N S.
1 ) Echangeur de chaleur comportant des canalisations à travers la paroi desquelles les fluides circulant dans l'échangeur échangent leur cha- leur, lesdites canalisations présentant des étranglements et des chan- gements de direction successifs, caractérisé en ce que, après chaque étranglement de la canalisation, celle-ci est conformée de façon'à présenter un élargissement graduel de section jusqu'au prochain chan- gement de direction de ladite canalisation 2 ) Echangeur de chaleur comme spécifié sous 1 ) constitué par un faisceau de tubes parallèles disposés en quinconce et pourvus chacun de deux ailettes dont le plan est tangent à la surface du tube,
le profil des ailettes et la disposition quinconcée des tubes étant tels qu'ils mé- nagent entre les rangées de tubes des couloirs présentant des étran- glements successifs et des changements de direction, caractérisé en ce que le profil des deux ailettes associées à chaque tube est asymé- trique par rapport à l'axe du tube, de façon que les conduits ménagés entre les profils des ailettes soient divergents depuis un étrangle- ment du couloir jusqu'au prochain changement de direction dudit cou- loir.
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