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PERFECTIONNEMENTS AUX MOYENS D'ECHANGE THERMIQUE ENTRE ELUIDE&, EN
PARTICULIER AUX TUBES A FUMEES OU A FLAMMES.
L'invention est relative à l'échange thermique entre des fluides, dont l'un d'eux au moins est en mouvement, en particulier en écoulement dans des conduits baignés extérieurement par un autre fluide.
Un tel système se rencontre notamment dans les faisceaux tubulaires de chaudières, dont les tubes baignés extérieurement par de l'eau, sont par- courus intérieurement par des produits chauds de combustion se rendant à la cheminée.
Que l'échange s'effectue suivant le principe du contre courant, réa- lisé soit dans le sens axial du faisceau, soit transversalement à lui, ou au- trement, dans un tube quelconque, le courant gazeux pourra généralement se représenter par une gaine périphérique en contact avec la paroi interne du tube à laquelle elle cède sa chaleur en abaissant sa propre température et par laquelle sa vitesse d'écoulement est ralentie en raison des frottements auxquels elle donne naissance, et un noyau central et axial plus chaud.et s'écoulant à vitesse plus élevée que la dite gaine.
De ce fait, et bien que de la chaleur soit transmise du noyau central à la gaine périphérique, et cédée par elle au tube, les.gaz qui vont passer àla cheminée ont une température notablement plus élevée que celle qu'ils auraient eu si l'échange avait été effectif sensiblement dans la'même mesure pour l'ensemble des gaz, tandis que la vitesse moyenne du courant est infé- rieure à celle qui correspond à la dite température.de départ.
Si cette température de-départ, qui conditionne le-tirage et la marche du foyer, est accrue pour l'une ou l'autre raison, par exemple.pour accroître l'intensité de la combustion, ces différences s'axagèrent, c'est-à-dire que le taux d'échange diminue et l'écart de la vitesse moyenne effective sur la vitesse théorique d'écoulement s'accroît.
Un moyen d'accroître le taux d'échange consiste à équiper l'espace interne du tube échangeur de chicanes destinées à brasser les gaz qui y cir- culent, faisant ainsi- participer une plus. grande masse de gaz à l'échange
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avec le tube, et l'on a proposé de très nombreux agencements de -chicanes de dispositions et orientation diverses. Si de cette fagon le taux d'échange est bien augmenté, par les frottements engendrés, les dites chicanes peuvent ralentir l'écoulement des gaz au point que ; maintenir l'allure de la com- bustion dans le foyer, il devient nécessaire d'accroître la température de départ des gaz à la'cheninée ou alternativement de réduire l'étendue du fais- ceau échangeur.
On a également tenté de freiner l'écoulement du noyau axial en dispo- sant, transversalement dans son trajet d'écoulement, une chicane fermant par- tiellement l'extrémité d'aval d'un tube interne destiné à définir le dit noyau, et formant avec le tube échangeur un passage annulaire étroit pour la gaine gazeuse périphérique. Il est ainsi présumé qu'une plus grande quantité de chaleur sera prélevée aux gaz en écoulement et cédée au tube échangeur, mais néanmoins on ne peut éviter une température de départ des gaz encore exagérée et une vitesse movenne d'écoulement inférieure et, par suite, toutes autres choses égales, un taux d'échange élevé ne peut donc être atteint avec cette disposition.
Conformément à l'invention, on améliore le taux d'échange et la tem- pérature de départ des gaz à la cheminée peut être abaissée, en faisant passer le noyau gazeux central dans un tube ou conduit interne fermé à son extrémité d'aval, qui s'étend axialement au tube échangeur, et dont l'espace interne est mis en communication avec l'espace annulaire formé entre les deux tubes, en différents emplacements de la longueur de cet espace annulaire, de manière à incorporer progressivement les gaz du noyau à ceux de la gaine gazeuse péri- phérique et à maintenir un taux d'échange élevé de celle-ci avec le tube échan- geur et le fluide à échauffer.
En même-temps, la vitesse d'écoulement de la gaine périphérique est accélérée, et commet les gaz partant à la cheminée sont exclusivement formés par ceux qui s'écoulent à l'extrémité d'aval de la dite gaine, la température en cet emplacement correspond bien à la vitesse moyenne de ces gaz de départ.
Selon une autre-caractéristique de l'invention, on améliore encore le taux d'échange en ordonnant ou régularisant l'écoulement des gaz de la gai- ne périphérique par guidage de ces gaz, en particulier suivant un trajet en hélices à l'aide de moyens appropriés, lesquels peuvent en outre, entre autres, concourir à la transmission'" de chaleur à partir du tube interne et, ou au tu- be échangeur externe.
Grâce aux dispositions de l'invention, on pourra obtenir toute dis- tribution désirée des gaz du noyau central dans la gaine périphérique, ainsi que toute répartition désirée des températures dans l'étendue de la gaine ex- terne, et par suite coordonner celle-ci avec les desiderata de la transmission de chaleur au fluide à échauffer.
Le tube interne, avec ou sans moyens de guidage, pourra être maintenu à l'emplacement voulu de l'espace interne du tube échangeur, les dits moyens de guidage, lorsqu'ils sont présents, pouvant eux-mêmes servir de moyens d'as- sujettissement ou de localisation, le tube interne, avec.ou sans moyens de guidage, pouvant être rendu amovible en cas de nécessité.
Et afin que l'on poisse bien comprendre comment les dispositions de l'invention peuvent être réalisées, on décrira.ci=après, mais à titre d'exem- ple seulement, et en référence au dessin schématique annexé, un mode d'exécu- tion d'un élément échangeur selon l'invention..
Sur le dessin on voit en 1 un tube qui fera généralement partie d'un faisceau comprenant un certain nombre de tubes¯semblables plongés dans un flui- de à échauffer et qui sont parcourus intérieurement par des gaz ou fumées pro- venant d'un foyer et se rendant à une cheminée, qui n'ont pas été représentés.
Dans le tube 1, supposé parcouru par des gaz ou fumées dans le sens de la flèche f, on dispose un tube 2 qui peut s'étendre pratiquement sur toute la longueur du tube 1 et qui ménage entre lui et ce tube 1 un espace annulaire @
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Les deux tubes 1 et 2 ont même forme en section, par exemple une forme circulaire, étant entendu qu'une telle forme de section n'est pas limi- tative.
Le tube 2 est fermé à son extrémité d'aval et ouvert à son extrémité d'amont. Entre ces deux extrémités, il comporte une série d'ouvertures 4, qui peuvent être circulaires ou affecter toute autre forme, et qui sont réparties suivant la longueur du tube, de manière telle que pour un courant de gaz pé- nétrant en amont simultanément dans les deux tubes, on obtienne le passage progressif des gaz du noyau parcourant le tube 2 dans la gaine périphérique parcourant l'espace annulaire 3, suivant la répartition des températures que l'on désire obtenir sur la face externe du tube 1, ou, en d'autres termes, suivant les conditions de l'échange thermique à satisfaire.
La répartition des ouvertures 4 peut naturellement comprendre éga- lement une distribution circulaire, c'est-à-dire que les dites ouvertures 4 ne sont pas nécessairement situées sur des génératrices du tube 2 comme il a été représenté pour la clarté et la simplicité de l'illustration.
L'espace annulaire 3 peut avoir une section constante d'une extrémité à l'autre, mais-cette section pourrait également varier, uniformément ou au- trement, d'une extrémité à l'autre.
De même que pour l'espace annulaire 3, la section, notamment interne du tube 2, pourra varier, et par exemple progressivement décroître vers l'ex- trémité d'aval, notamment pour communiquqr aux gaz du noyau interne telle vi- tesse d'écoulement que désirable dans ses diverses sections et par ses diver- ses ouvertures 4.
Comme les deux courants, central et périphérique, sont incorporés l'un à l'autre-, le courant s'écoulant à l'extrémité d'aval de l'espace annu- laire 3 comprendra tous les gaz ayant pénétré dans les tubes 1 et 2 et leur température ainsi que leur vitesse moyenne seront caractéristiques de l'opé- ration d'échange qui s'est déroulée. On pourra donc épuiser les calories contenues dans ces gaz jusqu'à la limite imposée par le tirage à maintenir pour le fonctionnement convenable du foyer.
Dans un agencement tel que jusqu'à présent décrit, les gaz de l'es- pace annulaire 3 peuvent s'y écouler arbitrairement, et des trajets préféren- tiels d'écoulement pourraient s'établir qui peuvent ne pas être désirables.
On y remédie en munissant.l'espace annulaire de guides pour le cou- rant en écoulement. De tels guides peuvent être choisis pour obtenir toute organisation désirée de l'écoulement, et, simplement à titre d'exemple, on a montré en 5 un guide constitué par une bande conformée en hélice enroulée autour du tube 2 et déterminant dans l'espace annulaire 3 un trajet hélicoï- dal pour les gaz et une répartition sensiblement uniforme dans le sens circon- férentiel de la chaleur à transmettre au tube 1 et au fluide à échauffer qui le baignerait sur tout son pourtour.
Par cette disposition on régularise le courant en écoulement dans l'espace 3 sans introduire de perte de charge ou frottement notable et si le guide 5 est étendu jusqu'au tube 1 et établi en matériau bon conducteur, il procurera en outre une transmission directe de chaleur du tube 2 au tube 1.
Par ailleurs le guide 5 peut servir à définir l'emplacement à occu- per par le tube 2 dans le tube 1, et au besoin à le fixer dans cet emplacement, soit par un engagement à serrage, soit par formation de points de soudure de liaison, soit par d'autres moyens.
Il est souvent préférable toutefois de rendre le tube 2 avec ou sans guide 5, amovible, ce qui permet, entre autres, de modifier à volonté les é- changes thermiques réalisés, comme on le comprendra aisément.
Dans ce cas le tube 2 peut être maintenu en place par tous moyens appropriés, et simplement à titre d'exemple on a représenté en 6 un moyen cons- titué par une barre transversale qui prend appui sur l'extrémité du tube 1 et est fixée au tube 2 en maintenant celui-ci par suspension dans un tube
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échangeur vertical ou oblique,.
Bien que l'on se soit borné à la description plus détaillée d'un mode d'exécution seulement, il est bien entendu que l'invention n'y est pas limitée, mais qu'elle comprend les modifications et les variantes, ainsi que les dispositions équivalentes.
REVENDICATIONS.
1. Perfectionnements aux moyens d'échange thermique entre fluides, en particulier aux échangeurs à tubes à fumées ou à flammes, qui consistent à faire 'passer le noyau central d'un courant gazeux parcourant un tube échan- geur, dans un tube ou conduit interne fermé à son extrémité d'aval, qui s'é- tend axialement au tube échangeur, et dont l'espace interne est mis en commu- nication avec l'espace annulaire formé entre les deux tubes, en différents emplacements de la longueur de cet espace annulaire, de manière à incorporer progressivement tous les gaz du noyau à ceux de la gaine gazeuse périphérique et à maintenir un taux d'échange élevé de celle-ci avec le tube échangeur et le fluide à échauffer.