BE550098A

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Publication number: BE550098A
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Description


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   Cette invention concerne les échangeurs de chaleur tubulaires et les tubes d'échangeurs de chaleur et elle se rapporte plus particulièrement à un type d'échangeur de chaleur propre à effectuer le chauffage d'un fluide au moyen de la chaleur sensible contenue dans un fluide gazeux chaud de   tempé-   rature relativement faible mais amené en grandes quantités sous une pression   élevée.   L'invention peut être appliquée en parti- culier aux économiseurs et aux sections vaporisables des groupes générateurs de vapeur d'une installation de   chaudière   du type comprenant une série de groupes   générateurs   de vapeur couples en 

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 série dans un parcoure   @e   gaz de chauffe dont chaque groupe produit de la vapeur à une pression correspondant à 

  la tempé- rature des gaz à la sortie du groupe, de telle sorte qu'on ' obtient de la vapeur à des pressions différentes, la pression de la vapeur dans chaque groupe successif du parcours des gaz étant inférieure à celle du groupe précédent dans une région à température plus élevée du   par@@urs.   Une telle installation est décrite dans la demande de brevet français n    695.493   dans son application au refroidissement d'une installation indus- trielle, engendrant des quantités considérables de chaleur, au moyen de gaz qui doivent être mis en circulation en grandes nasses sous une chute de pression modérée. 



   Dans les échangeurs de chaleur tabulaires, le courant de gaz de chauffe se fait dans une direction transversale par rapport au faisceau de tubes dans lesquels le fluide à chauffer circule et qui peuvent être pourvus d'ailettes. Néanmoins cer- tains échangeurs de chaleur emploient une circulation longitu- dinale des gaz de chauffe le long des tubes Qui ne sont pas pourvus d'ailettes mais sont très rapprochés les uns des autres. 



  Ces dispositions ne peuvent être appliquées au cas considéré en raison de l'ordre trop élevé de la chute de pression ou de l'insuffisance du coefficient d'échange qui pourraient nécessiter des dimensions et un poids excessifs. L'invention apporte une solution à ce problème. 



   Un échangeur de chaleur tubulaire suivant la présente invention comporte un faisceau de tubes disposé dans une sone d'échange de chaleur et destiné à assurer l'échange de chaleur entre un fluide à chauffer circulant à l'intérieur des   t@@es   et un fluide gazeux chaud circulant   longitudinale/tient   sur la face extérieure des tubes oui présentent chacun quatre nervures ou ailettes longitudinales   ext@   fleures ayant   une @@uteur     approxi-   

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 mativement égale au rayon externe du tube et une épaisseur approximativement égale à celle de la paroi du tube mais s'élar- gissant vers la racine ou le pied.de l'ailette et disposées de telle façon que deux axes transversaux ou lignes diamétrales perpendiculaires peuvent être tracés par 

  rapport à la section transversale du tube, de manière qu'une paire d'ailettes situées d'un côté de chaque axe soit disposée symétriquement par rap- port à la paire d'ailettes située du côté opposé de cet axe, les ailettes étant disposées dans le faisceau en rangées mutuel- lement transversales de manière que les tubes de chaque rangée soient placés de telle façon que l'un de ces axes transversaux de chaque tube de la.rangée intersecte les axes longitudinaux des autres tubes de la rangée et qu'au point où ils sont le plus rapprochés l'un de l'autre, les tubes sont espacés d'une.

   quantité inférieure à la hauteur des ailettes, la disposition étant telle qu'à l'extérieur des tubes la zone comprend des sections élémentaires délimitées chacune par des surfaces d'échange de chaleur opposées couvrant approximativement chacune le quart de la circonférence d'un tube entre les faces latérales d'ailettes adjacentes et ayant un développement au moins trois fois plus grand que la largeur de l'espace de circulation entre les sections élémentaires contiguës. 



   Un tube suivant l'invention destiné à être employé dans un échangeur de chaleur du type spécifié dans le paragraphe précédent présente quatre nervures ou ailettes externes longitu-   dinales   ayant une hauteur approximativement égale au rayon exté- rieur du tube et une épaisseur approximativement égale à celle de la paroi du tube, mais s'élargissant vers la racine ou le pied et disposées de telle façon que deux lignes diamétrales ou deux axes transversaux perpendiculaires entre eux peuvent être tracés par rapport à la section transversale du tube de 

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 manière qu'une paire d'ailettes située d'un   côé   de l'axe soit disposée symétriquement par rapport à la paire d'ailettes située du côté opposé de l'axe,

   tandis que l'espace à l'intérieur du tube est divisé en quatre zones conductrices de fluide extérieures de section transversale segmentaire et un espace central de section transversale carrée en communication avec les zones exté- rieures mais fermé à la circulation du fluide, le pied des ai- lettes étant situé en regard de la partie de la zone extérieure correspondante qui a la plus grande hauteur radiale. 



   L'invention sera décrite ci-après à titre d'exemple avec référence aux dessins annexés, dans lesquels : 
Figs. 1 et 2 sont des vues schématiques, en coupe verticale et en plan respectivement, d'un échangeur de chaleur; 
Fig. 3 est une coupe transversale d'une forme d'exé- cution de tube destinée à être utilisée dans le faisceau tubulaire d'un échangeur de chaleur; 
Fig. 4 est une coupe transversale d'une autre forme d'exécution de tube destinée à être utilisée dans le faisceau tubulaire de l'échangeur de chaleur, les traits de chaînette indiquant le contour d'une partie d'un autre tube similaire, en vue de montrer la position relative'des tubes dans le faisceau tubulaire, et 
Fig. 5 est une coupe transversale d'un faisceau tubes du type représenté sur la Fig. 3, montrant la disposition des tubes dans le faisceau tubulaire. 



   L'échangeur de chaleur représenté sur les Figs. 1 et 2 est un économiseur situé à l'entrée du premier d'une série de groupes générateurs de vapeur d'une installation de production de vapeur du genre mentionné ci-dessus. Cet économiseur occupe la partie inférieure d'une enveloppe cylindrique verticale   1   qui est traversée du sommet à la base par les gaz chauds.      

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   A l'intérieur de l'enveloppe 1, deux cloisons trans- versales 2 et 3, formant une entrée 4 et une   sortie  pour les gaz, délimitent la hauteur de la zone des échanges de chaleur de l'économiseur. A la base de l'enveloppe, un fond 6 coopère avec la cloison 3 pour délimiter une chambre de sortie 7 pourvue d'un ajutage 8 pour la sortie des gaz refroidis dans l'échangeur de chaleur. 



   La zone des échanges de chaleur de l'économiseur est un espace central de section transversale carrée borné par un cloisonnage prismatique 9 s'étendant entre les cloisons 2 et 3 et contenu dans l'enveloppe 1 et la zone est divisée en quatre conduits égaux de section transversale carrée 10 par des cloi- sons longitudinales 11. Chacun des conduits 10 possède une entrée de gaz à son extrémité supérieure et une sortie de   gaz à   son extrémité inférieure.

   Ainsi, au sommet de l'un des conduits se trouve l'entrée des gaz 4 et tous les autres conduits ont leurs entrées de gaz   14   ménagées dans le cloisonnage 9 et   communiquant   avec des passages sédentaires périphériques respectifs 13 formés entre le cloisonnage 9 et l'enveloppe 1, tandis qu'à la base d'un autre de ces conduits se trouve la sortie des gaz 5 et tous les autres conduits ont leurs sorties de gaz 12 également formées dans le cloisonnage 9 et communiquant avec lespassades   corres-   pondants 13, la disposition étant telle que les gaz descendant dans les quatre conduits 10 dans l'ordre A,   B,   C, D et   s'élèvent   dans trois des passages 13 successivement, les gaz quittant,

   un conduit par une sortie de gaz   12   s'élevant dans un   passa.1/'   13 pour se rendre à l'entrée   14   d'un conduit adjacent, 
Chaque conduit 10   e st   occupé par un jeu   (le   tubes   longi-     tudinal   15, forme de rangéesde tubes dont les  extrémités   infé- rieures sont soudées à des collecteurs   d'entrée     transversaux   16 et dont les   extrémités     supérieures    non',   soudées à de;

  3 collecteurs 

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 de sortie transversaux 17.   Le    collecteurs   16. des   quatre jeux de tubes sont reliés par des tubes 18 à des distributeurs corres- pondants 20, tandis que les collecteurs 17 des quatre jeux de tubes sont reliés par des tubes 19 à des collecteurs correspon- dants 21. Les distributeurs 20 sont constitués par deux grands tubes transversaux 22 divisés chacun en son milieu par une cloi- son 23. Les collecteurs 21 sont de construction similaire. 



   Le distributeur 22 marqué possède une entrée d'eau froide   24   et trois des collecteurs sont reliés séparément aux trois autres distributeurs par des raccordements 33, 34 et 35 de telle sorte qu'une circulation d'eau se produit successivement du distributeur a par le groupe de tubes associé et son collec- teur et le raccordement 33 au'distributeur b, par le groupe de tubes associé à celui-ci, son collecteur et le raccordement   3.4   au distributeur c, par le groupe de tubes associé à ce dernier,      son collecteur et le raccordement 35 au distributeur   d   et par le groupe de tubes associé à ce distributeur à son collecteur qui est pourvu d'une   sorLLe     d'eau   réchauffée 25.

   Ainsi, la circu- lation d'eau entre l'entrée 24 et la sortie 25 se fait en contre- courant par rapport à la circulation des gaz. 



   Les jeux de tubes sont constitués de tubes similaires présentant chacun quatre nervures longitudinales extérieures, venues de matière, qui forment des ailettes 27 en saillie sur la paroi 26 du tube. Les ailettes 27 sont symétriques par rap- port à deux lignes diamétrales ou axes transversaux   perpendicu-   laires entre eux de la section transversale du tube et compren- nent des paires d'ailettes dirigées en sens opposés. Sur la Fig. 3, ces axes transversaux sont indiqués par des traits interrompus et l'on constatera qu'une paire d'ailettes située d'un côté de chaque axe est symétrique à la paire d'ailettes située du côté oppose de l'axe.

   La hauteur des ailettes est approximativement égale au rayon extérieur du tube et leur épais- 

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 seur est approximativement égale à celle de la paroi du   tube.,   mais les ailettes augmentent d'épaisseur en se rapprochant de la racine. 



   De préférence les ailettes sont disposées par paires d'ailettes dirigées en sens opposés, comme c'est représenté sur la Fig. 3, chaque paireétant contiguë à un plan tangentiel au tube et les deux plans étant diamétralement opposés et parallèles      entre eux. Toutefois, les   ailettfj3   peuvent, comme c'est indiqué sur la Fig. 4, être radiales et disposées en paires de directions opposées, l'axe d'une paire étant perpendiculaire à l'axe de l'autre paire. 



   L'espace intérieur de chaque paire est divisé en com- partiments par le cloisonnage 28 de section carrée, dont les angles sont en'contact avec la paroi du tube. Le cloisonnage ' est fermé à ses extrémités mais est construit de façon à per- mettre une   égalisatio   de la pression entre l'intérieur et l'ex-      térieur et il est constitué, par exemple, d'une plaque repliée entre les bords adjacents de laquelle est ménagé un léger inter- valle. Cette cloison délimite une zone centrale morte 29 et quatre zones périphériques vives 30 dans lesquelles le fluide à chauffer circule. Le cloisonnement est établi de manière que le pied des ailettes se trouve en regard de la partie de largeur radiale maximum du passage correspondant 30. 



   Les tubes de chaque jeu, comme le montre la Fig. 5, sont groupés en rangées mutuellement transversales, les tubes de chaque rangée étant placés de telle manière que l'un des axes transversaux mentionnés ci-dessus de chaque tube intersecte les axes longitudinaux des autres tubes de la rangée. Les tubes sont espacés en leurs points les plus rapprochés d'une quantité inférieure à la hauteur de l'ailette, ce qui forme à l'extérieur des tubes un espace libre de section relativement grande mais   présentant   des surfaces d'échange de chaleur étendues. 

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   Dans la disposition des tubes représentée sur la Fig. 5 on remarquera que   larégion   à l'extérieur des tubes com- prend des sections élémentaires telles que 31 et 32,   communiquant   entre elles par les espaces situés entre   lesextrémités   des ailettes, et que chacune des sections élémentaires est délimitée par deux surfaces opposées présentant chacune un développement au moins trois fois plus grand que la largeur de l'espace de circulation entre les sections élémentaires voisines. 



   Ainsi, la surface d'échange de chaleur est très   éten-   due, bien que les gaz chauds aient des passades prismatiques amplement ouverts disponibles, n'occasionnant qu'une très légère perte de charge, même pour des masses animées   d'une,   grande vitesse. Ainsi on obtient un coefficient d'échange correct pour un poids et des dimensions minima. 



   Dans une installation productrice de vapeur comprenant des groupes générateurs de vapeur montés en série dans le parcours des gaz suivant la demande de brevet précitée, pour des débits de l'ordre de 500.000 kg par mètre carré par heure, les gaz chauds à une pression de 15 kg par centimètre carré subissent une chute de pression inférieure à 300 gr par centimètre carré dans l'installation productrice de vapeur entière. Dans l'éco- nomiseur on obtient un coefficient d'échange total rapporté à la surface de contact extérieure avec les gaz   égal à   152 et la température moyenne des gaz tombe de 108 C à 78 C. 

**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.

Claims

REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur bubuifdrf possédant un faisceau de tubes disposé dans une zone d'echange de chaleur et destiné à assurer 1' échange de chaleur entre un fluide à chauffer circulant à l'intérieur des tubes et un fluide gazeux chaud circulant longitudinalement sur les faces externe, des <Desc/Clms Page number 9> tubes, caractérisé en ce que chaque tube présente quatre ner- vures ou ailettes externes longitudinales ayant une hauteur approximativement égale à la longueur du rayon extérieur du'tube et une épaisseur approximativement égale à celle de la paroi du tube mais s'élargissant vers la racine ou le pied de l'ailette,

et disposées de telle façon que deux lignes diamétrales ou axes transversaux perpendiculaires entre eux peuvent être tracés par rapport à la section transversale du tube de manière quune paire d'ailettes située d'un côté de chaque axe soit symétrique à la paire d'ailettes située du côté opposé de l'axe, lorsque les tubes sont disposés -dans le faisceau.

2. Echangeur de chaleur tabulaire suivant la revendi- cation 1, caractérisé en ce que chaque tube présente des paires d'ailettes disposées sur ses côtés opposés et ces ailettes pré- sentent des surfaces situées dans deux plans parallèles ou à proximité de deux plans parallèles tangentiels au tube, les ai- lettes de chaque paire étant dirigées dans des sens opposés.

3. Echangeur de chaleur tubulaire, suivant la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les ailettes de chaque tube sont disposées radialement et réparties.à distances angulaires égales autour du tube.

4. Echangeur de chaleur tubulaire, suivant l'une ou l'autre des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espace intérieur d'un tube est divisé en quatre zones exté- rieures conductrices de fluide, de section transversale en-forme de segment, et un espace central de section transversale carrée, en communication avec les zones extérieures mais fermé à la circulation du fluide, et le pied ou la racine des ailettes est adjacent à la partie de largeur radiale maximum des zones exté- rieures correspondantes.

5. Echangeur de chaleur tubulaire suivant l'une ou l'autre des revendications précédentes, caractérisé en ce que la <Desc/Clms Page number 10> zone d'échange de chaleur est contenue entre des cloisons trans- versales à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique et est délimitée par quatre cloisons séparant cette zone des espaces extérieurs respectifs de section transversale en forme de segments, et la zone est divisée longitudinalement en quatre conduits contenant chacun un jeu de tubes, des liaisons comprenant les espaces extérieurs, reliant les conduits en série par rapport à la cir- culation du fluide gazeux qui les traverse dans un sens, tandis que les jeux de tubes sont reliés en série par rapport à la circulation du fluide qui les traverse dans le sens opposé,

la disposition étant telle qu'elle assure la circulation des deux fluides en contre-courant entre l'entrée aux conduits couplés en série et le sortie de ceux-ci et entre l'entrée aux jeux de tubes reliés en série et la sortie de ceux-ci.

6. Tube destiné à un échangeur de chaleur tubulaire suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente extérieurement quatre nervures ou ailettes longitudinales ayant une hauteur approximativement égale à la longueur du rayon exté- rieur du tube et une épaisseur approximativement égale à celle de la paroi du tube mais s'élargissant vers le pied ou la racine et disposéesde telle manière que deux lignes diamétrales ou axes transversaux perpendiculaires entre eux peuvent être tracés par rapport à la section transversale du tube de façon qu'une paire d'ailettes située d'un côté de chaque axe soit symétrique par rapport à la paire d'ailettes située du côte opposé de l'axe,

tandis que l'espace intérieur du tube est divisa en quatre zones extérieures conductrices de fluide de section transversale en forme de serments et un espace central de section transversale carrée en communication avec les zones extérieures mais fermé à la circulation du les pieds des ailettes étant contigus aux parties de largeur radiale maximum de la zone extérieure correspondante. <Desc/Clms Page number 11>

7. Echangeur de chaleur tubulaire, disposé et destiné à fonctionner, en substance comme décrit ci-dessus a.vec référence aux Figs. 1, 2,3 et 5 ou aux Figs. 1, 2 et 4 des dessins an- nexés.