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"Perfectionnements aux changeurs de chaleur"
La présente invention est relative à un échangeur de chaleur amélioré et en particulier à un couvercle amélioré pour échangeur de chaleur du type à enveloppe et à tubes de passage et de retour. L'expression échangeur de chaleur" englobe également les condenseurs.
Les échangeurs de chaleur à enveloppe et à tubes sont bien connus et ils comprennent généralement une enveloppe cylindrique enfermant un faisceau de tubes. Le faisceau de tubes comprend un certain nombre de tubes disposés en rangées
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connues sous le ses de batteries, les tubes étant maintenu en place par des plateaux collecteurs dans lesquels les extré- mités des tubes sont montées à expansion. Des couvercles évi- dés sont disposés au-dessus des plateaux collecteurs. Des conduits d'entrée et des conduits de sortie sont prévus sur l'enveloppe et les couvercles de telle manière que, lors de .l'utilisation, un fluide passe à travers les tubes du faisceau et un second fluide passe à travers l'enveloppe et par-dessus les tubes de ce faisceau.
Un type courait d'échangeur de chaleur à enveloppe et à tubes est le type dit à passage et à retour, dans lequel le fluide circulant à travers les tubes passe dans une pre- mière batterie de tubes, connue sois le nom de batterie avant et ce dans un sens, pour sortir de ces tubes et être sourds à une inversion du sens de circulation par contact avec un couvercle, connu tous le nom de couvercle de retour, le fluide étant dirigé alors dans une seconde batterie de tubes, connue sous le nom de batterie de retour, pour retourner dans cette seconde batterie dans le sens opposé à celui du passage à tra- vers la première batterie. Avant de pénétrer dans la seconde batterie de tubes, le fluide doitnécessairement frapper le plateau collecteur dans lequel les extrémités d'entrée des tubes formant la seconde batterie sont montées.
Ce plateau est désigné par plateau collecteur de retour. Il existe ha- bituellement plusieurs batteries avant et plusieurs batteries de retour.
Lorsque la différence de température entre les tubes et l'enveloppe peut être .appréciable, il est nécessaire de tenir compte de la dilatation de l'enveloppe par rapport aux tubes et réciproquement. D'une manière générale, on en tient compte en utilisant un couvercle du type flottant.
Dans les
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échangeurs de chaleur du type à couvercle flottant, un des couvercles est fixé rigidement en place par rapport à la paroi, tandis que l'autre, connu sous le nom de couvercle flottant,.. est libre de se déplacer dans le sens longitudinal dans l'enveloppe et il est habituellement entent' par un cou- vercle supplémentaire* D'une manière générale, les échangeurs de chaleur sont construit* avec des tubas. des couvercle.. des plateaux collecteurs et des enveloppe* en acier doux.
Tour certains travaux* par exemple pour le transfert de chaluur entre une huile et de l'eau de mer, l'eau de mer passant à travers legs tube., l'acier doux n'est pas satisfaisant car il tend à se corroder fortement. Pour de telles utilisations les tubas les plattaus seliestaurs si$ les seuversies le*% @ en matière@ non ferreuses, telles que du laiton du type Adai- ralty ou Navale
Les échangeurs de chaleur du type à passage et à retourcomportant des tubes, des plateaux collecteurs et des couvercles fabriquée en Matériaux non ferreux,
sont générale- ment utilisés actuellement lorsqu'on désir* refroidir un li- quide ou condenser un gaz en utilisant de l'eau de ser comme ure milieu de rafrcidissement. De tels échange/ de chaleurs bien qu'il. soient oins sujets à une corrosion intense due à l' action de l'eau de mar que des échangeurs de chaleur construits totalement en acier doux, sont encore non satisfaisante à l' /usage car ils tendent à subir des dommages du fait d'une at- taque par choc,
L'attaque par choc prend la forme de piqures et d' une cavitation du plateau collecteur de retour aux entrées ou près des entrées des batteries de retour de l'échangeur de
1:haleur, et également la forme de piqulres et d'une cavitation aux extrémités des tubes des batteries de retour @ l'endroit
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des entrées ou près de celles-ci.
Une telle corrosion, bien qu'elle soit d'une action locale,est évidemment indésirable et peut mener à une souil- lure et ou à une perte de produits de valeur, et elle aura presque certainement pour résultat qu'une installation coûteu- se se trouvera fréquemment au repos pendant une période de temps considérable jusqu'à ce que les réparations soient ef- fectuée a.
Afin de réduire une telle corrosion, il est de pra- tique courant,-* de relier une anode perdue * l'intérieur du couvercle. L'anode comprend un bloc d'un étal qui est plus électronégatif que les métaux de l'échangeur de chaleur, de sorte que ce bloc se corrode de préférence à l'échangeur de chaleur. Le magnasium et le minc si ** des matériaux conve- nables pour la construction d'anodes sacrifiées destinées à l'utilisation avec des échangeurs de chaleur construits en fer ou en fer et en laiton.
Les anodes perdues réduisent l'attaque par choc sais elles sont jusqu'à un certain point inutiles du fait que de petites quantités de matériaux coûteux sont irrémédia- blement perdues. Ces anodes présentent le défaut très impor- tant que des échangeurs de chaleur dans lesquels elles sont employées doivent périodiquement être mis hors service et ou- verts de manière qu'une nouvelle anode puisse être introduite.
La demanderesse pense que l'attaque par choc est due partiellement au fait que le profil de vitesse de l'eau frap- pant le plateau collecteur de retour n'est pas uniforme.
La démontrasse a découvert qu'en modifiant la forme du couvercle de retour, il est possible de modifier le profil de vitesse de l'eau circulant à travers les batteries de re- tour et, de ce fait, de l'eau frappant le plateau collecteur
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de retour de l'échangeur de chaleur.
Suivant un aspect de la. présente invention, on prévoit un couvercle de retour d'un 'changeur de chaleur, @ comprenant une surface interne dont une section est formée ' ' par une surface concave et une section est fora.. par une surface convexe.
La surface concave est de préférence hémisphérique ou paraboloide.
La surface convexe, comprend, de manière convenable deux surfaces hémispuériques, ces surfaces hémisphériques étant situées synétriquement dans la surface convers.
La surface convexe peut encore comprendre uns surface cylindrique n'étendant en travers de cette surface convexe
Suivant un autre aspect de la présente invention on prévoit un échangeur de chaleur comprenant (1) une enveloppe . extérieure enfermant un faisceau interne de tubes comprenant (a) au moins une batterie avant contenant au moins un tube, (b) un plateau collecteur de retour,et (c) une série de batte- ries de tubes de retour, et (2)un couvercle de retour,celui- ci étant disposé au-dessus du plateau collecteur de retour,et étant conformé de telle Manière que.
lors de l'utilisation, le liquide sort de la ou des batteries ayant.-. frappe le cou- vercle de retour, et est dévié sur le plateau collecteur de retour et est envoyé dans les batteries de retour, le liquide frappant le couvercle de retour d'une Manière telle que le pro- fil de vitesse du liquide circulant à travers les batteries de retour du faisceau de tubes est rendue plus uniforme que ce ne serait le cas si on utilisait uia couvercle de retour de forme habituelle,
L'expression m couvercle de retour de fora* habituel le" est utilisée ici ta se référant à un couverels ayant la
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forée d'un petit segment de sphère d'un rayon beaucoup plus élevé que le rayon du plateau collecteur de retour.
La surface du couvercle de retour qui fait face au faisceau de tube*interne est de préférence concave, sauf dans la sone des batteries de retour, cette surface étant convexe dans cette zone. La surface concave est de préférence hémisphé- rique ou paraboloîde.
La surface convexe comprend de façon convenable deux surfaces hémisphériques,ces surfaces hémisphériques étant si- tuées symétriquement dans la surface convexe.
La surface convexe peutcomprendre encore une sur- face cylindrique s'étendant en travers de la son* des batte- ries de retour.
Le couvercle de retour est de façon convenable un couver:le du type flottant.
Le couvercle de retour, le plateau collecteur de re- tour et les tubes des batteries de retour sont de préférence construits en un métal non ferreux*
Un tal métal non ferreux peut être le laiton, par exemple du type Admiralty ou du type Naval.
L'invention est illustrée mais non limité. par les figures 1 à 4 des dessins.
La figure 1 est une vue en élévation latérale d'un échangeur de chaleur expérimental modifié.
La figure 2 est une vue d'extrémité de cet échangeur de chaleur.
Les figures 3A, 33 et 3C sont trois vues en perspec- tive d'un type de couvercle de retour suivant l'invention.
Les figures 4A, 4B et 40 sont trois vues en perspec- tive d'un second type de couvercle-de retour suivant l' inven- tient
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On se référera en premier lieu aux\figures 1 et 2.
Un échangeur de chaleur comprend une enveloppe 1 montée sur des pieds 2 et enfermant un faisceau de tubes com- prenant une série de tubes 3 disposée en 5 batteries avant (non représentées) et en 5 batteries de retour (a), (b), (c), (d) et (e), Les extrémités des tubes sont montées à expan- sien dans un plateau collecteur avant 4 et dans un plateau \ collecteur'de retour 5. Un couvercle de retour 6 d'un type courant est disposé au-dessus du plateau collecteur de retour, 5. Un conduit d'admission 7 est prévu pour l'alimentation d'un liquide aux batteries avant . Les batteries de retour (a), (b), (c), (d) et (e) ne sont pas découvertes à leurs sor.. ties et se déchargent à l'atmosphère.
On se référera maintenant: aux figures 3A, 3B et 3c.
Un couvercle de retour modifié 8 est représenté par ces trois figures, ce couvercle étant construit en produisant deux dépressions sphériques 9 et 10 dans unhémisphère creuse en une matière non ferreuse.
En se référant aux figures 4A, 4B et 4C, on verra un couvercle modifié 11 qui est construit en produisant. une dépression cylindrique 12 dans unémisphère creuse prévue en une matière non ferreuse.
On comprendra qu'un échangeur de chaleur suivant la présente invention peut être construit en partant de l'échan- geur de chaleur expérimental décrit avec référence à la figure 1, (a) en enlevant le couvercle de retour habituel 6 et en le remplaçant par l'un ou l'autre des couvercles de retour g ou 11, et (b) en enlevant le conduit d'entrée expérimental 7 et en le remplaçant par un couvercle d'entrée d'échangeur de cha- leur courant comportant un système pour la sortie du liouide passant à travers les batteries de tubes (a), (b), (c), (d)
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et (e).
L'invention est encore illustrée mais non limitée par les exemples suivants.
EXEMPLE 1.
Le profil de vitesse des tubes des batteries de re- tour de l'échangeur de chaleur décrit en se référant aux figures 1 et 2 des dessins a été étudié. De l'eau est alimentée à l' échangeur à une allure telle qu'on peut s'attendre à produire une vitesse moyenne de cette eau de 8 pieds par seconde dans les tubes des batteries de retour. La vitesse de l'eau sortant d'une batterie est calculée en partant de mesures faites sur les profils des jets des courants sortants.
Les vitesses particulières des tubes n'ont pas pu dans chenue réservoir être mesurées à cause de la proximité étroite des jets- /.Les mesures ont été effectuées par conséquent en considérant le profil des jets de chaque batterie et on notait si tous les jets étaient en alignement. Si l'un des jets d'une batterie semblait être d'une vitesse plus élevée ou plus basse que ses voisins,on essayait de calculer sa vitesse.
Le tableau I suivant donne le profil de vitesse de l'eau circulait à travers les batteries lorsqu'un couvercle courant du type flottant était monté sur l'échangeur de cha- leur.
Tableau I
EMI8.1
8e.ter,e. !(a) t (b) i (c) 1(cl)oc bzz (e) 1 --. - 1 , t - 1 3±?,9 m Prêter tube de la batterie (c)
Les résultat!'. donnés au Tableau 1 contrent qu'on ob- tient une différence globale de la vitesse d'eau de 4,3 pieds
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par seconde, mais les résultats montrent également que le pre- mier tube de la batterie (c) écrasait l'eau à une vitesse de 1,7 pied par seconde inférieure à ses voisins. En ignorant ce tube, la différence globale était de 3,5 pieds par seconde.
EXEMPLE 2.
Le couvercle de retour de type courant était alors remplacé par un couvercle paraboloide et les résultats obtenus sont donnés au tableau II.
Tableau II.
EMI9.1
1 1 Btterie,èn. (a) ; ï (a1)K (b) 1 t.0) ( l, (d) (e) Vitesse de l'eau, pieds/sec. 6,5 J6,3 7s8 6,3 1 918 8,9
Deux tubes extérieurs de la batterie (a)
Les résultats donnés au tableau II montrent que la différence globale de la vitesse de l'eau était réduite à 2,6 pieds par seconde, et même à 2,4 pieds par seconde si la vi- tesse irrégulière des deux tubes extérieurs de la batterie '(a) était négligée.
EXEMPLE 3.
Un couvercle de retour hémisphérique était utilisé, les résultats obtenus étant donnés au Tableau III suivant.
Tableau III.
EMI9.2
Bat't.erie,n.' (a) (b) 1 1 1 (c) | (d) # i 1 (e) Vitesse de l'eau, pieds/sec. 6,7 1 ',6 ,1 8*6 $,0
Les résultats donnés au tableau III montrent que la différence globale de la vitesse de l'eau était réduite à 1,9 pied par seconde.
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EXEMPLE 4.
Le couvercle décrit en se référant aux figures 3A, 3B et 30 était alors utilisé et les résultats obtenus sont donnés au tableau IV.
Tableau IV.
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. ""'"" !""'"""""""####'" 1,1,1111 #..#,..#####.-.###'** Batterie, n 1 (a) f (8.1)4! i (b) ! (c) (d) (e) Vitesse de l'eau, pieds/sec. ?,9 7.7 7,9 !7.9 J 8,2 8,2 @ Deux tubes extérieurs de la batterie (a)
Les résultats donnés au tableau IV montrent que la différence globale de la vitesse de l'eau était réduite à 0,5 pied par seconde, et mine à 0,3 pied par seconde si la vitesse irrégulière des deux tubes extérieurs de la batterie (a) est négligée.
EXEMPLE 5.
Le couvercle décrit en se référant aux figures 4A, 4B et 4C était alors utilisé et les résultats obtenus sont donnés au tableau V.
Tableau V.
EMI10.2
Batterie. n (a) ia (b) t (c) : (d) (e) Vitesse de l'eau, pieds/sec. J- Ô#2 7#4 8,2 1 7 9 r0 8oo @ Le jet provenant du premier tube de la batterie (a) oscillait lentement.
Les résultats donnés au tableau V montrent que la dif- férence globale de la vitesse de l'eau était dans ce cas de 0,8 pied par seconde, et de 0,3 pied par seconde si la vitesse irrégulière du premier tube de la batterie (a) était négligée.
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On verra qu'en utilisant des couvercles conformés de façon nouvelle, du type décrit précédemment, le profil de vitesse de l'eau passant à travers les batteries de l'échangeur de chaleur du type à passage et à retour est rendu plus uniforme.