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"Elément parcouru par un fluide dans le sens de la longueur et destiné à favoriser les échangea thermiques."
La demanderesse tient à signaler que dans les dessina qui ont été déposés avec cette demande, certaines référencée sont erronnées.
Aux fins de rectification de ces dessine et de mise en concordance de ceux-ci avec le texte de la demande de brevet, nous voua joignons en double exemplaire, dont un timbré à 30 Er, deux planches de dessins comportant les figures 7 a-r et 8 sur lesquelles planches apparaissent les références erronnées sur les dessins originaux.
Sur la planche 7 a-r, il s'agit de la référence "37" qui doit se lire "39", Cette correction est justifiée par la description (page 10, ligne 30). Les références "1390" et "2260" doivent se lire "1330" et "2660" respectivement.
Ces corrections sont également justifiées par la description,
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en ce sens qu'il doit y avoir concordance entre les réfé- rences reprises aux figures 7 a-r et celles de la figure 8.
Sur la planche 8, il s'agit du groupe de lettres b à r qui doit reculer d'un rang vers la droite* Cette correction se justifie par la description, en ce sens qu'il doit y avoir concordance entre les références "groupe lettre-chiffre" de la planche 7 a-r et celles de la figure 8. Il y a lieu également sur la planche 8 de remplacer "t" par "s" et "150" par "190", aucune mention n'étant faite de ces deux références.
En ce qui concerne le texte de la description, il y a lieu de remplacer à la page 11, ligne 28, la référence 37 par 39, afin de correspondre à la description donnée page 10 ligne 30.
Noua vous prions de bien vouloir verser ces planches de dessins rectificatives ainsi que la présente au dossier du brevet.
Nous Joignons également un duplicata de la présente timbré à 30 Er aux fins de certification conforme par votre administration.
@ D'autre part, nous autorisons l'administration à délivrer copie de la présente et des dessins rectificatifs à toute de- mande de copie du brevet.
Dans l'attente de votre accusé de réception de la pré- sente et de ses annexes, nous vous prions de croire, Monsieur le Conseiller, à notre considération distinguée.
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bu vr'.-n'" inv.n'1on eut r11'. un ill4itiolit pMt'onut'u par un fluide dans le sens de sa intigueurg qui est destine à être introduit dnna un conduit de circulation de cnst en pnrtio culîer dans un enduit do fumée de chaudière, en vue de favori.-* mer les échanges thermique..
14our iluttmotiter le on.tt'1o;!.ont de translation de lu oh"ltuft il est d'usage courant de perturber la circulation du fluide d'échange dans les conduits qu'il parcourt en y créant une forte
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turbulence. Il peut être pr<f>vu h cet effet deu eerpentine in- troduits dans les tubes et subdivisant le conduit, ou des éle'- ments en forme de ressorts spiraux prenant appui sur les parois
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du oondu:1.t.
Il .x1..t. en outre une OhuUl1ibl'6 qui est pourvue de conduite de fumées cylindriques annulaires, dans lesquels sont fixés des éléments enroules en spirale. Ces éléments servent à augmenter la surface de contact entre les fumées chaudes et la chemise d' eau absorbant la chaleur, dans le but d'accroître l'importance des surfaces d'échange* Cette solution exige évidemment une bonne liaison entre les éléments et la paroi d'échange séparant les fumées de l'eau, pour que la chaleur contenue dans les fu- mées soit effectivement transmise métal sur métal aux cloisons de séparation et qu'il n'existe pas de couche gazeuse intermé- diaire.
On s'est donc efforcé jusqu'à présent, notamment en augmen- tant le coefficient de transmission calorifique du coté gaz, de retirer la chaleur des fumées sur des trajets aussi courts que possible pour la transmettre au fluide devant être réchauffé, Il est connu que le coefficient de transmission calorifique du coté gaz peut être augmenté en élevant la vitesse de circulation des fumées dans leurs conduite. Cette élévation de vitesse en- traîne néanmoins une augmentation notable des pertes de charge, ce qui impose certaines limites pratiques à ce procédé.
Etant
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donné qu'il règne dans les conduite de fumées des chaudières des conditions d'écoulement turbulentes, le gain obtenu par l'installation d'éléments dits "de turbulence", qui impriment un mouvement giratoire à l'ensemble du courant, est relative- ment faible. Ceci veut dire que des éléments intérieurs lis- ses à grandes surfaces d'échange augmentent sensiblement les pertes par frottement sans améliorer notablement les échanges.
Il existe également des tuyaux pour échangeurs de chaleur, dans lesquels il est prévu une ou plusieurs cloisons de sépa- ration dirigées suivant l'axe du tuyau et subdivisant le cou- rant en veines individuelles, cloisons qui sont d'un coté mu- nies de chicanes, dont les arêtes d'intersection avec la cloi- son de séparation sont dirigées obliquement par rapport à l'a- xe, dans le but d'augmenter l'échange thermique entre les élé- ments intérieure et ceux qui sont en contact avec les parois extérieures,
Une autre solution vise à augmenter la turbulence et, par suite, l'échange de chaleur sans nécessiter l'accroissement de perte de charge qui en est la conséquence normale.
Cette solu- tion consiste à subdiviser le conduit d'écoulement en deux par- tien égales au moyen d'un élément qui est équipé de chicanes en tôle faisant saillie dans les deux parties du conduit et dans lequel sont pratiquées des ouvertures de gros diamètre planées en amont des chicanes dans la direction du courant, ouvertures par lesquelles le courant gazeux est dirigé alternativement de l'une des parties du conduit dans l'autre par les chicanes.
Le but poursuivi par cette mesure est d'accroître la tur- bulence et l'échange du fluide gazeux pour créer des condi- tions de transmission thermique améliorées,
On connaît également une tôle de choc pour conduites de vapeur et de gaz, en particulier dans les machines à absorption, qui est formée d'une bande sans languette, pliée en zig-zag
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et dont la largeur est sensiblement égale au coté du carre ins- crit dans la circonférence de la conduite. Ces bandes de tôle sont généralement munies de trous de gros diamètre et destinées principalement aux appareils à rectifier, notamment aux petits réfrigérateurs à absorption.
Il a en outre été déjà proposé un échangeur de chaleur tubulaire, destiné au refroidissement des gaz d'échappement ou, des gaz ou vapeurs résiduaires, qui comporte des cloisons in- térieures de séparation pour le brassage du fluide d'échange thermique, lesdites cloisons étant fixées à la paroi tubulai- re et munies alternativement de cuvettes, ou creusures analo- ou**, permettant d'augmenter la surfucs d'échange et de conférer aux cloisons une plus grande résistance aux vibrations.
En dehors de son action de renforcement mécanique, cette mesure vise à accroître la turbulence et à améliorer la transmission de la chaleur, comme les modes de réalisation précédemment rap- pelés, Pour augmenter l'échange thermique par turbulence, il a d'ailleurs été proposé de pratiquer des découpes spéciales dans les cloisons intérieures de séparation de ces échangeurs de chaleur tubulaires.
Dans l'industrie du froid, il existe de plus des échangeurs à tubes qui comportent des éléments introduits dans les tubes pour améliorer l'échange de chaleur. Ces éléments subdivisent le conduit tubulaire en trois compartiments parallèles à l'a- xe et sensiblement égaux ; les cloisons de séparation sont pourvues de grandes ouvertures par lesquelles le fluide ga- seux peut passer d'un compartiment à l'autre,
De l'état de la technique qui vient d'être exposé,
il res- sort qu'on s'est efforcé jusqu'à présent d'améliorer les conditions de la transmission et de l'échange de la chaleur par un accroissement de la turbulence du fluide gazeux et qu'il a été proposé à cet effet des éléments échangeurs munis
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de grande* ouvertures aeeurunt une bonne circulation de ce fluide. Jusqu'à présent il n' manifestement paa été accordé uno grande importance À lu question de l'amélioration de l'é- change de chaleur par rayonnement dans l'élément à oonvootion.
Tout le éléments outmua vif1nnt .. Augmenter l'6ohAnF';' de chatwup comportent dwa troua individuels de (grandes d1n18n- atanm en.\ deM ralig6om de tromme" ouverture, d.tS1iin' confère)? au fluide en circulation une plus grande turbulence et à faci- liter ainsi l'échange entre les diverses enceintes d'écoulement délimitées par ces éléments.
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tînt t"tRttV8 ft litmri t effectua pour rloou(lre oe problè- me au moyeu dl 61dl1l.Htïn '111 forme 414bolle ou 1'\' ot'.'H1" luté- riourg non perforés J'irrlmi.,.17,,(, à 11 lixe de conduits et qui sont destinée à accroître l'échange thermique non seulement par turbulence, mais aussi par rayonnement.
Avec les éléments intérieurs de ce type, il n'a pas été
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possible de réaliser l'abaissement recherché de la tempaature. par exemple dans les 60huJlgeura de chaleur pour gaz de fumées, de Morte que l'on peut dire que ce mode de réalisation ne ré- pond pas aux conditions imposées.
Une augmentation de la turbulence et de l'échange de
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chaleur peut être êtraleiaent obtenue au moyen d'éléments échan- ' geurs présentant la forme de plateaux entre lesquels sont dis. posés des tamis métalliques à grosses mailles. Cette construc- tion dite "en sandwich" peut être utilisée pour l'exécution d'échangeurs de chaleur, mais ost trop compliquée pour des élé- ments amovibles et interchangeables. Des mesures effectuées dans des tubes de fumée munis intérieurement de tamis de type usuel à circulation longitudinale ont d'ailleurs démontré que les conditions de la transmission calorifique ne sont guère meilleures qu'avec les éléments de turbulence ou les garnitu- res intérieures connus rappelés ci-dessus.
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La cimlation d'un fluide à travers de tels tamis ou ré seaux entraîne, en outre, dans le cas où plusieurs do ces été- monte sont montre en série, une porto do charge oxuîx6e qui nuit à la rentabilité de 'xbx..ct.ar Dane un au4x mode (le r4alluitluti connu d'un eclimilesur do 011440ur A pl,Mt)M<4UK) il fft) i>j<mvu uttt) 1111u. vvfov6. in6I.u. re, sur laquelle les troua sont entoures de colleta en saillie donnant naissance à une turbulence.
L'amélioration obtenue par ces éléments n'est acquise que moyennant un accroissement
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correspondant don portes de charge dans l'échangoure 101lt' UUI"IIt('n1,,, .n ulU'fltl,1' (1' Iah'mlf! trmwnIf1i1tlll1t1 In oh/1) 8\U', il ? été <MHt 11,t'('VU ci'1lnax' (tom "\U'r.C1 1nhJ'IIIl\b1r"l8, munies d'ouvurturee, en particulier de forme carrée uinui que d'organes de turbulence en saillie sur la surface d'échange.
Cette dispositionre donne pas un échange thermique meilleur que les formes de réalisation connues, à perte de charge égaler
Ces résultats peu satisfaisants ont conduit à dea recher-
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ches poussées dans le domaine des éléments échlUJeur8 faciles à remplacer et & introduire dans les conduits.
Ces éléments nouveaux doivent être de construction extrêmement simple et bon marché. faciles à nettoyer et assurer avec une perte de charge réduite un abaissement de température plus important que jusqu'à présent, en particulier dans les conduite de fumées des chaudières*
L'élément agencé selon l'invention se distingue des éléments connus par le fait qu'il comprend au moins un organe liane en forme de plateau, exempt de toute saillie et muni de petits orifices groupés ou disposés régulièrement, dont la plus pe- tite dimension est d'au moine 1 mm et le nombre spécifique d'au moins 5000/a .
Le principe sur lequel se fonde l'invention est le suivant
Des expériences ont prouvé que le flux de chaleur sur les
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parois des tubes parcourus par les fumées peut astro considé-
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rablement augmenté par une subdivision de l'intérieur du tube de fumée en un certain nombre de compartiments pratiquement emparée l'un do l'autre et parcourus par les fumées dans le et,ne de leur longueur, à la condition que les divers comparti- mente communiquent entre eux par une multiplicité d'orifices pratiqués dans les cloisons qui les séparent.
Les séries d'essais effectuées ont permis, en outre, de constater au les conditions d'échange thermique qui règnent dans l'élément selon l'invention ne sont pas celles que l'on rencontre couramment dans les échangeurs parcourus par des flui- des à vitesse moyenne constante et à densité locale également constante, et qu'au contraire l'échange thermique varie forte- ment suivant les zones de l'élément dans lesquelles sont dispo- sés les orifices.
La chute de température des fumées sur le parcours d'essai utilisé pour la mesure est très variable suivant le type des perforations et les dimensions des groupes de perforations ; les valeurs de la température finale des fumées pour les di- vers éléments, déterminées ainsi qu'il sera exposé plus loin, sont plus ou moins élevées dans chaque cas suivant le nombre des perforations pratiquées dans l'élément et leur emplacement. ! Ce résultat inattendu a fait l'objet de recherches plus pré- cises et peut âtre expliqué comme suit :
En fonction du déroulement de la combustion, la colonne de fumées est sujette à des oscillations.
II apparaît que @ ces oscillations sont plus ou moins amplifiées ou amorties par les éléments échangeurs selon la disposition des perforations, leur groupage, leur nombre et leur grosseur, ce qui entraîne une chute plus ou moins importante de la température des fumées tout au long des éléments.
Compte tenu de ces oscillations, il est possible d'augmen- ter notablement la chute de température des fumées malgré des vitesses de circulation et des pertes de charge extrêmement
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faibles, étant donné que les oscillations dues à la combustion elle-mSme prélèvent leur énergie cinétique sur la chaleur laten- te des fumées. Ces oscillations longitudinales de la colonne de fumées peuvent donner localement naissance à de très gran- des vitesses et, par conséquent, à des coefficients de trans- mission calorifique exceptionnellement élevés, qui se totali- sent sur toute la longueur du conduit et entraînent cette per- te de température remarquablement élevée.
Il faut naturelle- ment faire entrer en ligne de compte l'énergie des oscillations, qui retire aux fumées leur énergie interne en faisant chuter leur température.
Il n'est pas possible de préciser quantitativement la participation des divers facteurs, à savoir du rayonnement, de la transmission calorifique sous l'effet de la vitesse de cir- culation des fumées, de la turbulence et des oscillations de la colonne de fumées, au phénomène constaté de lhute impor- tante de température pour une perte de charge très faible.
Tous ces résultats d'expériencesont été mis à profit pour réaliser un élément assurant un échange de chaleur très effi- cace et qui présente les qualités ci-après : a) flux de chaleur très élevé entre le fluide d'échange et la paroi du conduit ; b) perte de charge et vitesse très réduites c) grande facilité de démontage.
Les éléments agencés sur ces bases conformément à l'inven- tion peuvent 8tre établis sous des formes différentes, dont quelques unes sont représentées à titre d'exemples aux dessins annexés, dans lesquels : @ La fig. 1 est une vue partielle en perspective d'un élément échangeur après son introduction dans un tube chauffé par du gaz de fumées ; - la fig. 2 représente un élément analogue, mais en forme d'étoile ;
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e la. tîst 3 est une vue partielle en perspective d'un '11- Ment tn forma de chevron) destiné à $tV$ introduit dans une enceinte annulaire cylindrique léchée par deu fumées - les tige. 4 et 5 montrant deux formes d'exécution de la surface des éléments ou des organes qui les constituent ;
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- la figt 6 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un appareillage d'essai utilisé pour déterminer la chute de température des fumées dans des tubes refroidis à l'eau ;
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- les .tige. z z 71' représentent en section des éléments échangeurs cruciformes, comportant un nombre et une disposition de trous différente mais une répartition et un diamètre de troue
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constants, destinés à être utilisé dans l'appareillage d'eveai suivant la figura 6
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0 la ligo 8 reproduit sous la forme d'un diagramme les températures des fumées à l'extrémité du parcours de mesure avec une vitesse à l'entrée constante,
pour les divers éléments
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représentés aux figures 7a à 7r$ ainsi que les valeurs corres- pondantes des pertes de charge.
La figure 1 montre un élément cruciforme 1, formé de sur- faces planes et logé à l'intérieur d'un tube de fumées 3. Cet élément 1 se compose de deux feuilles planes en croix 4 et 5,
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parallèles à laxe 2 du tube de fumées 3 et qui délimitent qua- tre compartiments 14, séparés l'un de l'autre et parcourus par les gaz. Ces feuilles glanes, de préférence en tôle, sont mu- nies de rangées parallèles de trous 8. Les cavités 14 sont dé- limitées par les parties perforées des feuilles 4 et 5, ainsi que par une portion de la paroi du tube de fumées 3.
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L'élément 10 représenté à 1 fii,,iiro 41 t-kt en forme d'étoi- 14 Ot muni fliVMhift 1'l.(('IttÜIIHl/lf.lnt, j t.tJI,It1 ,1; l''IIJU Il$ Utt1" éleigont bit II h 11..1 ont tht.l'Q,1ult ilitilli un tuba la jmreouru par les fumées.
La figure 3 représente une autre forme d'exécution d'un élément, qui se compose de deux feuilles planes 20 et
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actiombl6es en forme de Routtiere et munies également} de ran- 0400 40 trou. e3o léom doux pMl'ola 4 t *!± dtUimUento un conduit cylindrique de fumées ZQ9 parcouru par les gur, dans la direction de la flèche 27.
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Lon figures 4 et 5 sont des vues partielles d'éléments i présentant des surfaces différentes. Les éléments sont percée
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d'orifices 6, visibles aux figures 1 à 3 ainsi qu'à la tigu- i re 4. Ces orifices peuvent être circulaires, polygonaux, oblongs ou ovales.
Il peut également être prévu des organes tels que 45 pourvus * groupes individuels de trous 46, 47, 48 ; les trous' 46 situas à l'entrée du tube sont avantageusement d'un diamètre
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plu petit que ceux deM roupeu n%xJv,4ntu 47 et 4U, qui sont t!;Ón&rf\lcfUul1t ôu;uux dUfUS chaque &';
1'I.IU1)8. l'es orifioee dom trrou- pen 47 et 48 peuvent dluillouru ttre de grouoeur îduntique, Afin que les quantités de chaleur transmises aux parois des tubes 3 et aux éléments soient égales, il est recommande de munir les surfaces des éléments de moyens convenablement con-
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formés, en particulier a 'ouvertures pratiquées dans les tples des éléments La figure 6 représente achématiquement un appareillage de mesure 27, qui comprend une chambre de combustion 28 entourée d'une chemise d'eau 29.
Dans la paroi antérieure de la chambre est installé un brûleur à huile 30 et à l'extrémité opposée se trouve une prise de mesure de pression 31, située directe- ment en amont de l'ouverture de sortie 32 de la chambre de combustion. A la paroi postérieure de cette dernière fait
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suite un tube 33 enveloppé d'un SernînauCe réfrbctaire 34. La tompdruturù des *#&± k l'entré oat intiot4i'tjo en 35, Dans un OCHH1\1 Il' menu!'* l/ tgi4tuute 4'U!'a UhllllltJl'* a1 ou Itl ont IcKi un élément 39 du tylio t'f.,!,.r6IU'Jlt6 à llu'4èi deM fj.tsy x ?Atto7r et dont il s'agit d'étudier, dans l'installation de mesure 27, ' le comportement au point de vue de la transmission calorifique.
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A l'extrémité du conduit 37 se trouvent une prise de mesure de pression 40 et une prise de mesure de température 41, tan- dis que la température de l'eau est lue aux emplacements dé- signés par 42. Le conduit de mesure 37 est un tube d'un dia- mètre de 3" et d'une longueur de 1 m.
Les estais ont été effectués en introduisant successi- vement dans le conduit de mesure 37 chacun des éléments sui- vant les figures 7a .....7r. La température des fumées à l'en- trée est réglée & une valeur constante de 580 C. Les tempé- ratures de l'eau et les autres paramètres de l'appareillage d'essai étant maintenus également constants, on lit la tempé- rature de sortie des gaz en 41, au moyen d'un thermomètre à mercure gradué en degrés centigrades.
La perte de charge dans le parcours de mesure est déterminée dans chaque cas au moyen de manomètres piqués en 31 et 40,
Les éléments 39 portaient des perforations de 4 mm, tandis que la tôle formant les éléments ou organes possédait une épaisseur de 3 mm. Le nombre effectif de trous pour cha- que élément est indiqué à la figure 7, tandis qu'à la figure 8 *eu nombres de troua sont portés en abscisses et les tem- pératures des fumées à la sortie du parcours de mesure pour une température à l'entrée constante de 580 C en ordonnées.
Au-dessus de ces températures se trouve sur le diagramme de la figure 8 la chute de pression correspondante eu? le par- cours de mesure, en millimètres de colonne d'eau.
De ces mesures, effectuées avec des vitesses de gaz de l'ordre de 2m/6 secte il ressort sans équivoque que les éléments 37 suivant la fleure 7r à perforation continue donnent sur le parcours de mesure la chute de température des gaz la plus grande, égale à 250 C environ. Il faut remarquer que cet- te ohute de température n'augmente pas toujours avec le nom- bre des trous, mais peut diminuer entre certains de ces nom- bres, de même que la perte de charge, qui augmente et diminue
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de façon correspondante,
Ces mesures semblent:
indiquer qu'au mouvement de trans- lation des fumées à travers le tube doit se superposer un mouvement plus ou moins important suivant le nombre des trous* Il y a lieu de supposer qu'il s'agit là de phénomènes d'oscil- lations sur le parcours de mesure, qui sont amortis ou ampli- fiés par l'élément suivant le type de celui-ci, et qui pour- nient avoir leur origine dans la combustion. Les phénomènes dont il a été fait état précédèrent peuvent s'expliquer de cette manière.
Ces oscillation$ donnent localement naissance à de grandes vitesses dans la colonne de gaz qui ce déplace pour le reste suivant un mouvement de translation uniforme, ce qui a pour conséquence une augmentation du coefficient de transmission de la chaleur du gaz à la paroi tubulaire et, par suite, de la chute de température des gaz sur le parcours de mesure, ou des fumées dans les carneaux des chaudières.
Les éléments sont démontables pour permettre leur nettoya- ge. La répartition des orifices sur les tôles peut être diffé- rente, Il s'agit néanmoins dans tous les cas d'une perforation spécifique fine, par exemple de 5000 à 200.000 troue ou orifi- ces par mètre carré. Pour un tube de fumées d'un diamètre ap- proximatif de 2", il faut compter environ par mètre carré 50.000 trous de 2 mm de diamètre.
Des expériences faites sur des chaudières ont prouvé que les éléments de ce type, qui favorisent les échanges calo- rifiques et donnent naissance notamment aux phénomènes préci- tés, permettent de conférer aux conduits de fumées une lon- gueur notablement plus faible, de sorte que, pour une puis- sance donnée, la chaudière peut être beaucoup plus courte que jusqu'à présent. Il en/résulte des surfaces de chauffe plus petites et des pertes de charge réduites et, par conséquent, une diminution du prix de revient et des frais d'exploitation de l'installation.