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Echangeur de chaleur à refroidissement par air pour le re-
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L'invention concerne un 'changeur de chaleur à re- froidissement par air pour le refroidissement de liquides, notamment de liquidée de haute viscosité.
Le refroidissement de liquides utilisant l'air comme . médium de refroidissement s'effectua jusqu'à ce jour pres- que exclusivement au moyen d'échangeurs tubulaires cons- titués par des tuyaux de section circulaire ou ovale.
Le liquide à refroidir traverse les tuyaux tandis que l'air baigne leur surface munie de nervures et se charge de la chaleur. La conduite des médiums échangeant la chaleur s'effectue soit par courants croisés soit par contre-courants croisés. Le courant du liquide traversant l'échangeur est un courant contraint., le courant du liqui-
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de total étant subdivisé en de nombreux courants partiels dont chacun charrie de préférence une quantité identique de liquide en produisant la même température finale par l'efficacité identique des surfaces assurant l'échange de la température.
Le rendement des échanges produits par l'échangeur de chaleur dépend - à part d'autres fac- teurs - principalement de la vitesse et de l'état du cou- rant, l'obtention d'un courant de vitesse uniforme rencon- trant des difficultés dans les courants partiels. Il est d'autant plus difficile de maîtriser la vitesse du courant du liquide dans l'échangeur que le parcours dans les canalisations séparées est plus long.
La configura- tion du courant est soumise à des variations continuelles et ne peut âtre stabilisée que par des mesures construc- tives onéreuses, particulièrement par étranglement du liquide lors de son entrée,
Des échangeurs de chaleur tubulaires à haut rende- ment sont réalisés par des faisceaux de tuyaux courts disposés les uns derrière les autres pour remédier à ces inconvénients, en interposant chaque fois entre deux faisceaux une chambre de mélange de sorte qu'une égalisa- tion de température et de pression y a lieu, Les avanta- ges d'un échangeur tubulaire de l'espèce consistent - à part l'obtention d'une égalisation de températures et de pression et, par conséquent,
de petites différences né- gligeables qui en découlent et concernent la vitesse du courant et la température finale dans les différente fais- ceaux - en ce que l'on peut composer des unités d'échan- geurs de chaleur pour des rendements quelconques et pour toutes conditions de service par des éléments de base de forma et de dimension identiques, à savoir par des tuyavx réalisés pour servir à l'échange des températures. Les
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tuyaux sont réalisés surtout au point de vue de la meil- leure transmission de chaleur de la paroi du tuyau vers l'air en assurant les frais de fabrication les plus mini- mes.
Les échangeurs de chaleur de l'espèce décrite ont fait leur preuve lors d'échanges à rendements importants, c'est-à-dire en cas d'une différence importante entre la température à l'entrée et celle à la sortie des médiums échangeant leur température. Pour refroidir des médiums de haute viscosité où la différence entre les températures d'entrée et de sortie ne sont que minimes, ces échangeurs ne sont pas appropriés. Le refroidissement de liquides de haute viscosité exige des sections larges, et libres, des conduites de traversée tout en présentant des diamè- tres hydrodynamiques minimes ce qui n'est pas réalisable par les échangeurs de chaleur tubulaires de construction connue.
On a déjà essayé d'augmenter le degré de tour- billonnement au moyen de rubans tournoyants, d'éléments créant des remous, de surfaces de chocs ou similaires pour diminuer le diamètre hydrodynamique et augmenter ainsi le rendement des échanges. L'augmentation du tour- billonnement a toutefois comme conséquence une chute de la pression de sorte que cette voie n'a qu'un effet res- treint. Il en est de même de la proposition de diminuer du diamètre les diamètres hydrodynamiques par la diminution/du tuyau.
Cette dernière mesure do diminuer le diamètre du tuyau oc- casionne encore le désavantage de la diminution de la sec- tion du courant ce qui diminue sensiblement le rendement du flux ainsi que l'obstruction des tuyaux avec la consé- quence d'une diminution complémentaire du rendement du flux. Ceci est surtout valable pour le refroidissement de liquides de haute viscosité, par exemple d'huiles pour
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lesquelles il faut toujours tenir compte des dépota et de incrustations. De pareils dépota ne sont condition- nés ni par un certain niveau de température ni à certaine chute de température entre l'huile et le médium de refroi- dissement de sorte que des sections larges et libres sont indispensables pour éviter des obstructions lors du re- froidissement de liquides à haute viscosité.
La réalisation de larges sections libres pour le courant disposant de diamètres hydrodynamiques minimes ne peut être obtenue que par des canaux rectangulaires de petite hauteur et de grande largeur. Des échangeurs de chaleur à plateaux qui permettent la création de pa- reils canaux présentent toutefois une série d'inconvé- niants importants qui sont la cause de ce que l'on ne les utilise que rarement poux* le refroidissement de liqui- des, notamment de liquides de haute viscosité.
Le désavantage des échangeurs à plateaux réside es- sentiellement dans le fait que des plateaux de dimensions déterminés sont requis pour chaque largeur de la zone de refroidissement - c'est la différence entre la températu- re d'arrivée et la température de sortie du liquide.
Ceci trouve son origine dans le fait que d'une part la profondeur des plateaux est prédéterminée par le parcours de l'air de refroidissement variable uniquement dans des limites !-,de plus étroites et que, d'autre part, la hauteur des canaux du flux, c'est-à-dire la distance entre les plateaux doit être choisie en conformité suivant les va- leurs matérielles du liquide, de sorte qu'une seule va- riante est disponible, soit la largeur du canal, pour réa- liser la quantité requise de la traversée du liquide.
Comme de plus, la largeur de la zone de refroidissement, c'est-à-dire la chute de la température dans le refroidis-
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seur, est déterminée par la longueur du parcoure de re- froidissement une largeur bien fixée des plateaux est ré- servée aux échangeurs contre-courant croise avec des per- tes de pression prédéterminées tant pour l'air de refroi- dissement que pour le liquide et sous condition complémen- taire d'un volume de courant identique pour chaque largeur de la zone de refroidissement.
La réalisation d'échan- geurs à plateaux au moyen d'éléments toujours identiques pour chaque but d'application n'est donc pas possible. /
Le problème de base de l'invention est de créer un/ échangeur de chaleur qui joint aux avantages des écho),.- geurs tubulaires ceux des échangeurs à plateaux, c'est- -à-dire de réaliser un échangeur de chaleur possédant des canaux larges et libres pour les liquides et présentant un diamètre hydrodynamique restreint qui permet la maitri- se des vitesses de courant par des moyens simples et qui peut être construit pour chaque but à partir d'éléments toujours identiques.
L'invention consiste dans le fait que des tuyaux à nervures intérieures et de section rectangulaire sont combinés pour conduire le gaz de refroidissement vers le** ensembles de tuyaux et que les différents ensembles munis de bandes de direction connues forment des canaux pour le flux du liquide à refroicir de telle façon que le liquide est conduit à travers 1'échangeur de chaleur en contre-courant croisé, tous les plans du flux du liqui- de se trouvant reliés à l'endroit des renversements.
De cette façon il est possible de réaliser des échan- geurs de chaleur pour tous les buts quelconques à parti? d'éléments de construction toujours identiques. La hau- teur du courant liquide peut être variée dans de larges limites allant jusqu'au film de liquide par la variation
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de la distance entre les couches de tuyaux tandis que la largeur du canal est déterminée par 1, choix de la distance entre les bandes directrices, leur amplifier le parcours du courant du liquide, c'est-à-dire pour agrandir la largeur de la zone de refroidiusement, il est uniquement nécessaire -d'augmenter la largeur de cha- que couche d'un ou de plusieurs tuyaux rectangulaires, suivant les besoins, et d'insérer un nombre correspon- dant de bandes directrices.
Un échange de température et de pression entre les couches par le canal de liaison a lieu lors de chaque renversement du courant de sorte que les vitesses de parcours dans les canaux d'une couche cont pratiquement identiques. Un autre avantage réside dans 1... fait qu'en cas d'obstruction d'un canal par in- crusta@@@ ce n'est pas le rendement de refroidissement de la coucha entière qui est supprimé mais seulement le rendement du canal en question. De cette façon, la pé- rennité de l'échangeur de chaleur ou d'une série d'échan- geurs est considérablement augmentée. Le fait que l'obstruc- tion des canaux par forte réfrigération dû à la compen- sation des températures continuelles aux renversements diminue considérablement, contributégalement à ce ré- sultat.
Les dessina annexés montrent un échangeur de chaleur conformément à l'invention. D'autres particularités sont expliquées au moyen de cet exemple d'exécution.
Les dessins montrent par la fig. 1 une vue perspective, partiellement ouverte, d'un 'Moment de construction séparé avec les nervures in- térieures, tel qu'il est utilisé pour la construction d'un (changeur de chaleur conformément à l'invention,. la fig. 2 une vue en coupe obtenue par une coupe le long de la ligne III-III (fig. 3) et montrant la disposi- tion des fers plats soudés qui servent de bandes direc-
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triées entre les couches d'éléments de construction sui- vant la fig. 1 ainsi que les cloisons de l'échangeur, la fig. 3 la vue en perspective de l'échangeur de chaleur en son intégralité qui est démontré en deux par- ties pour mieux faire reconnaître ses éléments de cons- truction;
la fig. 4 la vue entière latérale d'un échangeur de chaleur partiellement ouvert et muni de la soufflerie à air de refroidissement.
Dans ces figures, on désigne par 1 un élément de construction comprenant en principe une enveloppe 2 en forme de rectangle aplati et ouvert des deux côtés opposée et dont la section libre est munie de nervures 3.
Ces nervures occupent toute la longueur de l'élément 1. ainsi que sa largeur. Elles consistent ici en deux élé- ments insérés 3' et 3" contraints les uns par les autres et reliés fermement de manière connue à la paroi intérieu- re de l'enveloppe 2 en assurant une bonne transmission de chaleur, par exemple par soudure ou galvanisation en bain.
Les éléments de construction décrits plus haut et présentant des contours rectangulaires sont disposés les uns à côté des autres dans des couches et ces couche. sont disposées les unes au-dessus des autres par étages, comme il ressort de la fig. 3. Entrejces couches il exis- te une distance qui doit fournir la section du courant du liquide à refroidir. Cette distance 4 entre les cou- ches ou la dimension de la section libre du courant du liquide à refroidir est déterminée par l'épaisseur des bandes 4' directrices et assurant la distance, ces bandes ayant la forme de profilés plats soudés utilement sur les couches formées par les éléments de construction suivant la fig. 1 et qui servent à diriger la liquide à l'inté-
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rieur des espaces ainsi formée.
Ces bandes 4' portent à leurs extrémités des cheviller filetées 5' afin de pouvoir monter sur celles-ci les cloisons latérales 5 et 5" munies de perforations correspondantes et pour. pouvoir lesy fixer, des barres profilées 6, verticales, ayant été montées en premier lieu, ces dernières assez- blant les étages des couches d'éléments de construction dans leur position superposée et qui sont fermement sou- dées aux éléments de construction de ces couches.
Dans l'exemple exposé, des espaces verticaux ou canaux 16 sont formés entre les cloisons 5 ou 5", d'une part, et les surfaces latérales des éléments de construction ex- térieurs, d'autre part, et qui sont disposera perpendicu- lairement à la direction du courant du médium de refroi- dissement et forment les couches de l'échangeur de cha- leur ; ces espaces ou canaux sont reliés aux sections du courant 4 entre les différentes couches, c'est-à-dire à tous les étages du courant du liquide, ces étages étant créés par la distance 4 précitée.
Comme il est signifié au moyen de flèches par les figs. 2 et 3, le liquide à refroidir entre par la condui- te d'alimentation 7 et, ensuite, par les canalisations de déviation 8 dans les chambres de distribution 9 de l'échangeur de chaleur, traverse ensuite les sections li- bres entre les différentes couches d'éléments, à savoir suivant l'exemple représenté en contre-courant croisé aux chambres 10 et communique ainsi sa chaleur; par les con- duites de déviation 11 et le collecteur 12 le liquide re- froidi est évacué de l'échangeur.
L'air de refroidissement est pressé, de façon connue, par une soufflerie disposée axialement 13 (fig. 4) munie d'un diffuseur 14, à travers tous les éléments de cons-
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truction 1 de l'échangeur de chaleur dans le sens des flèches 15.
Par les représentations on reconnaît de quelle façon la liberté de former les sections, inconnues à ce jour, est maintenant possible et les avantages des échangeurs de chaleur par plateaux sont utilisés tout en donnant. , ceux-ci d'une façon particulièr ement économique une dis- position qui ne leur était pas donnée à ce jour. Cette disposition est importante pour le rendement du fonction- nement lors du refroidissement d'un liquide de haute via- cosité et à point élevé de prise par le fait que ce der- nier ne peut être dépassé dans les différents canaux avant que le liquide n'ait atteint la fin du parcours de refroidissement pour se mélanger avec des courants plus chauds de liquide provenant d'autres canaux.
Comme on doit compter, en tout cas, lors du refroidissement de liquides de haute viscosité, avec des dépôts de matière solide se manifestant en quelque endroit et influençant désavantageusement le temps du travail, les canaux de liaison prévus suivant l'invention aux endroits de ren- versement prennent une importance décisive.
Ceci peut être décelé par l'exemple suivant :
Dans le cas d'un échangeur présentant 10 étages pour le parcours du liquide et à chaque étage 10 endroits de renversement de courant et en cas d'une obstruction dans la section d'un canal d'un étage de parcours du liquide entre deux renversements de courant a) sans la présence des canaux de liaison suivant l'invention une diminution de rendement de 10% a lieu b) en présence des canaux de liaison suivant l'in- vention une diminution de 1% a lieu.
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Lorsqu'une obstruction d'un secteur de canal, à tous les étages, a lieu entre deux renveraumenta de courant, a) sans présence de canaux de liaison une diminution du rendement de 100% a lieu b) en présence des canaux de liaison suivant l'inven- tion une diminution du rendement de 10% seulement a lieu.
Les canaux de liaison ont une influence sur le dép8t de matières solides provenant du liquide parce que par la suppression d'un refroidissement trop fort et inadmissible la sédimentation diminue considérablement.
Il va sans dire que le terme "air" comprend toutes les espèces de gaz appropriés au refroidissement, c'est- -à-dire l'air atmosphérique, l'acide carbonique, l'azote ou similaires.
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