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Cylindre chauffant.
Pour transférer de la chaleur sur des bandes de matériaux les plus divers, on utilise souvent des cylindres ou des tambours rotatifs chauffants. Un tel transfert de chaleur est nécessaire, par exemple, pour le séchage.ou le doublage de matériaux en bandes.
Il doit dans ce cas régner à la surface toute entière du cylindre une température réglable aussi régulière que possible, même si l'échange thermique est différent dans les différentes régions de la surface du cylindre et est par exemple plus petit vers les bords
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qui ne sont pas recouverts que'dans la partie centrale recouverte.
On connaît déjà diverses structures de cylindres.chauffants dans lesquelles ces exigences sont ou bien insuffisamment satisfaites ou bien ne sont atteintes qu'aux prix d'une grande dépense d'appareillage.C'est ainsi que l'ion connaît des cylindres remplis d'air et chauffés électriquement²dans lesquels la chaleur est produite par des éléments chauffants électriques et est transférée par la connection de l'air et en même temps par le rayonnement calorifique sur les parois du cylindre. Cependant en raison du faible coefficient de transfert de la chaleur et de l'irrégularité de l'échange thermique, ceci conduit souvent à une répar.tition inégale de la température à la surface du cylindre.
Il est en général impossible de diminuer dans une mesure suffisante cette répartition de la température par des mesures correctives comme par exemple le renforcement partiel du chauffage., Les corrections ne sont d'ailleurs possibles que si la température de la surface du cylindre peut être mesurée en de nombreux endroits et que l'on peut partiellement régler 1 intensité du chauffage d'après ces mesures. - ..
On connaît aussi des cylindres chauffants qui sont traversés par de:: liquides chauds tels que l'eau, l'huile ou autres liquidés, de transfert de chaleur. Mais ces cylindres présentent toujours une chute de température dans la direction du courant de liquide chauffant. Par ailleurs, l'emploi de ces cylindres traversés par un courant de liquide chaud est coûteux et sujet à incidents au point de vue technique car il est nécessaire pour les faire fonctionner de recourir à des pompes, des échangeurs de Valeur, des presse, étoupe etc...
Enfin on connaft aussi des cylindres dans lesquels on utilise comme agent chauffant de la vapeur, notamment de la vapeur d'eau dont le dégagement s'effectue en dehors du cylindre. Par la condensation des vapeurs on obtient des transferts de chaleur très élevés...
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La. régularité de la température à la surface du cylindre, et son adaptation aux échanges calorifiques inégaux et variables sont également grandement améliorées par l'emploi de vapeur , comme agent de transfert de la chaleur. Cependant, dans les appareils connus, la dépense en investissements est élevée. Les ,cylindres à partir d'un certain volume et d'une certaine pression. doivent être conçus comme des récipients résistant à la pression et le conduit d'amenée de la vapeur ainsi que celui d'évacuation de la portion condensée doivent utiliser des presse-étoupe. Ces organes nécessitent une surveillance et présentent l'inconvénient d'offrir.une grande résistance mécanique qui rend toujours nécessaiire de prévoir un entrainement du cylindre.
En outre, nécessaire de prévoir un entraînement du cylindre. En outre, on a besoin d'abaques de réglage pour la pression de vapeur.
Les cylindres chauffants conformes à l'invention évitent ces inconvénients. Le cylindre creux selon l'invention est caractérisé par le fait que l'espace interne du cylindre constitue un système clos étanche aux gaz, formé par la paroi du cylindre et ses deux fonds, système dans lequel se trouve comme agent de transfert de la chaleur un liquide chauffant ou un mélange de liquide chauffant ainsi que la phase gazeuse correspondante et dans lequel sur au moins l'un des fonds sont montés des éléments permettant l'introduction de l'énergie nécessaire pour le chauffage du mélange liquide/vapeur.
Le cylindre selon l'invention.permet grâce à la suppression d'une série d'organes auxiliaires jusqu'ici nécessaires, comme.. notamment les presse-étoupe, de,mettre pleinement à profit l'avantage du chauffage à la vapeur saturante avec l'obtention d'un coefficient de transfert de la chaleur le plus élevé possible.
Un autre avantage des cylindres dépourvus de presse-étoupe est . leur faible résistance à la rotation qui se limite à la résistance des paliers et des bagues collectrices. Dans bien des cas, on peut se dispenser de prévoir un entrafnement du cylindre, ce qui est particulièrement simple au point de vue technique et peu coûteux.
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Le cylindre selon l'invention est constitué par un cylindre creux fermé à ses deux extrémités'par des fonds étanches aux gaz et aux liquides. Chacun des deux fonds se prolonge par un arbre et le cylindre est, de façon en soi connue, supporté dans des paliers, par l'intermédiaire de ces arbres.
Sur les fonds du cylindre sont montés en outre par exemple par soudure un ou de préférence plusieurs éléments chauffants, le plus souvent des baguettes chauffantes. Les éléments chauffants s'étendent avantageusement sur toute la longueur ou sur presque toute la longueur du cylindre. En vue de l'alimentation en énergie calorifique, les extrémités de ces éléments chauffants sont en contact avec l'espace extérieur au.cylindre. Les éléments ! chauffants sont souvent'chauffés électriquement. Le cylindre peut ; cependant en principe être chauffé autrement, par exemple par des flammes.
Dans le cas du chauffage électrique, il est recommandable de'disposer deux ou plusieurs baguettes chauffantes symétriquement par rapp ort à l'axe du cylindre,.sur l'un seulement des deux fonds; ces éléments étant munis d'organes de connexion électrique usuels qui font saillie sur la paroi extérieure du fond, Le courant électrique peut alors être envoyé aux baguettes chauffantes de façon usuelle par exemple par une ou plusieurs bagues collectrices fixées sur l'arbre voisin supportant le cylindre et qui sont reliées électriquement aux organes de connexion.
Dans la plupart des réalisations possibles selon l'invention, les baguettes chauffantes sont directement en contact avec un liquide chauffant, ce qui assure un transfert de calories particulièrement satisfaisant. On peut cependant aussi
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utiliser des dispositifs dans lesquels les baguettes chauffantes se trouvent à l'Intérieur d'enveloppes étanches aux liquides et aux vepeurs telles que des tubes protecteurs qui sont à leur tour montés de façon étanche aux liquides et aux vapeurs sur les fonds du cylindre. Ces dispositifs présentent l'avantage que les baguettes chauffantes peuvent être facilement et commodément changées depuis l'extérieur.
Cependant, du fait-de la couche d'air qui se trouve entre les éléments chauffants et la paroi interne de l'enveloppe, il faut compter avec un plus faible coefficient de transfert de la chaleur et prévoir par suite une température superficielle plus élevée pour les éléments ' chauffants.
Dans l'espu@e interne du cylindre se trouve le liquide chauffant. Il suffit d'avoir une quantité de liquide telle que, dans les conditions de température où le cylindre doit fonctionner' l'élément chauffant le plus bas au moins soit entièrement mouillé.
Dans bien des cas on choisit une quantité de liquide suffisante pour remplir à la température ambiante, environ la moitié du volume de l'espace interne du cylindre.
Les liquides chauffants utilisables sont tous ceux qui pour les températures de chauffage utilisées et dans les conditions de pression qui s'établissent dans le système clos, ne se modifient pas chimiquement et n'attaquent pas les parois internes du cylindre et les baguettes chauffantes. On peut utiliser en particulier l'eau, des huiles stables à la chaleur et d'autres liquides ou mélanges de liquides tels que par exemple le produit vendu dans le Commerce sous la marque déposée "Diphyl" qui est un mélange eutectique de diphényle et de diphénylèneoxyde. Le choix du liquide est. déterminé par le domaine de température dans lequel le cylindre doit fonctionner ainsi que par la pression maxima de fonctionnement admissible pour le matériel.
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Les grande cylindres sont avantageusement munis dans leur espace interne d'un ou de plusieurs dispositifs de compartimentage. Souvent on prévoit un seul dispositif de ce genre, ayant la forme d'un cylindre fermé disposé de façon à former, entre sa paroi extérieure et la paroi interne du cylindre chauffant, un espace creux annulaire dans lequel sont disposés le liquide de transfert de la chaleur ainsi que les éléments chauffants. On peut cependant aussi monter deux ou plusieurs cylindres plus petit de .préférence symétriquement,. entre les deux fonds du cylindre principal.
Ces dispositions présentent l'avantage que l'on, peut obtenir le transfert souhaité de chaleur avec des quantités relativement faibles de liquide, de sorte que la capacité calorifique du cylindre reste proportionnelle-! ment faible, ce qui est avantageux pour un chauffage rapide du -..
..cylindre à la température élevée.
La mesure de la 'température est avantageusement liée avec un 'dispositif de réglage automatique de la température. On utilise pour cela des dispositifs usuels comme par exemple des manomètres à contact ou des sondes thermiques reliés à des thermomètres à résistance ou à des thermoéléments. Dans ces dispositifs, les valeurs mesurées ou les impulsions de commutation électrique peuvent être transmises à l'extérieur par des bagues de contact particulières.
Afin d'avoir un transfert maximum de chaleur entre l'espace occupé par la vapeur et les parois du cylindre chauffant, cet espace doit être pratiquement débarrassé de gaz et en particulier dair. Dans ce but, il est avantageux de prévoir sur l'un des fonds du cylindre un orifice de purge d'air susceptible d'être fermé de façon étanche à la vapeur. Cet orifice peut aussi servir pour l'introduction du liquide de transfert de la chaleur. Après
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le remplissage avec ce liquide, on chauffe ce dernier en . laissant ouvert l'orifice de purge d'air, jusqu'au point d'ébullition du liquide, (c'est-à-dire 1000 C pour l'eau et 2550 pour le Diphyl) et on maintient cette température jusqu'à ce que tout l'air ait été chasse et que l'espacee interne ne soit rempli que de vapeur pure.
L'orifice de purge peut alors être fermé avec un bouchon par scellement ou soudure.
Le mode de fonctionnement d'un tel cylindre clos garni et chauffé est le suivant :pendant la rotation du cylindre, les éléments chauffants inférieurs qui baignent dans le liquide à la partie basse du cylindre échangent leu chaleur avec ce liquide avec un coefficient de transfert calorr@ique relativement élevé, de sorte que la surface des éléments chauffant est soumise à une surchauffe faible, de quelques degrés C seulement. On obtient ainsi pour de faibles densités de courant, par exemple de l'ordre de 1 watt par cm2 de surface d'élément chauffant, une durée de vie pratiquement illimitée des baguettes chauffantes.
Dans l'espace occupé par la vapeur , il s'établit une pression correspondant à la pression de vapeur du liquide.
Les éléments chauffants qui traversent l'espace rempli de vapeur échangent leur chaleur avec un coefficient de transfert relativement faible mais il n'apparalt cependant pas de surchauffer importante à la'surface de ces éléments car une quantité de chaleur relativement élevée est consommée pour vaporiser le liquide qui mouille encore les éléments chauffants et en outre, la durée de passage dans l'espace occupé par la vapeur est en règle générale de quelques secondes seulement. Ainsi, il n'y a pas non plus de risque d'une altération ou d'une décomposition des liquides peu résistants à la chaleur, au moment de la réimmersion des baguettes chauffantes dans le liquide.
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Etant donné que l'espace surmontant la surface libre du liquide est rempli de vapeur saturante sous une pression pratiquement à l'équilibre, il règne dans cet espace une température également en équilibre. Chaque retrait de calories; par les parois et les fonds du cylindre a aussitôt pour effet une condensation de vapeur au cours de laquelle la chaleur de vaporisation est libérée, ce qui fournit les calories nécessaires à l'échange avec des différences de température minimes, même lorsque l'échange varie d'intensité d'une région à l'autre de la surface du cylindre. Grâce aux coefficients de transfert calorifique très élevés des vapeurs saturantes (pour la vapeur d'eau le coefficient de transfert calorifique est de l'ordre de 10.000 kcal/m2.h.
C), on peut réaliser des échanges thermiques' d'intensité élevée, comme cela est nécessaire pour le séchage des matières humides, sans crier de chute notable de la température
Dans la. partie basse du cylindre qui est remplie de liquide, s'établissent, en raison de l'apport de chaleur qui est réparti uniformément sur toute la longueur du cylindre, des rapports de température pratiquement équilibrés. Le transfert des calories . entre les éléments chauffants et le liquide de transfert thermique est plus faible que celui qui s'effectue dans l'espace occupé par la vapeur dont il ce représente que 1/5 à 1/10 environ mais il reste cependant encore assez élevé en valeur absolue.
Si l'on travaille comme il est souvent préféré, à des températures inférieures au point d'ébullition du liquide sous la pression atmosphérique, il règne une dépression dans l'espace interne du cylindre. La pression de la vapeur agissant dans ce cas sur les parois du cylindre est toujours plus faible que 1 atmosphère. Il est alors possible de n'avoir pour les parois du cylindre que des épaisseurs relativement minces et d'obtenir ainsi un établissement et un réglage très rapide de la température.
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On peut bien entendu travailler également avec des températures supérieures au point d'ébullition du liquide à la pression atmosphérique. Il apparaît dans ce cas dans l'espace interne du cylindre, selon la température utilisée, une surpression plus ou moins importante. La valeur de la pression maxima admissible n'a pas d'importance et elle dépend surtout, comme dans les dispositifs antérieurement connus, de la résistance'du mat4riau constitutif des parois du cylindre.
L'invention est illustrée par les Fig. 1 à 3 annexées.
La Fig. 1 représente une coupe à travers un cylindre clos comportent une enveloppe 1, deux fonds 2 et deux arbres supports 3 qui tournent dans des paliers 4. Les baguettes chauffantes 5 sont soudées dans le fond gauche 2 et elles s'étendent sur presque toute la longueur du cylindre. Elles comportent des organes de connexion électrique 6 qui se prolongent à l'extérieur du fond du cylindre. L'amenée du courant aux organes de connexion 6 s'effectue au moyen des bagues collectrices 7 fixées sur l'arbre 3 de gauche et par les conducteurs d'arrivée et de départ 8. Le liquide de transfert de la chaleur est indiqué par la référence 9, et 10 est l'orifice de dégazage susceptible d'être fermé par soudure. C'est par cet orifice que.l'air est chassé par la vapeur développée par le liquide de transfert, au moment de la mise en route du dispositif.
La mesure de la température s'effectue par la sonde 11 qui est connectée au thermoélément 12 disposé dans l'arbre 3 à la droite du cylindre,
La Fig. 2 représente une coupe à travers un cylindre qui se distingue de celui de la Fig. 1 par le fait qu'il comporte un compartiment cylindrique annulaire délimité par la paroi 13.
La Fig. 3 représente une coupe à travers un élément chauffant interchangeable 5 en forme de baguettes qui se trouve placé dans-un tube de protection 14 dont l'extrémité 15 est fixée dans le fond 2 du cylindre. j