Echangeur de chaleur, plus spécialement applicable aux machines frigorifiques à air. Cette invention est relative à un échangeur de chaleur applicable aux machines frigori fiques à air, dans lesquelles une masse d'air jouant le rôle d'intermédiaire ou agent fri- gorifére est soumise alternativement à une compression et à une détente suivant un cycle fermé. Une machine de ce genre comprend nue chambre dans laquelle l'air est comprimé et une chambre dans laquelle l'air se détend.
Entre ces deux chambres, l'air passe à tra vers un échangeur de chaleur servant à trans mettre la chaleur de l'air comprimé à une masse de fluide réfrigérant, à travers un ré générateur servant à maintenir une différence de température entre l'air qui y pénètre et l'air qui en sort, et à travers un échangeur de chaleur servant à transmettre la chaleur d'un fluide à refroidir à l'air détendu.
Etant donné que le volume des espaces d'air des échangeurs de chaleur et du ré générateur est constant et que ce volume est interposé entre les chambres de compression et d'expansion, il constitue ce qui peut être considéré comme un espace mort, et il est évident que pour obtenir une action frigori fique assez grande, il faut que cet espace mort soit faible en comparaison du déplace ment du piston. En outre, une grande sur face de transmission doit être exposée à l'air pour transmettre la chaleur de ladite surface à l'air ou de l'air à ladite surface.
Le but de l'invention est d'établir un échangeur de chaleur qui contienne un petit volume d'air, qui comporte une grande sur face exposée à l'air, qui soit facile et bon marché à fabriquer, qui transmette efficace ment la chaleur d'un fluide à l'autre et qui, en même temps, ne comporte que le mini mum de joints à maintenir étanches entre les deux fluides.
Ce but est réalisé en construisant les échangeurs de chaleur de faon qu'ils com portent deux chambres ayant une paroi com mune. Dans chaque chambre, on prévoit une série de lames métalliques allant en s'éloignant de la paroi commune aux deux chambres. De cette façon, une grande surface est ex posée par les surfaces des lames, la chaleur du fluide est facilement absorbée et, en même temps, la chaleur est conduite par les lames à la paroi, à travers celle-ci et dans les lames situées de l'autre côté de la paroi, oit elle est abandonnée à l'autre fluide circulant sur lesdites lames.
Une forme d'exécution de l'objet de l'in vention est représentée, à titre d'exemple, au dessin annexé dans lequel: La fig. 1 est une coupe longitudinale verticale d'une machine frigorifique à air comportant des échangeurs de chaleur; La fig. 2 est un plan de l'organe con tenant l'échangeur de chaleur servant à ab sorber la chaleur de l'air comprimé, la partie supérieure étant arrachée sur une fraction de la circonférence; La fig. 3 est une coupe fragmentaire hori zontale, à plus grande échelle, de l'échangeur de chaleur suivant 3-3, fig. 1;
La fig. 4 est une coupe verticale, égale ment à plus grande échelle suivant 4-4, fig. 2.
On décrira d'abord le fonctionnement de la machine pendant une révolution du vile brequin en se référant à la fig. 1, les mouve ments des pistons étant commandés par le mécanisme que contient le carter.
L'air est comprimé entre un piston com presseur 1 et un piston déplaceur 2. Il est alors transféré par l'intermédiaire d'une lu mière annulaire 3, des espaces compris entre les lames 4 de l'échangeur de chaleur 5, du régénérateur 6 et des espaces compris entre les lames 7 de l'échangeur de chaleur 8 à l'espace situé au-dessus du piston 2 et dans lequel il se détend. L'air est alors ramené, à la pression basse, à l'espace compris entre les deux pistons 1 et 2, par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur 8, du régénéra teur 6 et de l'échangeur de chaleur 5.
Dans l'échangeur de chaleur 5, l'air com primé chaud abandonne sa chaleur aux lames 4 qui la transmettent à la paroi 9 par la quelle elle est transmise aux lames 10. Les lames 10 sont entourées par un fluide ré frigérant tel que l'eau qui, arrivant par la chambre annulaire 11., circule par dessus les lames 10 et pénètre dans la chambre annu laire 12. Des tuyaux 25 et 26 (fig. 4) con duisent le fluide réfrigérant à la chambre 11 et hors de la chambre 12 respectivement. Dans l'échangeur de chaleur 8, l'air détendu froid absorbe la chaleur des lames 7 aux quelles la chaleur a été délivrée par la paroi 13 qui l'avait revue des lames 14, qui avaient elles-mêmes été chauffées par le fluide cir culant sur elles.
Ce fluide peut être tout fluide tel que de l'eau salée qu'on désire réfrigérer et peut pénétrer dans l'espace situé au-dessus du cylindre par la lumière 15, cir culer entre les lames 14 et sortir de la ma chine par un tuyau 16 pour se rendre à une chambre (non représentée) qu'on désire re froidir.
Les échangeurs de chaleur 5 et 8 sont de construction très analogue et l'on ne dé crira, par conséquent, que les détails relatifs à l'un d'eux, à savoir à l'échangeur de cha leur 5. Entre la paroi verticale 9 d'un organe annulaire 17 ayant la forme d'un<B>U</B> renversé et un cylindre interne 18 sont disposées dans des plans radiaux de nombreuses lames rai nurées 4 (fig. 2 et 3). Les lames 4 sont pré- férablement en cuivre ou en un autre métal bon conducteur de la chaleur et peuvent être établies en les façonnant par laminage et les découpant ensuite à la longueur convenable.
Un des bords de chacune des lames 4 touche la paroi 9 et l'autre bord touche l'organe cylindrique 18. Les espaces formés dans les lames 4 constituent le chemin parcouru par l'air jouant le rôle d'intermédiaire et les dimensions de ces espaces, en section trans versale, ne dépassent pas 0,38 millimètre par 7,1 millimètres, tandis que la longueur des lames rainurées, dans le sens du mouve ment de l'air, n'est que de 25,4 millimètres. Dans l'exemple de la fig. . 1, il existe 360 laines couvrant chacune un degré de la circon férence.
Sur la surface externe de la paroi 9 s'adapte exactement un organe cylindrique 19, de préférence en laiton ou autre matière bonne conductrice de la chaleur. Des rainures sont fraisées verticalement dans l'organe 1\f, et des lames 10 sont fixées dans lesdites rainures par exemple par soudage. L'organe 19 est utilisé pour faciliter la construction, mais pourrait être supprimé en fixant directe ment les lames 10 à la paroi 9. Le nombre des lames 10 et leurs dimensions dépendent du fluide utilisé comme réfrigérant. Si ce fluide est l'eau, la quantité de surface néces saire est relativement faible, en comparaison avec la surface des lames 4.
Dans tous les cas, la surface nécessaire peut être obtenue facilement, étant donné que les limitations du volume de fluide imposées relativement aux laines 4 ne s'appliquent pas aux espaces entourant les lames 10. L'épaisseur des lames 4 et 10 est choisie de telle sorte que le rapport de leur conductibilité avec leur pou voir d'absorption de chaleur soit tel que toutes les parties des lames possèdent approximative- rn érrt la même température.
Lorsque les lames 4 et les lames 10 sont assemblées sur la paroi 9, l'échangeur de chaleur 5 est prêt à être placé sur la ma chine. La paroi 5 et la paroi 22 de l'échan geur de chaleur 9 s'adaptent dans des rai nures annulaires formées dans le carter 20 concentriquement au cylindre. Des garnitures annulaires 21 et 23 en matière appropriée, par exemple en caoutchouc, assurent l'étan chéité des joints entre les parois 9 et 22 et le carter 20 dans un but de protection contre les fuites. La paroi interne du cylindre 18 s'emboîte exactement sur la chemise 24 du cylindre.
Le régénérateur 6 est monté au sommet de l'échangeur de chaleur 5 de telle manière que l'ouverture qui débouche dans le régénérateur coïncide avec les lames 4 et que ses parois fassent joint d'une façon étanche avec la paroi 9 et la chemise 24 du cylindre. Les échangeurs de chaleur de l'autre cylindre de la machine de la fig. 1 sont les mêmes que ceux du cylindre décrit. Il res sort de la description qu'il existe une paroi séparant les deux fluides entre lesquels on désire échanger la chaleur, et qu'il n'existe que quatre joints dont il faut assurer l'étan chéité. Ces quatre joints sont tous circulaires et plats et, par conséquent, faciles à munir de garnitures d'étanchéité.
On remarquera ën outre qu'une grande surface est exposée aux fluides avec un volume de métal et de fluide minimum. Comme la vitesse de la machine peut atteindre 250 tours par minute, un cycle d'opérations complet a lieu en moins d'un quart de seconde, et les caractéristiques de cette invention rendent possible d'établir une machine industrielle compacte et de fonctionnement efficace et économique.
D'une façon génzrale, l'invention consiste en une série de lames exposant une grande surface à' un fluide, une paroi de surface relativement faible séparant ce premier fluide d'un second et une série de lames exposant une grande surface #àu second fluide, les lames étant toutes disposées par rapport à la paroi de séparation d'une manière propre à assurer la conduction de chaleur.
Dans la transmission de la chaleur du premier fluide au second, la chaleur est: 1 absorbée par les lames exposées au premier fluide; 2 trans mise par conduction à la paroi séparant les deux fluides; 3 transmise par conduction à travers la paroi séparant les deux fluides; 4 transmise par conduction aux éléments exposés au second fluide; et 5 abandonnée au second fluide par les lames exposées à ce fluide.
Heat exchanger, more especially applicable to air-cooled machines. This invention relates to a heat exchanger applicable to air-cooled machines, in which a mass of air acting as an intermediary or a cooling agent is subjected alternately to compression and expansion in a closed cycle. A machine of this kind comprises a chamber in which the air is compressed and a chamber in which the air expands.
Between these two chambers, the air passes through a heat exchanger serving to transmit the heat from the compressed air to a mass of refrigerant fluid, through a regenerator serving to maintain a temperature difference between the air. which enters and the air which leaves, and through a heat exchanger serving to transmit heat from a fluid to be cooled to the expanded air.
Since the volume of the air spaces of the heat exchangers and of the regenerator is constant and that this volume is interposed between the compression and expansion chambers, it constitutes what can be considered as a dead space, and it Obviously, in order to obtain a sufficiently large cooling action, this dead space must be small in comparison with the displacement of the piston. Further, a large transmitting surface must be exposed to air to transmit heat from said surface to air or from air to said surface.
The object of the invention is to establish a heat exchanger which contains a small volume of air, which has a large surface exposed to the air, which is easy and inexpensive to manufacture, which transmits heat efficiently. from one fluid to another and which, at the same time, has only the minimum number of gaskets to be kept tight between the two fluids.
This object is achieved by constructing the heat exchangers so that they consist of two chambers having a common wall. In each chamber, there is provided a series of metal strips going away from the wall common to the two chambers. In this way, a large area is exposed by the surfaces of the blades, the heat of the fluid is easily absorbed and, at the same time, the heat is conducted by the blades to the wall, through it and into the blades located. on the other side of the wall, where it is abandoned to the other fluid circulating on said blades.
An embodiment of the object of the invention is shown, by way of example, in the appended drawing in which: FIG. 1 is a vertical longitudinal section of an air refrigeration machine comprising heat exchangers; Fig. 2 is a plan of the member containing the heat exchanger serving to absorb the heat from the compressed air, the upper part being torn off over a fraction of the circumference; Fig. 3 is a fragmentary horizontal section, on a larger scale, of the heat exchanger according to 3-3, fig. 1;
Fig. 4 is a vertical section, also on a larger scale along 4-4, fig. 2.
We will first describe the operation of the machine during a revolution of the brequin crankcase with reference to fig. 1, the movements of the pistons being controlled by the mechanism contained in the housing.
The air is compressed between a compression piston 1 and a displacement piston 2. It is then transferred by means of an annular light 3, spaces between the blades 4 of the heat exchanger 5, of the regenerator. 6 and from the spaces between the blades 7 of the heat exchanger 8 to the space located above the piston 2 and in which it expands. The air is then returned, at low pressure, to the space between the two pistons 1 and 2, via the heat exchanger 8, the regenerator 6 and the heat exchanger 5.
In the heat exchanger 5, the hot compressed air gives up its heat to the blades 4 which transmit it to the wall 9 through which it is transmitted to the blades 10. The blades 10 are surrounded by a refrigerating fluid such as l water which, arriving through the annular chamber 11., circulates over the blades 10 and enters the annular chamber 12. Pipes 25 and 26 (fig. 4) convey the refrigerant to chamber 11 and out of the chamber. bedroom 12 respectively. In the heat exchanger 8, the cold expanded air absorbs the heat from the blades 7 to which the heat was delivered by the wall 13 which had seen it from the blades 14, which had themselves been heated by the circulating fluid. culant on them.
This fluid can be any fluid such as salt water that it is desired to refrigerate and can enter the space located above the cylinder through the lumen 15, circulate between the blades 14 and exit the machine through a pipe 16 to get to a room (not shown) that you want to re-cool.
The heat exchangers 5 and 8 are of very similar construction and therefore only the details relating to one of them, namely to the heat exchanger 5. Between the vertical wall will be described. 9 of an annular member 17 having the shape of an inverted <B> U </B> and an internal cylinder 18 are arranged in the radial planes of numerous grooved blades 4 (fig. 2 and 3). The blades 4 are preferably made of copper or another metal which is a good heat conductor and can be made by forming them by rolling and then cutting them to the suitable length.
One of the edges of each of the blades 4 touches the wall 9 and the other edge touches the cylindrical member 18. The spaces formed in the blades 4 constitute the path traveled by the air playing the role of intermediary and the dimensions of these. spaces, in cross section, do not exceed 0.38 millimeters by 7.1 millimeters, while the length of the grooved blades, in the direction of air movement, is only 25.4 millimeters. In the example of FIG. . 1, there are 360 wools each covering one degree of the circumference.
On the outer surface of the wall 9 fits exactly a cylindrical member 19, preferably made of brass or other material which is a good conductor of heat. Grooves are milled vertically in the member 1 \ f, and blades 10 are fixed in said grooves, for example by welding. The member 19 is used to facilitate construction, but could be omitted by directly fixing the blades 10 to the wall 9. The number of blades 10 and their dimensions depend on the fluid used as refrigerant. If this fluid is water, the amount of surface required is relatively small, compared to the surface of the blades 4.
In any case, the necessary surface can be obtained easily, since the limitations on the volume of fluid imposed with respect to the wools 4 do not apply to the spaces surrounding the blades 10. The thickness of the blades 4 and 10 is chosen from such that the ratio of their conductivity to their heat absorption power is such that all the parts of the films have approximately the same temperature.
When the blades 4 and the blades 10 are assembled on the wall 9, the heat exchanger 5 is ready to be placed on the machine. The wall 5 and the wall 22 of the heat exchanger 9 fit into annular grooves formed in the casing 20 concentrically to the cylinder. Annular gaskets 21 and 23 made of suitable material, for example rubber, ensure the sealing of the seals between the walls 9 and 22 and the casing 20 for the purpose of protection against leaks. The internal wall of the cylinder 18 fits exactly on the sleeve 24 of the cylinder.
The regenerator 6 is mounted at the top of the heat exchanger 5 in such a way that the opening which opens into the regenerator coincides with the blades 4 and that its walls form a tight seal with the wall 9 and the jacket 24 of the cylinder. The heat exchangers of the other cylinder of the machine in fig. 1 are the same as those of the cylinder described. It emerges from the description that there is a wall separating the two fluids between which it is desired to exchange heat, and that there are only four seals which must be sealed. These four gaskets are all circular and flat and therefore easy to seal.
It will further be appreciated that a large area is exposed to fluids with a minimum volume of metal and fluid. As the speed of the machine can reach 250 revolutions per minute, a complete cycle of operations takes place in less than a quarter of a second, and the features of this invention make it possible to establish a compact industrial machine and efficient operation and economic.
In general, the invention consists of a series of blades exposing a large surface area to a fluid, a relatively small surface wall separating this first fluid from a second, and a series of blades exposing a large surface area to the second. fluid, the blades all being arranged relative to the partition wall in a manner suitable for ensuring the conduction of heat.
In transmitting heat from the first fluid to the second, the heat is: 1 absorbed by the blades exposed to the first fluid; 2 transmitted by conduction to the wall separating the two fluids; 3 transmitted by conduction through the wall separating the two fluids; 4 transmitted by conduction to the elements exposed to the second fluid; and surrendered to the second fluid by the blades exposed to that fluid.