Appareil pour l'échange de chaleur. Depuis la réalisation des radiateurs d'au tomobiles à nid d'abeilles, des efforts suivis ont été tentés pour l'obtention d'appareils thermiques au moyen d'éléments d'échange de température formés suivant la même concep tion. Les études faites à ce sujet n'ont pas donné de résultats pratiques permettant de fabriquer industriellement les divers appa reils de transmission de chaud ou de froid d'après le principe du nid d'abeilles.
L'objet de la présente invention est un appareil pour l'échange de chaleur, caracté risé en ce qu'il présente au moins un faisceau de tubes dont au moins les extrémités sont de section polygonale.
Le dessin ci-joint montre, à titre d'exemples, plusieurs formes d'exécution de l'appareil suivant l'invention. Sur ce dessin: Fig. 1 est un tube à extrémités polygo nales, partie en coupe longitudinale, cer taines formes d'exécution de l'appareil selon l'invention présentant un faisceau de tels tubes; Fig. 2 est une section suivant la ligne A-B de la fig. 1; Fig. 3 à 8 sont d'autres formes de tubes, partiellement en coupe longitudinale, desti nés à constituer d'autres formes d'exécution de l'appareil selon l'invention;
Fig. 9 est une section suivant la ligne A-B dé la fig. 8; Fig. 9bis est une section à travers un tube à surface d'échange agrandie; Fig. 10 est une coupe longitudinale d'une première forme d'exécution de l'appareil selon l'invention; Fig. 11 est une coupe horizontale suivant la ligne C-D de la fig. 10; Fig. 12 est une coupe longitudinale d'une autre forme d'exécution de l'appareil selon l'invention;
Fig. 13 est une coupe suivant la ligne D-I' de la fig. 12; Fig. 14 est une coupe longitudinale d'une troisième forme d'exécution de l'appareil se lon l'invention; Fig. 15 est une coupe suivant la ligne G-H de la fig. 14; Fig. 16 représente une autre forme d'exé cution de l'appareil destinée à être utilisée comme radiateur de chauffage; Fig. 17 est une coupe longitudinale d'une cinquième forme d'exécution constituant une chaudière verticale;
Fig. 18 est une coupe, partie suivant la ligne<I>1-J,</I> partie suivant la ligne F-J', de la fig. 17; Fig. 19 est une coupe longitudinale d'une sixième forme d'exécution constituant une chaudière horizontale; Fig. 20 est une coupe longitudinale d'une septième forme d'exécution constituant une chaudière à chargement central; Fig. 21 est une coupe, partie suivant la ligne 1@ -L, partie suivant la ligne K'-L', de la fig. 20;
Fig. 22 est une coupe longitudinale d'un faisceau tubulaire d'une forme d'exécution de l'appareil, constituant une chaudière de loco motive; .
Fig. 23 est une coupe suivant la ligne <B><I>31-N</I></B> de la fig. 22.
Les fig. 1 et 2 montrent un tube isolé d'un faisceau, de section circulaire et à ex trémités polygonales 2. Ces extrémités peu vent être concentriques par rapport au tube 1, comme représenté, ou excentrées. Les ex- trémités du tube de la fig. 3 sont constituées par des coupelles 3 rapportées par soudure au tube 1. Dans le tube de la fig. 4, un des pans de chacune des extrémités polygonales comporte une échancrure 4 destinée au pas sage d'un fluide lorsque le tube est fermé aux deux bouts.
Les tubes ondulés 5 suivant la fig. 5 absorbent l'effet de la dilatation, ce qui est particulièrement important pour des tubes d'une certaine longueur.
Dans la fig. 6, la surface d'échange du tube est augmentée par des ailettes héli coïdales 6 rapportées à l'extérieur du tube. Dans la fig. 7, des ailettes 7 intérieures for ment chicanes créant une action retardatrice au passage du fluide circulant dans le tube, en l'obligeant à faire un parcours plus grand, d'où meilleur échange de température. Le tube 8 représenté aux fig. 8 et 9 contient des tubes 9 parallèles entre eux et à l'axe du tube 8. Ces tubes 9 sont fixés au tube 8 et rendus étroitement solidaires entre eux pour augmen ter ainsi la surface d'échange.
Le tube 54 re présenté à la fig. 9bis est de section polygo nale sur toute sa longueur et renferme un tube cylindrique 55 en contact avec lé tube 54 par des cornières 56, ce qui assure une surface d'échange très grande pour un en combrement minimum.
L'appareil représenté en fig. 10 et 11 est constitué par un faisceau tubulaire 10 formé au moyen de tubes tels que celui de la fig. 1, assemblés les uns à côté des autres en joi gnant les extrémités polygonales suivant leur contour, par exemple par soudure. Ce fais ceau 10 est placé dans une virole cylindrique 11 dont les bords 12 sont joints par soudure avec le contour 13 des extrémités du faisceau. d'une façon étanche, en rabattant les bords de la virole sur ce contour. Dans l'appareil des fig. 12 et 13, les bords de la virole ne sont pas rabattus, mais une plaque 16 est interposée entre la virole et les pans extérieurs des po lygones.
Des plaques 17 obturent les deux bouts des tubes qui sont du type représenté en fig. 4, afin de communiquer entre eux par des échancrures 4. Les tubes ainsi réunis as surent une surface maximum dans un vo lume très réduit. De plus, le faible écart en tre les tubes augmente la transmission entre le fluide situé en dedans et celui situé en dehors des tubes.
La virole cylindrique 11 comporte une tu bulure d'entrée 14 et une tubulure de sortie 15. Les plaques 17 portent l'une un orifice d'entrée 18 et l'autre un orifice de sortie 19. Dans le faisceau, le fluide parcourt le chemin. indiqué par les flèches, ce qui assure l'utilisa tion la plus efficace des calories ou frigories à absorbèr ou à transmettre.
Les fig. 14 et 15 montrent une forme d'exécution constituant un appareil frigori- fère. Il comprend un faisceau analogue à ce lui de l'appareil des fig. 10 et 11. Le fluide réfrigérant entre dans une virole par une tu- bulure 14 et en , ressort par une tubulure 15. <B>En</B> circulant autour des tubes du faisceau, il refroidit rapidement et efficacement le fluide ou l'air circulant dans les tubes du faisceau. Le fluide ou l'air refroidi est conduit et ré parti ensuite suivant sa destination.
L'appareil de la fig. 16 constitue un ra diateur de chauffage présentant les éléments décrits ci-après. La surface d'échange de ce radiateur est constituée par toute l'enveloppe extérieure 20 et par toute la surface intérieure des tubes du faisceau 20a dans lesquels cir cule l'air à réchauffer. Cette très grande sur face d'échange sous un volume réduit, dimi nue l'encombrement du radiateur dans des proportions importantes. Cet ensemble peut être placé dans la pièce à chauffer ou bien à refroidir en encoignure sur une colonne 21 percée à sa base d'ouvertures 23 pour laisser entrer l'air à refroidir ou à chauffer. La dé pression causée par le radiateur fait monter l'air dans la colonne, il passe et se réchauffe dans l'intérieur des tubes du faisceau et se diffuse à la partie supérieure.
L'ensemble de la tuyauterie de départ et de retour peut être dans le plafond ou dans la corniche.
L'appareil représenté en fig. 17 et 18 est une chaudière verticale comprenant un faisceau tubulaire formé par des tubes tels que ceux de la fig. 7, soit avec des chicanes hélicoïdales 7. Les extrémités polygonales des tubes ne sont pas représentées. La chau dière comporte un socle 24 ayant une ouver ture 25 pour le passage du corps d'un brûleur, par exemple au mazout. La partie supérieure du socle est fermée par une tôle qui porte une ouverture 27 pour le passage de la flamme du brûleur. La combustion se fait dans un foyer Water-Jacket 28 constitué par une enveloppe à double paroi dans laquelle circule l'eau à réchauffer ou à vaporiser.
Cette enveloppe est protégée, dans la partie soumise au plus fort rayonnement de la flamme du brûleur, par une pièce réfractaire 30. Une ouverture 31, à la partie inférieure du Water-Jacket, est des tinée à l'allumage et au réglage de la flamme. Cette ouverture peut être obturée par un tam pon en tôle. L'enveloppe extérieure du faisceau tubu laire constitue la partie intérieure du Water- Jacket. La communication s'effectue à l'aide d'orifices 33 ménagés dans cette enveloppe à la partie inférieure du faisceau tubulaire.
Pour la mise en communication avec les appa reils d'utilisation, des orifices sont ménagés, l'un 34 à la partie inférieure du Water- Jacket, l'autre 35 à la partie supérieure du faisceau tubulaire. L'enveloppe extérieure du faisceau tubulaire est prolongée en forme de boîte à fumée 37, munie d'un couvercle 38 qui permet l'accès facile au faisceau pour le nettoyer. Une pièce réfractaire entoure le faisceau tubulaire ainsi que la boîte à fumée. Le nombre des chicanes 7 est fonction du résultat que l'on veut obtenir par rapport à la dépression à la cheminée. Les gaz de combus tion, après avoir léché la paroi intérieure du Water-Jacket, traversent le faisceau tubu laire sous.l'action de la dépression de la che minée.
Le dispositif hélicoïdal, formé par les chicanes 7 imprime aux gaz un mouvement de giration et augmente le chemin à parcourir, ce qui a pour résultat une diminution remar quable de la température des fumées évacuées. La chaudière ainsi constituée peut servir aussi bien pour la production d'eau chaude que de vapeur. Dans le premier cas, elle fonc tionne en thermo-syphon ou à circulation ac tivée.
La circulation en thermo-syphon est la suivante: Entrée de l'eau par l'orifice 34 à la partie inférieure du Water-Jacket, passage dans le corps de la chaudière par les ouver tures 33 et départ vers les appareils d'utili sation par la tubulure de sortie 35. Dans le cas d'une circulation activée, l'eau à réchauf fer circule à contre-courant, c'est-à-dire qu'elle arrive à la partie supérieure de la chaudière, descend dans le Water-Jacket par les trous 33 et sort vers les appareils utilisa teurs par l'orifice 34 de la partie inférieure de la chaudière.
Pour la vapeur, la circulation est la même que celle du therm.o-syphon. L'utilisation de la chaudière comme appareil de vaporisation est très intéressante, la cham bre de vapeur étant traversée par les tubes du faisceau et l'écart entre ces tubes étant très faible, la vapeur se trouve surchauffée.
L'appareil représenté en fig. 19 est une chaudière horizontale qui est une améliora tion de celle représentée à la fig. 17 et con court au même but, mais avec un rendement meilleur, dû- au double parcours des gaz qui permet un meilleur dépouillement de ceux-ci. Cette chaudière est à recommander dans les endroits où la hauteur disponible est limitée. La chambre de combustion présente les mê mes caractéristiques que celle de la fig. 17, les tubes à extrémités polygonales sont as semblés en faisceau tubulaire placé dans le prolongement de la virole formant foyer.
L'assemblage du faisceau avec le cylindre extérieur de la chaudière se fait par une pla que circulaire 39 découpée au gabarit du pro fil extérieur des extrémités polygonales non représentées des tubes. Ce premier faisceau est réuni, à son extrémité, à une plaque à pourtour circulaire 40, découpée en son cen tre au gabarit extérieur du faisceau. La pla que 40 porte, sur une partie annulaire péri phérique, une série d'ouvertures polygonales pour la fixation des extrémités de tubes for mant le second parcours. Ces tubes du second parcours sont plus longs que ceux du premier parcours, de toute la longueur du foyer, et viennent se fixer dans une troisième plaque 41 de forme annulaire, dont le bord- extérieur est soudé à la virole 42. La fixation des tubes dans les plaques 39, 40 et 41 se fait par sou dure étanche et homogène.
La boîte à fumée est constituée par deux viroles concentriques 44 et 45 fermées, d'une part, par la troisième plaque 41 jusqu'où les tubes du deuxième parcours amènent les gaz de la combustion et, d'autre part, par un fond plein 46 de forme annulaire. La partie centrale de la vi role intérieure est libre et sert de logement au bec d'un brûleur. Cette chaudière présente une amélioration par rapport à celle représen tée à la fig. 17, pour la raison suivante: Pour arriver à son point d'utilisation au nez du brûleur, l'air se réchauffe au contact de la virole intérieure de la boîte à fumée, d'où une amélioration sensible du rendement de la chaudière.
L'utilisation et la circulation sont les mêmes que celles énumérées pour la chau dière suivant la fig. 17.
La forme d'exécution représentée aux fig. 20 et 21 est une chaudière destinée au chauffage à feu continu: Cette chaudière dif fère de celles des fig. 17, 18 et 19 par le mode de combustion employé. Pour les chau dières suivant les fig. 1.7, 18 et 19, le com bustible est l'huile lourde, pour la chaudière suivant les fig. 20 et 21, le combustible employé est du charbon. La construction de cette chaudière est analogue à celle de la fig. 19, avec la différence que le tube foyer 47 et le faisceau tubulaire 48 du premier parcours sont excentrés et que les tubes du deuxième parcours sont placés concentrique ment au tube 47 constituant le foyer.
L'avan tage de cette chaudière sur celles actuellement en usage est le suivant: Encombrement moin dre pour une surface d'échange plus grande, d'où rendement nettement supérieur grâce au coefficient de transmission élevé, solidité et par conséquent durée plus grande que pour les chaudières en fonte destinées au même usage. On remarquera que l'on n'a pas repré senté les extrémités polygonales des tubes dans les deux faisceaux.
Le faisceau tubulaire représenté aux fig. 22 et 23 est formé de tubes tels que ceux représentés en fig. 1. Le nombre de tubes va rie suivant la forme polygonale de l'extré mité des tubes. Ce faisceau fait partie d'une chaudière de locomotive constituant une forme d'exécution de l'appareil selon l'inven tion. Les deux extrémités 50 du faisceau sont prolongées par des fourreaux 51 de section circulaire qui englobent la forme polygonale de l'ensemble des tubes, par un retreint con venable, la liaison intime et étanche étant as surée par soudure. La longueur des fourreaux est variable.
Les faisceaux ainsi obtenus sont fixés, par les fourreaux 51, par mandrinage dans des plaques 52,1a longueur des fourreaux dépen dant, dans ce cas, de la longueur de la bro che de l'appareil à mandriner. On peut natu rellement choisir un autre mode de fixation des faisceaux, par exemple par apport d'une bague tronconique sur les fourreaux, la fixa tion dans les plaques 52 se faisant alors par emboîtage conique, métal sur métal, genre Bérendorff. La longueur des fourreaux sera fonction, d'une part, de la longueur réser vée au retreint sur la forme polygonale et, d'autre part, de la largeur de la bague tron conique.
La chaudière de locomotive consti tuée au moyen de ces faisceaux présente les avantages d'un coefficient de transmission de chaleur très élevé et d'une surface de chauffe maximum avec un encombrement minimum.
Si l'on examine le faisceau tubulaire dé crit ci-avant, au point de vue de sa résistance à la pression, on constate que cette pression agit sur les parties 53 formant solution de continuité entre la partie cylindrique et la partie polygonale de chacun des tubes du faisceau. L'ensemble du faisceau étant cons titué par juxtaposition et soudure des parties méplates des extrémités polygonales de cha cun, des tubes, cela permet de supprimer l'u sage de la plaque tubulaire et le travail de la pression est entièrement absorbé par le tube lui-même. Les tubes étant joints par leurs ex trémités soudées, ajustées à un dixième de millimètre près, on peut considérer que le tra vail de la soudure est nul.
A surface d'é change égale, la chaudière de locomotive re présentée partiellement en fig. 22 et 23 pèse beaucoup moins et est d'un prix plus aborda ble pour un rendement supérieur, qu'une chaudière à tubes simples.