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L'invention a pour objet des perfectionnements aux échangeurs de chaleur, notamment aux échangeurs de chaleur en fonte, dans lesquels les direc- tions d'écoulement des fluides ne sont pas parallèlès l'une à l'autre et dans lesquels les plaques de séparation entre les fluides portent, de chaque côté, des ailettes montées les unes à côté des autres et les unes à la suite des autres pour le guidage des fluides'entre lesquels s'effectuent les échanges de chaleur.
L'invention consiste d'abord en ce que la section longitudinale des ailettes suivant un plan parallèle à la surface de la plaque de séparation a une forme dérivant de celle, favorable à l'écoulement des fluides, d'une goutte coupée en son milieu dans le sens longitudinal, ce qui se traduit par une très faible résistance à l'écoulement, par un encombrement très réduit et par d'excel- lentes conditions de transmission de la chaleur, et en ce que ces ailettes, con- venablement amincies en pointe à leur extrémité située du côté de l'arrivée du fluide, ont un profil longitudinal en forme de segment et sont montées à une certaine distance les unes des autres sur les plaques de séparation.
La forme d'une goutte coupée en son milieu dans le sens longitudinal correspond à des conditions d'écoulement très favorables pour des fluides. Ces conditions sont particulièrement favorables lorsqu'à leur extrémité située du côté de l'arrivée du courant de gaz ou d'air les ailettes sont amincies en pointe de manière qu'elles aient un profil longitudinal en forme de segment. Il ne peut alors se produire aucune accumulation de fluide en amont des ailettes.
L'emploi de ce dispositif présente encore l'avantage de permettre un nettoyage facile de l'échangeur de chaleur par le procédé qui consiste à y projeter une pluie de particules sphériques, car celles-ci ne peuvent pas se maintenir sur les ailettes, mais tombent toujours du haut en bas de l'échangeur de chaleur dont elles assurent le nettoyage.
Conformément à l'invention, les ailettes sont disposées, sur les plaques de séparation, de telle manière que dans chacune des rangées perpendi- culaires à la direction de l'écoulement du fluide telle qu'elle est déterminée par la forme de goutte des ailettes, il y ait alternance des surfaces convexes orientées à gauche et des surfaces convexes orientées à droite. Cette disposition présente le très grand avantage qu'au niveau de la zone de transition entre deux rangées successives les filets de gaz auxquels s'offre une section de passage plus large se subdivisent en trois parties, ce qui réalise d'excellentes condi- tions de transmission de la chaleur au niveau des parois des ailettes. Cette disposition permet également un nettoyage facile au moyen d'un burin plat.
Dans un autre mode de réalisation de ?Invention, les ailettes peuvent être disposées de telle manière qu'il y ait, d'une des rangées d'ailettes à l' autre, dans la direction de l'écoulement du fluide, alternance des surfaces convexes orientées d'un côté et des surfaces convexes orientées de l'autre côté.
Dans ce cas, les ailettes d'une série quelconque peuvent être décalées par rap- port à celles de la rangée suivante. Cette disposition permet de réaliser un excellent guidage des gaz et d'assurer en permanence la subdivision des filets de gaz lors du passage d'une rangée d'ailettes à l'autre sans que la section de passage qui s'offre au fluide varie d'une manière sensible, ce qui permet aux fluides entre lesquels s'effectuent les échanges de chaleur de suivre exactement le trajet voulu.
Conformément à l'invention, on peut décaler par exemple,une ailette sur six, dans la direction de l'écoulement du fluide, d'une distance égale à la moitié de l'intervalle séparant deux rangées successives, ce qui a pour effet d'améliorer d'une manière considérable la solidité de la plaque de séparation.
Lorsque la température des fumées qui circulent dans l'échangeur de chaleur est assez basse, il y a lieu d'utiliser, du côté des gaz, des ailettes d'assez grandes dimensions et, du côté de l'air, des ailettes de dimensions ré- duites, ce qui a pour effet d'éviter le refroidissement excessif, du côté des
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gaz, des surfaces sur lesquelles s'effectuent les échanges de chaleur et d'éviter que le point de rosée ne soit dépassé et qu'il n'y ait corrosion. Lorsque la température des fumées qui circulent dans l'échangeur de chaleur est très élevée, il faut au contraire réduire les dimensions des,ailettes du côté des gaz et les augmenter du côté de l'air, pour empêcher toute oxydation résultant d'un échauf- fement trop considérable du côté des gaz.
Pour éviter que le point de rosée ne soit dépassé, il est également utile, conformément à l'invention, de munir les brides courbas des plaques de séparation d'ailettes qui sont plus grandes du oôté des gaz et plus petites du côté de l'air, de manière que la température des parois des brides soit constam- ment déterminée par celle des gaz, plus chauds, ce qui évite tout risque de re- froidissement excessif du côté des gaz à l'endroit où ils pénètrent dans l'appa- reil.
L'emploi de joints à gorge doubles et entourant complètement les piè- ces permet d'obtenir une étanchéité absolue pour la séparation entre les conduits à gaz et les conduits à air. Pour éviter, lorsqu'on emploie le procédé de nettoya- ge qui consiste à projeter une pluie de particules sphériques dans l'appareil, que les bords des brides des plaques, du côté de l'entrée, ne soient endommagés par le choc des particules, on installe, sur les bords des brides reliés l'un à l'autre par des boulons, un organe de protection ayant la largeur des brides et ayant de préférence une forme extérieure favorable à 1¯'écoulement d'un fluide.
Pour éviter des pertes de chaleur par rayonnement, on intercale, conformément à l'invention, entre les plaques de fermeture, incurvées à dessein, et les moitiés de conduits d'air voisins, des tôles de séparation ou des parois d'isolation qui délimitent, entre elles ét les plaques de fermeture, une zone, neutre en ce qui concerne l'écoulement du fluide,, qui assure, avec les conduits d'air voisins situés à l'intérieur de l'appareil, un isolement si parfait pour les conduits de gaz qu'il est inutile de munir le réchauffeur d'air d'une ma- çonnerie.
Dans le principal domaine d'emploi du dispositif qui fait l'objet de l'invention, c'est-à-dire pour l'utilisation de la chaleur des fumées prove- nant de chaudières, par exemple de chaudières à deux circuits, les économiseurs et les réchauffeurs d'air sont disposés les uns à la suite des autres de telle manière que les économiseurs soient intercalés complètement ou partiellement entre les groupes de réchauffeurs d'air. Les conduits constitués par les plaques qui portent les ailettes et assemblés les uns aux autres de manière à former des cubes sont supportés par des bâtis intermédiaires. Il en résulte que les côtés des plaques de fermeture ne portent aucune charge.
Il est donc possible, à cet endroit, d'enlever ou d'intercaler des groupes d'économiseurs d'eau et aussi des systèmes tubulaires permettant l'élimination par soufflage de la suie, l' opération pouvant s'effectuer, dans ce dernier cas, même pendant la marche. Le nettoyage par soufflage des conduits à partir de bord des plaques de fermeture présente en outre l'avantage que l'intensité de soufflage que l'on peut obtenir dans chacun des conduits est plusieurs fois supérieure à celle que l'on peut obtenir lorsque les tubes sont décalés de 90 et ne partent pas du bord des plaques de fermeture. L'alternance réchauffeur d'air-économiseur-réchauffeur d'air permet de réduire d'une manière considérable la surface d'échange de la chaleur par rapport au cas de l'alternance économiseur-réchauffeur d'air connue jusqu'à ce jour.
Les dessins ci-joints permettent de décrire l'invention.
La fig. 1 représente la forme fondamentale d'une goutte, dont la forme des ailettes dérive, conformément à l'invention.
La fig. 2 représente les deux formes fondamentales de moitiés de gouttes, dont dérive la forme de la section d'une ailette parallèlement à sa base.
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La fig. 3 est une vue par en dessus, dans un mode de réalisation de l'invention, d'une partie d'une plaque de séparation portant plusieurs ailettes conformes à l'invention.
La fig. 4 représente la section d'une ailette suivant IV-IV de la fig. 3.
La fig. 5 est une vue par en dessus d'une partie d'une plaque de séparation sur laquelle certaines ailettes sont décalées.
La fig. 6 est une vue par en dessus d'une partie d'une plaque de séparation représentant un mode de répartition des ailettes conformes à l'in- vention.
La fig. 7 est une vue en perspective des extrémités supérieures de deux plaques de séparation réunies de manière à former un conduit.
Les fig. 8 et 9 mettent en évidence le fait que les dimensions des ailettes montées respectivement du côté des gaz et du côté de l'air; sur une même bride de plaque de séparation, diffèrent suivant les conditions d'emploi.
Les fig. 10 et 11 représentent, en coupe et en perspective, le dispositif assurant l'étanchéité à la jonction de deux plaques de séparation.
La fig. 12 représente la plaque terminale d'un échangeur de chaleur, la plaque de fermeture et la tôle de séparation intercalaire.
La fig. 13 repré-sente le bord supérieur d'un conduit formé par deux plaques de séparation et l'organe de protection des bords des plaques.
La fig. 14 représente un assemblage en forme de cube vu, en perspec- tive, de l'un des angles du cube.
La fig. 15 représente deux cubes superposés et les plaques de pro- tection montées sur deux parois latérales.
La fig. 1 indique la forme d'une goutte, dont dérive la forme de la section longitudinale des ailettes et qui est,comme on le sait, particulièrement favorable en raison de la faible valeur des pertes d'écoulement qu'elle entraîne.
Les profils des sections longitudinales conformes à l'invention se déduisent de la forme d'une goutte 1 par section de la goutte suivant son axe médian 2 avec formation de deux demi-gouttes 3 et 4 dont les extrémités prolongées en pointe forment un angle d'environ 9 qui permet l'écoulement non tourbillonnaire des fluides entre l'un des groupes d'ailettes et le suivant.
Sur la fig. 2 , les zones dans lesquelles l'épaisseur de la section est la plus forte et qui sont situées à la partie supérieure se trouve du côté de l'arrivée des gaz ou de l'air, ce qui peut avoir pour effet, lors du nettoyage par le procédé qui consiste à projeter une pluie de particules sphériques, que les particules utilisées restent sur le bord supérieur des arêtes. Pour éviter cet inconvénient, on donne à l'extrémité de la section de l'ailette, du côté de l'arrivée du fluide, la forme pointue qui est indiquée en 5, de sorte que la section totale de l'ailette obtenue en associant 3 et 5 a la forme d'un segment.
La fig. 3 représente des ailettes qui sont montées sur une plaque de séparation 6 de telle manière que, de l'une à l'autre des rangées perpendiculai- res à la direction de l'écoulement du fluide, il y ait alternance d'ailettes 7 dont la surface convexe est orientée à droite et d'ailettes 8 dont la surface convexe est orientée à gauche. Les flèches indiquent le mode de subdivision des filets de gaz dans la zone de transition entre deux rangées successives.
La fig. 4 représente, à titre d'exemple, la section médiane d'une ailette 7.
La fig. 5 montre comment les sixièmes ailettes 7a et 8a sont décalées, dans la direction de l'écoulement du fluide, d'une distance égale à la moitié de
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l'intervalle entre deux rangées, aussi bien dans les conduits à gaz que dans les conduits à air, ce qui se traduit par une amélioration considérable de la solidi- té de la plaque de séparation.
La fig. 6 est une vue par en dessus d'une autre plaque de séparation 6 conforme à l'invention sur laquelle les ailettes sont disposées par couples 9a, 9b, 10a, 10b, 9a, 9b, etc.., de telle manière qu'il y ait, dans chacune des rangées d'ailettes prises dans la direction de l'écoulement du fluide, alternance des surfaces convexes orientées du côté gauche et des surfaces convexes orientées du côté droit, de sorte que les ailettes sont disposées, dans les rangées suc- cessives prises dana l'autre sens,de telle manière qu'il y, ait alternance entre les sections de passage de largeur uniforme situées entre deux ailettes 9a et 9b ou 10a et 10b et les sections de passage, élargies à leurs extrémités, qui sont situées entre les surfaces convexes qui se font face.
Du fait que, confor- mément à l'invention,les ailettes appartenant à des rangées successives se trou- vent les unes derrière les autres, les filets de gaz ou d'air peuvent se subdi- viser en trois parties dans la zone de transition entre deux rangées successives, ce qui se traduit par un mélange très intime et par le fait que les différentes parties des fluides se trouvent successivement en contact, dans des conditions de transmission de la chaleur constamment modifiées, avec les parois des ailettes.
Comme, à la différence de ce qui se passe dans le cas de la fig. 3, les rangées successives d'ailettes de la fig. 6 ne sont pas décalées les unes par rapport aux autres, on dispose, dans le cas de la fig. 6, pour une même répartition, d'un espace libre plus grand pour le passage d'une lime plate pour le nettoyage.
Ce point est important car lorsqu'on effectue le nettoyage par le procédé qui consiste à projeter une pluie de particules sphériques en utilisant les particu- les que l'on trouve le plus facilement dans le commerce et dont le diamètre est de 6 mm et lorsque la distance entre les ailettes, comptée du milieu d'une ailette au milieu de l'ailette voisine, est de 15 mm, lorsque l'épaisseur des parois des ailettes est de 3 mm et que l'épaisseur du dépôt sur les ailettes est de 2 mm, les particules sphériques restent sur les ailettes dans le cas de la fige 3 alors que dans le cas de la fig. 6 elles ne sont pas arrêtées.
L'emploi du dispositif représenté par la fig. 6 est particulièrement avantageux, en ce qui concerne le nettoyage par projection d'une pluie de parti- cules sphériques, par sablage ou par projection d'eau, lorsque les ailettes com- portent une zone superficielle obtenue par moulage et particulièrement résistante à l'abrasion et que le métal situé au-dessous de cette zone superficielle a subi une trempe. La formation de la couche superficielle en question s'obtient par différents procédés et différentes additions au moment du moulage et de la préparation du sable; 1-'effet de trempe résulte du fait que les extrémités des ailettes sont en forme de pointe, de sorte qu'au cours du moulage elles subissent une trempe.
Les bords tranchants des ailettes sont donc constitués entièrement par une fonte résistant à l'abrasion, tandis que le métal qui constitue la pla- que de séparation est une fonte relativement élastique dans laquelle il n'y a pas de contraintes.
La fig. 15 montre comment les assemblages en forme de cube peuvent être placés les uns à côté des autres ou superposés de manière à réaliser une surface chauffante de 40.000 m2 ou davantage. Si, dans ce cas, les ailettes sont disposées comme l'indique la fig. 6, on peut, pour une même valeur des inter- valles entre les ailettes, augmenter la surface d'échange de chaleur dans un volume donné, ce qui se traduit par une diminution des frais de fabrication. Il s'y ajoute l'avantage que des ailettes disposées comme l'indique la fig. 6 sont plus facilement baignées par les fluides.
Tous ces avantages résultent du fait que les ailettes ont une forme dérivant de celle d'une goutte coupée en son milieu et dont les deux extrémités se terminent en pointe, particulièrement dans le cas de la répartition des ailettes indiquée par la fig. 6.
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La fig. 7 représente une partie de l'appareil dans laquelle deux plaques de séparation 6 sont réunies pour former un conduit. La flèche Pindique la direction des gaz et la flèche Pl la direction de l'air. Les ailettes 7, dont la concavité est orientée vers la droite et qui alternent avec les ailettes 8 dont la concavité est orientée vers la gauche, sont nettement visibles sur le dessin. A l'intérieur du conduit se trouvent les ailettes 11 sur lesquelles passe l'air. Les brides 12 se continuent par les bords des plaques 13 qui s' appliquent l'un contre l'autre, l'étanchéité étant assurée-par des joints doubles 14. La surface des brides 12 comporte des ailettes 15, particulièrement grandes, sur lesquelles passent les gaz et des ailettes 16, petites, sur lesquelles passe l'air.
La référence 17 indique les trous dans lesquels passent les boulons de fixation des bords des plaques l'un à l'autre. En raison de leurs grandes dimen- sions, les ailettes 15, exposées à l'action d'un fluide gazeux chaud au niveau de la bride, absorbent beaucoup plus de chaleur que les ailettes'normales 7 et 8.
Il se produit donc, au niveau de'¯la bride, une transmission de chaleur importante vers l'intérieur du conduit dans lequel les petites ailettes 16 ne peuvent céder qu'une faible quantité de chaleur à l'air qu'elles doivent réchauffer. Il en résulte, dans ces conditions, un surohauffage constant de la surface extérieure et de la surface intérieure de la bride, de sorte qu'il ne peut se produire aucun refroidissement excessif du côté du gaz même dans cette zone de l'appareil pour laquelle les risques sont, comme on le sait, considérables, ce qui évite l'encras- sement ou la corrosion résultant du fait que le point de rosée se trouve dépassé, inconvénients qui se produisent ordinairement dans les appareils de ce genre.
Les fig. 8 et 9 représentent deux brides répondant à des buts spé- ciaux. Dans un échangeur de chaleur soumis à l'action de fumées relativement froides on utilise, pour éviter que le point de rosée ne soit dépassé, des ai- lettes plus grandes 7 et 8 du côté des gaz et des ailettes plus petites 11 du côté de l'air, ce qui a pour effet que la plaque de séparation et les ailettes qu'elle porte absorbent, du côté des gaz,'davantage de chaleur.
La fig. 9 corres- pond au cas d'un échangeur de chaleur soumis à l'action de gaz entrant à une température élevée et comportant des ailettes plus petites 7' et' 8' du côté des gaz et des ailettes 11' plus grandes du côté de l'air, de sorte que la plaque de séparation cède une assez grande quantité de chaleur par les ailettes 11' qui sont situées du côté de l'air et qui ont de grandes dimensions. Ces disposi- tifs sont utilisés par exemple pour la récupération de la chaleur des fumées de cubilot et pour les appareils de chauffage de l'air à chauffage direct et le procédé employé permet d'éviter l'oxydation de la plaque de séparation 6 et de ses ailettes 8' du côté des gaz.
Les fig. 10 et 11 représentent le dispositif assurant l'étanchéité à la jonction de deux plaques de séparation. L'emploi du joint à gorge double 14 entourant complètement les pièces permet d'obtenir une étanchéité absolue entre les conduits à gaz et les conduits à air.
Comme l'indique la figure 12, on intercale entre la plaque terminale 6a et la plaque de fermeture 18, qui sont reliées l'une à l'autre par le boulon 19, une tôle de séparation 20, qui ferme le demi-conduit 25. L'emploi de ce dispositif permet d'éviter pratiquement les pertes de chaleur par rayonnement, d'autant plus que la présence de la tôle de séparation 20 a pour effet de ré- duire encore le volume disponible au niveau du demi-conduit 25, ce qui a pour effet d'accélérer le passage de l'air, tandis qu'entre la tôle de séparation 20 et la plaque de fermeture 18 se trouve une zone, neutre en ce qui concerne 1' écoulement du fluide, qui réalise une isolation thermique, de sorte qu'il est inutile d'utiliser une maçonnerie comme on le fait dans la plupart des réchauf- feurs d'air.
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La fig. 13 représente le dispositif adopté pour fixer l'un à l'autre, au moyen de boulons, les bords des plaques 13, qui ont une forme de goutte à leur extrémité supérieure, dans un échangeur de chaleur dont le nettoyage s'effec- tue par le procédé consistant à y projeter une pluie de particules sphériques 24.
On peut remplacer, dans certains cas, ces particules sphériques par des grains de sable à arêtes vives ou du gravier. Il peut en résulter une usure des bords des plaques 13 à leur partie supérieure et on évite cet inconvénient en utilisant un organe de protection 21 qui comporte des évidements pour les boulons de fixation 19 et qui a une forme extérieure favorable à l'écoulement des fluides et recouvre toute la largeur des brides des plaques. A son extrémité supérieure, cet organe de protection peut avoir une forme plus ou moins pointue, de sorte que les particules qui tombent sur lui ne rencontrent pas une surface d'impact, mais glissent le long de cet organe et arrivent immédiatement dans les conduits verticaux de gaz et d'air dont ils doivent assurer le nettoyage.
La fig. 14 représente le coin d'un assemblage en forme de cube et met en évidence le cadre support constitué par des profilés 22,les plaques de sépa- ration 13 réunies de manière à former des conduits 23 et les dispositifs d'étan- chéité 14.
La fig. 15 représente, au moyen de deux assemblages en forme de cube 26 et 27, le mode d'assemblage des cubes. Sur les six côtés d'un cube, quatre côtés servent à l'amenée des gaz et de l'air et les deux autres côtés sont fermés par les plaques de fermeture 18, ce qui dispense d'utiliser une maçonnerie.
C'est de ce côté que l'on peut mettre en place ou enlever, en totalité ou en partie, les économiseurs d'eau et aussi, même pendant la marche, les dispositifs d'élimination de la suie par soufflage.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les réchauffeurs d'air et les économiseurs, ceux-ci étant de préférence des économiseurs à serpentins ou à ailettes comportant une âme en tube d'acier, sont montés les uns à la suite des autres de telle manière que les économiseurs sont contenus en totalité ou en partie dans l'espace compris entre les cubes du réchauffeur d'air. La chaleur fournie par l'eau du dernier économiseur intercalé peut être utilisée pour porter la température de l'air qui entre dans l'appareil de 20 à 50 C. La chaleur fournie par l'eau de l'économiseur le plus froid est avanta- geusement utilisée pour lé réchauffage de l'air au moyen d'échangeurs de chaleur à lamelles ou d'appareils analogues, cet air pénétrant ensuite dans le préchauf- feur d'air et permettant le refroidissement des fumées.
Ce dispositif a pour effet également d'améliorer le rendement thermique. Comme le réchauffeur d'air ne comporte aucune maçonnerie, il peut se dilater librement, lorsqu'il s'échauffe, dans toutes les directions, sans que l'étanchéité en souffre et que, par consé- quent, le rendement diminue.
Les exemples de réalisation de l'invention qui sont indiqués par les dessins peuvent donner lieu à de nombreuses variantes sans que l'on sorte du cadre de l'invention. L'invention est utilisable non seulement pour les échanges de chaleur entre deux fluides gazeux, mais lorsque les fluides gazeux sont rem- placés par des liquides.
REVENDICATIONS.
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