Brevet FR2051706A1 — publié le 19710409

. 1 2051706 La présente invention se rapporte aux structures perforées et elle concerne plus particulièrement des échângeurs dè chaleur. L.'un des objets de l'invention est un échangeur 5 de chaleur perfectionné. Selon un aspect de l'invention, une structure perforée comprend une première pièce eri tôle métallique et une seconde pièce en tôle métallique superposées avec un; certain écart et scellées autour de leurs "bords pour former une galerie 10 entre elles l'ensemble des pièces en tôle comportant plusieurs ouvertures groupées par paires, chaque paire comprenant une ouverture dans chaque tôle et les ouvertures de chaque paire étant superposées, le métal constituant la tôle qui entoure chaque ouverture de chaque paire.d'ouvertures étant-dirigé ,sous 15 forme de saillie tubulaire vers la pièce en tôle opposée en. s'emboîtant avec la saillie tubulaire constituée à partir de la tôle métallique entourant l'autre ouverture de la paire. Selon un autre aspect de l'invention, un élément d'échangeur de chaleur comprend une première pièce en tôle 20 métallique et une seconde pièce en tôle métallique superposées avec un certain écart et scellées autour de leurs bords pour former une galerie entre elles, 1'ensemble des pièces en tôle comportant plusieurs ouvertures groupées par paires, chaque paire comprenant une ouverture dans chaque tôle et les ouvertures 25 de chaque paire étant superposées, le.métal constituant la tôle qui entoure chaque ouverture de chaque paire d.' ouvertures s'étendant sous forme de saillie tubulaire vers la pièce en tôle opposée en s'emboîtant avec la saillie tubulaire constituée à partir du métal entourant l'autre ouverture de la paii-e. .. 30 Selon un autre aspect de l'invention, une chaudière comprend un élément d'échangeur de chaleur tél" que spécifié -ci-dessus, en liaison avec un élément de brûleur. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non liiitatif, fera bien compren-35 dre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue en plan schématique d'un élément d'échangeur de chaleur. La figure 2 est une élévation schématique, en coupe partielle, de l'élément représenté sur la figure 1. 40 La figure 3 est une vue en plan détaillée agrandie 70 25986 2 2051706 destinée à illustrer l'écoulement du fluide dans l'élément représenté sur les figures 1' et 2. La figure 4 est une coupe détaillée agrandie d'une partie de l'élément ;représenté sur les figures 1 et 2. 5 . ^ • La figure 5 est une vue eh pïan schématique détaillée montrant une variante de. réalisation de l'élément d'échangeur de chaleur. * * La figure 6 est une coupe schématique en"élévation d'un ensemble d'éléments du type représenté sur la figu-10 re 5- . • ' La figure 7 est une vue en perspective schématique représentant un ensemble de chaudière, certaines parties étant arrachées pour des raisons de clarté. La figure 8 est une élévation schématique de 15 l'ensemble de chaudière représenté sur la figure 7* La figure 9 est une vue en perspective, avec arrachement partiel, représentant une variante d'enser&le de chaudière. L'élément 1 d'échangeur de chaleur représenté sur 20 les figures 1 et 2 comprend une première pièce 2 en tôle métallique et une seconde pièce 3 en tôle métallique superposées avec un certain écartement. Les pièces 2 et 3 sont scellées autour de leurs bords par un joint 4 dans" lequel le bord de la pièce 2 est plié autour du bord de la pièce 3 et lui est .25 soudé.» Ainsi, une galerie 5 est constituée entre les pièces en tôle et communique, par des zones respectives d'entrée et de sortie 6 et 7, avec un tuyau 8 d'entrée de fluide et un tuyau 9 de sortie de fluide. Les zones d*entrée■et de sortie 6 et 7 sont conformées en renfoncements en forme d'iauge dans 30 la pièce en tôle 2. Les pièces en tôle 2 et 3 comprennent chacune plusieurs ouvertures 10 réparties suivant un-réseau régulier de rangées 11 à 17 transversales par-rapport à la direction^ d ' écoulement du. f luide à travers la galerie, les* ôuvéi'tures -10 35 de chaque .rangée-étant décalées paï rapport a:ux -ouvertures' .de la .rangée-ou des rangées immédiatement voisines Çvbxr figure 3)• Les ouvertures 10 des pièces de tôle respectives sont disposées en paires superï)œs'éesv Shaqûé-pair? comprenant une ouverture dans chaque tôle'., c La -tôle àétâïliqùê entourant èhaigue 40 ouverture 10 dans la pièce-en tôler:2 est dirigée sous forme 70 25986 3 2051706 de saillie tubulaire 18 vers la pièce en tôle opposée 3 pour s^emboîter avec une saillie tubulaire correspondante 19 formée à partir du métal de la tôle entourant l'autre ouverture de la paire, dans la pièce en tôle 3, pour former un tube 18, 19. 5 On forme les saillies tubulaires 18 et 19 dans chaque pièce en tôle respective par une opération d'emboutissage entre une plaque portant des poinçons circulaires disposés suivant le réseau représenté et une plaque de matrice ouverte correspondante. Les saillies sont formées par les poinçons et 10 leurs extrémités sont perforées au cours de cette opération pour former les ouvertures 10. Les saillies 18, 19 comportent des extrémités extérieures cylindriques dont les diamètres sont tels que les pièces en tôle peuvent être réunies comme représenté, les saillies 18 et 19 s'emboîtant (voir figure 4). Lors 15 de l'opération d'assemblage, on scelle ensemble les saillies 18 et 19 par des techniques de soudure ou de brasure connues pour former des ouvertures 10 traversant l'ensemble et isolées de la galerie 5« Pour améliorer la rigidité de l'enseoble et écar-20 ter les pièces en tôle avec précision d'une distance prédéterminée afin d'assurer un espacement prédéterminé entre les parois de la galerie, les pièces en tôle 2 et 3 comportent des zones d'épaulements 20, 21 ondulées en contact mutuel qui peuvent être soudées, ou rivées ensemble. On peut à volonté prévoir 25 des moyens de fixation de ce type dans des positions écartées à 1'intérieur de la zone de l'élément aussi bien qu'aux bords. En cours de fonctionnement, l'élément t échangeur de chaleur peut être incorporé dans une chaudière comprenant un brûleur dont on fait passer les gaz qui sortent par les ou-30 vertures 10. On fait circuler de l'eau à travers l'élément à partir du tSu®au d'entrée 8 au tuyau de sortie 9, et lorsqu'elle traverse la galerie 5, son écoulement devient turbulent autour des tubes 18, 19 entourant les ouvertures 10 (voir figure 3). Cet écoulement turbulent améliore la transmission de chaleur à 35 l'eau et le grand nombre de passages drair constituas par les ouvertures 10 donne également à l'élément de bonnes propriétés, de transmission de chaleur à des débits élevés. Il faut noter que, du fait du décalage des ouvertures 10 dans les rangées successives 11 à 17, le débit de 40 liquide à travers l'élément est rendu plus turbulent lorsqu» il 70 25986 4 2051706 traverse l'élément dans la direction entre les positions de l'entrée et de la sortie, comme représenté, qu'il le serait si le liquide s'écoulait parallèlement aux rangées 11 à 17» Avec l'agencement représenté, chaque tube 18, 19 divise 5 l'écoulement de liquide sortant de l'interstice compris entre les tubes dans la rangée suivante du côté amont. Un avantage important de l'élément êchangeur de chaleur décrit ci-dessus consiste en ce qu'il est caractérisé par une grande simplicité de construction, les passages 10 10 d'écoulement de -as étant constitués entièrement à partir de la matière des deux pièces en tôle par une simple opération de poinçonnage. On peut monter en série deux éléments ou davantage du type décrit plus haut, par exemple en une pile d'éléments 15 disposés horizontalement pour extraire de la chaleur d'une source commune de gaz chauds. Les figures 5 et 6 représentent un agencement dans lequel on peut réaliser une transmission de chaleur entre un fluide et deux autres fluides. Bans cet agencement, un élément 20 30 du type décrit ci-dessus, en se référant aux figures 1 à 4, comporte d'autres tubes 31 à ailettes traversant des ouvertures 32 formées à travers l'élément (correspondant aux ouvertures 10 des figures 1 à 4). Les tubes 31 , qui comprennent chacun quatre ailettes longitudinales 33» peuvent traverser plus d'un élément 25 30 comme l'indiquent les lignes en tirets de la figure 6. 3n cours de fonctionnement, on peut faire passer de l'air par les ouvertures 32 comme indiqué, dans les espaces compris entre les ailettes 33, et/ou transversalement par rapport aux tubes dans les espaces compris entre des élé-30 ments 30 successifs. On peut ainsi chauffer ou refroidir simultanément des fluides séparés circulant à la fois dans les tubes 31 et dans la galerie de l'élcraent 30. Les figures 7 et 8 illustrent l'application des éléments échangeurs de chaleur, en général du type représenté 35 sur les figures 1 à 4, à un ensemble de chaudière 40 comprenant des éléments de brûleurs à gaz, qui sont du type ayant une forme générale analogue aux éléments échangeurs de chaleur décrits en se référant aux figures 1 à 4, mais comportant des saillies tubulaires non scellées, rainuréés, s*"emboîtant pbur permettre 40 au gaz envoyé à la galerie de s'échapper dans une zone de com- 70 25986 5 2051706 bustion où il brûle avsc de 11 air de combustion envoyé _à travers les ouvertures. Des éléments de brûleur de ce type, appelés ici "éléments de brûleur.du type décrit" sont décrits dans la. demande de brevet français déposée le même jour au 5 nom de la demanderesse. . . L'ensemble de chaudière 40 comprend une enveloppe 41 comportant une gaine 42 .(non représentée sur la figure 7) et un vantilateur 43 pour aider.le mouvement généralement ' ascendant de l'air de combustion à travers 1'ensemble. Quatre 10 éléments de brûleurs 44 du type décrit sont disposés en deux paires chacune en forme, de V renversé, et huit éléments échangeurs de chaleur 45 sont disposés en quatre paires d'éléments écartés disposés parallèlement et à côté des éléments de brûleurs respectifs, penchés l'un vers l'autre sur les élé-15 ments de brûleur en formant des V renversés, de façon à recevoir les gaz chauds engendrés par les brûleurs. Un collecteur 46 d'alimentation en . ^az est prévu pour les éléments 44 et des raccordements 47 de tubes d'eau assurent la circulation de l'eau à travers les éléments échangeurs de chaleur-45, les 20 éléments 45 de chaque paire étant en série. L'écoulement des gaz de combustion à travers les éléments 45 est représenté schématiquement par les flèches de là figure 8. Les éléments échangeurs de chaleur 45 comportent des ouvertures 48 que l'on constitue en emboîtant des saillies 25 tubulaires comme dans le mode de réalisation représenté sur " les figures 1 à 4, mais les zones d'entrée et de sortie de fluide, qui ne sont représentées que schématiquement sur la figure 7>. peuvent revêtir toute fo'rme appropriée-. La figure 9 représente une variante d'ensemble 30 de chaudière 60 comprenant une alimentation d'air provenant d'une gaine équilibrée 61. L'enveloppe 62 de la chaudière renferme une gaine de sortie de conduite extérieure 63 ët de l'air de combustion est aspiré par une gaine'd'entrée 64 par un ventilateur 65 qui fait descendre l'air dans - un ënsèmble ' 35 de brûleurs et d'échangeurs de chaleur comprenant'trôis élé-' ments de brûleur 66 montés verticalement bord-à'bord sous ~ * forme plane triangulaire sur une basé fermée, ©eux' éléments échangeurs de chaleur 67 - se. trouvent au voû sin'age "de chaqu'e élément, de brûleur 66 pour recevoir les gaz de combustion 40 chauds.comme 1'indiquent les flèches, et ces éléments de 70 25986 6 2051706 brûleurs et d'échangeurs de chaleur sont du type général décrit plus haut en se référant aux figures 7 et 8. Les éléments de chaque paire d'éléments échangeurs de chaleur 67 sont montés en série, étant alimentés en eau par des tuyaux d'entrée 68 et 5 comportant des sorties 69» Les exemples décrits ci-dessus sont relatifs à des éléments échangeurs de chaleur, mais on peut aussi appliquer des structures perforées conformes à l'invention à des systèmes de distribution de gaz ou à des évaporateurs dans 10 lesquels on envoie le gaz ou liquide à distribuer dans la galerie et on lui offre une voie d'échappement, par exemple en rainurant ou ne scellant, pas autrement les saillies tubulaires ensemble. Le gaz ou le liquide e t alors éloigné de la structure perforée par un courant d'air forcé traversant 15 les perforations. On peut utiliser une combinaison d'évaporateur et de distributeur de ce type pour disperser l'azote liquide pour former un cour nt de gaz froid destiné à être utilisé dans la congélation instantanée de nourriture. Un autre exem-20 pie d'utilisation d'un dispositif de ce type réside dans l'é-vaporation d'eau, le dispositif agissant comme élément d'humidification et de réduction de la température dans un système de climatisation. 25986 2051706 KETOtDICATXOMS 1*- Structure perforée particulièrement destinée être utilisée comme échangeur de chaleur, comprenant une première pièce de tôle métallique et une seconde pièce de tôle métallique disposées l'une au-dessus de l'autre avec • un certain écartement et scellées autour de leurs bords pour former une galerie entre el1es^1'ensemble des pièces en tôle comportant plusieurs ouvertures groupées par paires, chaque paire comprenant une ouv^rtur^ dans chaque tôle et les ouvertures de chaque paire t'tant superposées, ladite structure étant caractériséen en ce que le métal constituant la tôle qui entoure chaque ouverture de chaque paire d'ouvertures est dirigé sous forme de saillie tubulaire vers la pièce en tôle opposée en s'emboîtant avec la saillie tubulaire constituée à partir de la tôle métallique entourant l'autre ouverture de la paire. 2.- Elément échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes constitués par les paires de saillies tubulaires emboîtées sont disposées en un réseau de façon à provoquer de la turbulence dans un écoulement de fluide à travers la galerie d'une zone d'entrée à une zone de sortie. 3«- Elément échangeur de" chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tubes sont disposés en rangées transversales par rapport à la direction normale d'écoulement de fluide à travers la galerie de la zone d'entré à la zone de sortie, les tubes de chaque rangée étant décalés par rapport aux-tubes de la .ou des séries de tubes immédiatement voisines. 4-.- Elément échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3i caractérisé en ce qu'au moins l'une des zones d*entrée et de sortie comporte un renforcement en forme d'auge dans une pièce en tôle. 3»- Elément échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins une pièce en tôle comporte une zone d'épaulement pour prendre contact avec l'autre pièce en tôle, de façon à former' un espacement prédéterminé entre les parois de la galerie. 6.- Elément échangeur de chaleur selon la revendication 5» caractérisé en ce que les pièces en tôle sont fi- 70 25986 8 2051706 xées ensemble dans la zone d*épaulement. 7•- Ensemble d'éléments échangeurs de chaleur comprenant un élément selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, car-'ctérisé en ce que des tubes traversent les 5 ouvertures. 8.- Ensemble d'éléments échangeurs de chaleur selon 1-i revendication 7» caractérisé en ce que les derniers tubes cites comportent des ailettes. 9.- Elément échangeur de chaleur s"lon l'une quel-10 conque des revendications 1 à 6, disposé dans un ensemble de chaudière, caractérisé en ce qu'une source de gaz chauds est disposée pour envoyer des gaz chauds par les ouvertures, de façon à chauffer le liquide traversant la galerie. 10.- Elément échangeur de chaleur disposé dans un 15 ensemble de chaudière selon la revendication 9» caractérisé en ce que la source de gaz chauds est constituée par un élément de brûleur similaire aux éléments échangeurs de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, mais comportant des saillies tubulaires non scellées, rainure-es pour permettre au gaz envoyé 20 à la galerie de s'échapper dans une zone de combustion où il brûle avec de l'air de combustion envoyé à travers les ouvertures. 11.- Elément échangeur de chaleur disposé dans un ensemble de chaudière selon la revendication 9 ou 10, carac-25 térisé en ce que la source de gaz chaucB est enfermée dans une enveloppe et est bordée de chacun de ses côtés par des éléments échangeurs de chaleur penchés l'un vers l'autre au-dessus de la source de gaz chauds en formant des Y renversés. 12.- Elément échangeur de chaleur disposé dans un 30 ensemble de chaudière selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'au moins deux éléments échangeurs de chaleur se trouvent de chaque côté de la source de gaz chauds. 1J.- Elément échangeur de chaleur disposé dans un ensemble de chaudière selon la revendication 10, caracté-35 risé en ce qu'un élément de brûleur monté verticalement et au moins un élément échangeur de chaleur sont disposés côte à côte, un ventilateur forçant l'air de combustion à travers l'élément de brûleur et l'élément échangeur de chaleur. 14.- Elément échangeur de chaleur disposé dans 40 un ensemble de chaudière selon la revendication 13» caracté- 25986 9 2G51706 risé en ce que trois éléments de brûleur montés verticalement sont montés bord i bord sous forme plane: triangulaire, avec au moins trois éléments échangeurs de chaleur associés. •