Brevet FR2356900A1 — publié le 19780127

La présente invention concerne les refroidisseurs à ailettes. Dans la production de fibres de verre par un procédé continu , on étire un certain nombre de filaments individuels de verre à grande vitesse, à partir d'une filière en méta1noble chauffée électriquement. Dans une opération de fabrication de fibres de verre,du verre en fusion provenant d'une source appropriée est introduit dans une filière en platine (un petit réci- pient constitué de platine ou d'un alliage de platine). La filière est chauffée électriquement de manière à maintenir la masse de verre à l'état fondu.Le fond de la filière comporte plusieurs trous, tubulures ou orifices dans lesquels passe le verre fondu pour sortir ensuite sous la forme de filets. les filets sortant des orifices sont réduits sous la forme de fibres,par étirage à la sortie de la filière et par enroulement sur un tube de formage tournant rapidement. La rotation du tube de formage exerce la force de traction servant à réduire le verre en fibres. Dans des opérations modernes de fabrication de fibres de werre,les tubulures ou orifices dans lesquels les fibres sont rétrécies sont de maçon classique alignées en rangées horizontales sur la longueur t la largeur du fond de la filière. Lors de l'utilisation d'une telle filière, de la chaleur est rayonnée à partir de la filière vers les cônes de verre formés quand le verre en fusion sort des tubulures et est transformé en fibres Il en résulte que les canes de verre à partir desquels les fibres sont formées ne peuvent souvent pas se refroidir suffisamnent rapide- ment pour former des fibres continues de dimensions uniformes. La viscosité des cônes en verre fondu est faible et les cSnea ont tendance à se rétrécir sous la forme de gouttelettes au lieu de s'écouler sous la forme d'un filet continu. Cela est imputable à la tension superficielle du werre,qui devient supérieure à la viscosité puisque la tension superficielle du verre varie très peu avec la température. Lorsquron utilise des filières chauffés, on a constaté qu'il était nécessaire,pour former correctement des fibres,dtdvacuer la chaleur des cônes en verre fondu et des fibres formées à partir des sonnets desdits canas. Cela est en particulier nécessaire dans de grosses filières comportant plusieurs rangées de tubulures. Le refroidissement des o^ones en verre augmente la viscosité de ces derniers et élimine par conséquent la formation d'étranglements et de gouttelettes.En outre,un refroidissement des canes en verre effectué de cette manière assure une formation plus uniforme des cônes, de l'avant vers l'arrière de la fj1ièredans les rangées de cônes prévues dans de grosses filières. Une formation inégale des canes à partir d'une rangée de tubulures située de l'avant vers l'arrière d1une grosse filière se traduit par une tension non uniforme pendent la phase de réduction à grande vitesse,qui est normalement associée à la formation des fibres de verre, et il en résulte fréquemment des ruptures.Par application de techni- ques correctes de refroidissement entre les rangées de cssness,on remédie à cet inconvénient, ou tout au moins on l'atténue sensible ment. On sait prévoir des moyens servant à évacuer la chaleur des cônes de verre à partir desquels des fibres sont étirées. On peut citer à cet égard, par exemple, les dispositifs et procédés dé- crits dans les brevets US N0 2.908.036 et 3.251.665.Dans le pre mier de ces brevets, on décrit un appareil de refroidissement des canes en verre fondu à l'aide d'une ailette métallique massive et placée entre des rangées latérales de connes en verre formés sur le fond d'une filière . les ailettes latérales sont reliées à un dispositif collecteur commun, dans lequel on fait passer une matière de refroidissement telle que de l'eau. les ailettes planes assurent une transmission de la chaleur entre les cônes en verre fondu et le liquide de refroidissement,en utilisant la conductivité thermique des ailettes quisbien que satisfaisantes, ne constituent pas le moyen le plus efficace pour évacuer la chaleur du verre. Néanmoins ces ailettes ont présenté une bonne efficacité du fait que la chaleur est évacuée des cônes en verre et dissipée dans le collecteur commua à partir duquel elle est évacuée par l'agent de refroidissement circulant dans celui-ci. Dans le brevet US 3.251.665, un refroidisseur en forme d'épingle à cheveux,dans lequel on fait passer un fluide de refroidissement,est disposé entre les rangées de cônes en verre fondu, de manière à évacuer la chaleur des zones des cônes d'une manière rapide, ce qui permet une formation uniforme des cônes et un refroidissement approprié des fibres de verre produites à partir desdits cônes Puisque l1espacement entre les tubulures est très faible et puisque les épingles à cheveux ont un petit diamètre,on rencontre cependant des difficultés résultant. des impuretés se trouvant dans le fluide de refroidissement et obstruant les passages prévus dans les re froidisseurs en épingle à cheveux. Bien que les dispositifs de type connu et énumérés ci-dessus soient utilisables pour évacuer la chaleur de la zone d 'un cône en verre pendant une opération de fabrication de fibres de verre dans des fiièren industrielles, l'invention prévoit un système d'évacuation de chaleur qui est extr8mement efficace et qui évacue rapidement la chaleur des tubulures de la filiere de production de fibres.Dans un mode de réalisation de l'invention,l'utillsa- tion de plusieurs éléments d'échange de chaleur présentant une conception et une orientation particulières permet d'obtenir un gradient thermique dans la zone de formation des cônes dans une filière de fabrication de fibres de verre, afM de faciliter le réglage précis ou maîtrise précise de la formation des cônes au cours de leur réduction de section et de la dissipation de chaleur. Ainsi, selon un mode de réalisation de l1invention,il est prévu un système d'échange de chaleur utilisable avec une filière de fabrication de fibres de verre, ce système comprenant un collecteur pourvu d'un moyen permettant la circulation d'un fluide de refroidissement. Des ailettes en forme de plaquette sont scel lées de manière à faire saillie du collecteur,elles sont disposés suivant des rangées parallèles et sont disposes entre les rangées d'orifices ou tubulures de filage de verre, afin de former une surface plane de chaque côté de la tubulure et assurer un échange de chaleur aveo des fibres étirées à partir desdites tubulures. les plaquettes comportent sur les surfaces périphériques intérieu- res d'au- moins leurs deux axes longitudlnaux,c 'est-à-dire à la partie supérieure et à la partie inférieure,une matière formant mèche. De préférence, la périphérie intérieure de la plaquette contient la matière formant mèche. Un fluide d'échange de chaleur est en contact constant avec la matière formant mèche. Ce fluide d'échange de chaleur est vaporisable à une première température et il est condensable à une seconde température . L'ailette en forme de plaquette comporte également une cavité centrale permettant une circulation des vapeurs du fluide d'échange de chaleur depuis la mèche située à une extrémité de la plaquette Jusqu 'à llautrc extrémité et une condensation des vapeurs sur la mèche en un point éloigné du point de vaporisation. Dans un autre mode de réalisation de l'invention,plusieurs éléments de refroidissement, de préférence de folrs tubulaire et contenant chacun une matière formant mèche sur leurs surfaces in- intérieures circonférentielles,sont montés sur un distributeur dans lequel passe du fluide qui n'est pas en contact -avec les tuyaux. les éléments de refroidissement sont chacun muni8 d'une matière formant mèche et contenant un fluide qui est vaporisable à une température et condensable à une autre température. le cas dhdant,les éléments métalliques de ce mode de réalisation ou bien du premier mode de réalisation peuvent Entre montés dans le distributeur de façon à être en contact physique avec le fluide en circulation. la matière vaporisable se trouvant sur la mèche de chaque rangée verticale de tuyaux dans ce mode de réalisation peut avoir une composition variable de façon que les éléments tubulaires puissent être répartis en rangées verticales en dessous dtu,1 tubulure de filière de marnière à établir un gradient de températu re entre le tube placé à la partie supérieure d'une rangée et chacun des tubes placés immédiatement en dessous du tube supé- rieur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif,en référence aux dessins annexés dans lesquels: Fig.l représente schématiquement un refroidisseur à ailettes pour fibres de verre la figure montrant le distributeur et les ailettes d'échange de chaleur en forme de plaquettes selon l'invention; Fig. Q est une vue latérale du distributeur et des ailettes de refroidissement selon l'invention; Fig. 3 est une vue de face du mode de réalisation du refroidisseur à ailettes de la figure 1; Fig.4 est une coupe longitudinale d'une ailette de la figu- re 2;; Fig.4a est une coupe de l'ailette de la figure 2 faite sui vant la ligne 4a-4a Fig. 5 est une vue de face d'une variante du refroidisseur à ailettes de la figure 1 utilisant des tubes circulaires comme ailettes; Fig. 6 est une vue en élévation latérale du refroidisseur à ailettes de la figure 5; Fig. 7 olst une vue de face de la filière pour fibres de verre et des ailettes de la figure 1 en position, et Fig.8 est une vue latérale de la figure 7,efl rtie en coupe. Sur les figures 7 et 8,on a représenté une filière 10 pour fibre. de verre,qui comporte un canal central ll co-uniquant avec un bloc 12 d'écoulement de verre en fusion,qui est fixé sur une partie (non représentée) précédant un four de fusion de verre. La filière 10 est isolée par une partie en matière réfractaire 20 qui est en général placée autour .La filière comporte à sa partie inférieure plusieurs orifices (tubulures) 13 de formage de fibres de verre, de manière qu'll sorte des tubulures un éventail de filaments de verre 15 qui passent dans un sabot d'agglomération 9 servant à les agglomérer sous la forme d'un seul brin 16 qui est ensuite enroulé sur un enrouleur 17 entraîné par un moteur logé dans un carter 18. les fibres 16 sont déposés sur le support# l'aide de la broche 19 placée au-dessus de ltenrouleur 17. immédiatement en dessous des tubulures 13 de la filière, qui sont représentées sur les figures 7 et 8, il est prévu plusieurs refroidisseurs à ailettes en forme de plaquettes 14, qui spnt rixes sur un collecteur 21. le collecteur 21 est pourvu d'un canal central 22 dans lequel on fait passer de l'eau ou un autre fluide de refroidissement en cours de fonctionnement de la filière 10. Dans la vue de la figure 7, les ailettes 14 ont été représentées comme entourant chacun des filaments de verre 15 sortant des tubulures 13 prévues au fond de la filière 10.Comme le montre plus clairement la figure 1, le fluide de rerroidissement passe dans le canal 22 du collecteur 21 d'un côté de ce dernier par l'intermédiaire du tuyau 23 et il sort à l'extrémité opposée par l'intermédiaire du tuyau 24. les ailettes 14 sont en particulier encastrées dans la paroi du collecteur 21. Selon l'invention,l'ailette 14, qui est insérée dans le collecteur 21 comme indiqué sur les figures 1 à 6 et 7, est spécialement agencée comme indiqué sur la figure 4. Ainsi 1 'ai- lette désignée par 14 comporte une chambre centrale 31 qui est entourée par un élément 30 formant mèche et l'ailette est rendue étanche . La matière formant mèche est pourvue d'un fluide de transfert de chaleur approprié, de manière à Stre constamment humi dirige et l'ensemble de l'ailette 14 est encastré dans le métal avec la matière formant mèche et de façon que le fluide de transmission de chaleur associé recouvre la surface intérieure de l'ailette.L'ailette est agencée de manière que (comme indiqué sur la figure 4a) un espaee ou chambre centrale 31 soit formé sur les parois de ltafllette 14 afin de permettre la circulation de gaz et/ou de fluides en cours de marche. Pendant le refroidissement des fibres de verre 14 étirées à partir des tubulures 13 de la filière, de la chaleur est absorbée par les faces des aile t- tes 14 et il se produit une vaporisation du fluide de transfert de chaleur qui est contenu dans l'élément 30 formant mèche dans les refroidisseurs à ailettes 14.L1évacuation de la chaleur à partir de la zone des fibres de verre 15 par le refroidisseur à ailettes 14 et ses parois fait en sorte que le fluide contenu dans la mèche 30 se vaporise et circule de la manière indiquée par les flèches sur la figure 4.En conséquence,le fluide de transfert de chaleur se trouvant dans la mèche 30 se vaporise et s'écoule en direction de l'extrémité de l'ailette 14 qui est encastrée dans le collecteur comme indiqué sur la figure 4. Ces vapeurs se recondensent sur la moche à proximité de la Jonction de l'ailette 14 avec le collecteur 21. Une quantité considérable de chaleur est évacuée de la paroi arrière du refroidisseur à ailette 14 par le collecteur 21 et par l'eau s'écoulant dans le canal central 22.En oonsEquence,de la chaleur est rapidement évacuée de la surface de l'ailette et cette transmission de chaleur produit une recondensation du fluide de transfert de chaleur sur les surfaces de mèche contenues dans le refroidisseur à ailette 14. la liquide condensé s'écoule en direc- tion de l'autre extrémité du refroidisseur à ailette par capillari té, en fournissant de façon continue une quantité supplémentaire de liquide destiné & à entre vaporisé et à assurer une évacuation de la chaleur à partir des fibres environnantes 15. Dans une autre variante du refroidisseur à ailettes represen- té sur les figures 6 et 7 , il est prévu plusieurs tuyaux cylindriques de petites dimensions qui sont répartis en rangées verticales en dessous des tubulures de filière 13 et entre les rangées de tubulures 13. Cette variante a été représentée de façon plus détaillée sur la figure 5, qui montre un collecteur 61 comportant plusieurs tuyaux de refroidissement 52 qui sont répartis en rangées verticales depuis le haut jusqu'en bas du collecteur 51. En fonc tionnement, les tuyaux de refroidissement 52 sont montés dans le collecteur 51 de la même manière que les ailettes en forme de plaquettes 14 dans le collecteur 21. Dans ce mode de réalisation de ltinvention,les éléments de transmission de chaleur 52 de forum forme cylindrique contiennent une mèche d'une structure semblable à celle de la mèche de la figure 4 et les tuyaux 52 sont scellés aux deux extrémités de manière qu'ils fonctionnent d'une façon identique aux plaquettes décrites en référence à la figure 4. le différence essentielle entre ce mode de réalisation et celui de la figure 4 consiste en ce qu'on peut utiliser des matières différentes comme fluide de transmission de chaleur dans chacun des tuyaux répartis verticalement 52, Ainsi, le tuyau supérieur 52a et les tuyaux situés immédiatement en dessous, c 'est-à-dire 52b , 52c et 52d, peuvent contenir des mèches qui sont placées de façon que des matières de transmission de chaleur présentant différentes chaleurs;de vaporiStion établissent un gradient de température entre les rangées de tuyaux de transfert de chaleur 52 dans une direction verticale. en conséquence,les fibres de verre passant entre les rangées de tuyaux de transmission de chaleur 52 peuvent Entre considérablement réduites en température par les surfaces des tuyaux 52,chacun des tuyaux opérant avec les fluides différents de transmission de chaleur en vue d' évacuer la chaleur de façon réglée à partir des fibres 15 pendant le mouvement vertical de ces dernières.La figure 6 représente le collecteur 51 dans lequel sont disposés les tuyaux 52, le canal central de refroidissement 53 et le tuyau de sortie 54 du fluide de refroidissement passant dans le canal 53. Dans l'équipement décrit ci-dessus,on fait intervenir des matières classiques pour filières de formage de fibres de verre. Ainsi1 la filière 10 est habituellement constituée de platine ou d'un alliage de platine approprié , tel qu'un alliage de platine et de rhodiums, les tubulures de la filière sont également formées d'une manière classique et,bien qu'on utilise dos tubulures dans les modes de réalisation représentés, il va de soi qu'on peut aussi utiliser des orifices. Les plaquettes de refroidissement 14 sont constituées, on particulier sur leurs surfaces extérieures, d'un métal approprié présentant un grand coefficient de transmission de chaleur. Comme matière appropriée,on peut utiliser du cuivre et de l'argent en outre, du fait du haut rendement de la matière formant mèche à transmettre de la chaleur, les plaquettes et les tuyaux peuvent etre constitués d'acier inoxydable ou d'aluminium.Ces matières d'ailettes peuvent Outre revêtues avec d'autres métaux afin d'ac quérir une résistance à la contamination par les liants se trou vant dans l'environnement situés autour de la filière; on peut ainsi les recouvrir d'une mince couche de nickel ou de chrome ou de tout autre métal de ce genre,afin d'assurer ce type de protection. Il n'est pas essentiel que les ailettes soient retenues et on peut utiliser des barres en cuivre nu. Le collec- teur est généralement constitué de vouivre et il comporte un trou central dans lequel s'écoule le fluide de transmission de chaleur. Dans le mode préféré de réalisation de l'invention,ce fluide de transmission de chaleur est de l'eau On peut utiliser différentes matières formant mèche dans les plaquettes de refroidissement à ailettes et dans les tubes indiqués. Ainsi, on peut par exemple utiliser, pour former les mèches de la toile, des fibres de verre, des trullis en fil métallique,des matières céramiques et des matières similaires. las liquides vaporisables peuvent consister en de l'eau, des solvants vaporisables tels que du trichioréthylène ,du perchloréthylène, du chloroforme , du chloroforme méthyle , du tStra- chlorure de carbone,du mdthanol,de la glycérine, du mercure et des substances similaires. En utilisant les plaquettes et tubes de transmission de chaleur selon l'invention à la place des matières métalliques solides utilisées classiquement,on obtient commodément des taux de transmission de chaleur considérablement supérieurs à ceux couramment atteints. Ainsi, l'utilisation de la mèche interne sur les surfaces de refroidissement des plaquettes métalliques et des tubes cylindriques utilisés pour le refroidissement des structu- res à ailettes selon l'invention permet d'obtenir des taux de transmission de chaleur d'une grandeur telle qu'il est possible de faire fonctionner commodément de grosses filières comportant un grand nombre de rangées de tubulures, puisque les difficultés rencontrées par le passé pour évacuer la chaleur des filières de fibres de verre sont supprimées. REVENDICATIONS 1. Refroidisseur à aiglettes, caractérisé en ce quril comprend un collecteur allongé pourvu dtun moyen servant à faire circuler un fluide de transmission de chaleur dans sa direction longitudinale, plusieurs éléments en forme de plaquettes qui sont montés perpendiculairement sur le collecteur, chaque plaquette comportant un élément formant mèche sur ses surfaces intérieures, une cavité centrale et un liquide vaporisable placé dans ledit élément. t. Application du refroidisseur à ailettes selon la revendication 1 au formage de fibres de verre, caractérisée en ce quelle consiste en une combinaison d un récipient destiné à recevoir du verre en fusion, de plusieurs orifices prévus au fond du récipient et répartis en rangées parallèles, de plusieurs éiéments à ailettes en forme de plaquettes, qui sont disposés entre les rangées d'orifices, les ailettes étant montée à une extrémité dans un collecteur, d'un moyen pour faire passer un fluide réfrigérant dans le collecteur, chaque plaquette comportant une matière formant mèche,*qui est fixée sur les surfaces intérieures de la plaquette et qui définit dans celle-ci une cavité centrale, et d'un liquide vaporisable placé dans ladite mèche. 3. Application selon la revendication 2, caractérisée en ce que les ailettes sont montées dans le collecteur de manière à entrer en contact avec un fluide réfrigérant passant dans le collecteur. 4. Application selon la revendication 2, caractérisée en ce qu elle consiste en une combinaison d'un récipient destiné à recevoir du verre en fusion, de plusieurs orifices prévus au fond du récipient et répartis en rangées parallèles, de rangées de tubes verticalement alignés et disposés entre les rangées d'orifices, chaque tube comportant une matière formant mèche qui est fixée sur sa surface intérieure et qui définit dans celui-ei une cavité centrale, et d'un liquide vaporisable placé dans ladite mèche 5. Application selon la revendication 4 caractérisée en ce que le liquide vaporisable se trouvant dans chaque tuyau de chaque rangée verticale est vaporisable à une température différen- te.