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Cette invention concerne les échangeurs de chaleur tubulaires et les tubes d'échangeurs de chaleur et elle se rapporte plus particulièrement à un type d'échangeur de chaleur propre à effectuer le chauffage d'un fluide au moyen de la chaleur sensible contenue dans un fluide gazeux chaud de tempé- rature relativement faible mais amené en grandes quantités sous une pression élevée. L'invention peut être appliquée en parti- culier aux économiseurs et aux sections vaporisables des groupes générateurs de vapeur d'une installation de chaudière du type comprenant une série de groupes générateurs de vapeur couples en
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série dans un parcoure @e gaz de chauffe dont chaque groupe produit de la vapeur à une pression correspondant à
la tempé- rature des gaz à la sortie du groupe, de telle sorte qu'on ' obtient de la vapeur à des pressions différentes, la pression de la vapeur dans chaque groupe successif du parcours des gaz étant inférieure à celle du groupe précédent dans une région à température plus élevée du par@@urs. Une telle installation est décrite dans la demande de brevet français n 695.493 dans son application au refroidissement d'une installation indus- trielle, engendrant des quantités considérables de chaleur, au moyen de gaz qui doivent être mis en circulation en grandes nasses sous une chute de pression modérée.
Dans les échangeurs de chaleur tabulaires, le courant de gaz de chauffe se fait dans une direction transversale par rapport au faisceau de tubes dans lesquels le fluide à chauffer circule et qui peuvent être pourvus d'ailettes. Néanmoins cer- tains échangeurs de chaleur emploient une circulation longitu- dinale des gaz de chauffe le long des tubes Qui ne sont pas pourvus d'ailettes mais sont très rapprochés les uns des autres.
Ces dispositions ne peuvent être appliquées au cas considéré en raison de l'ordre trop élevé de la chute de pression ou de l'insuffisance du coefficient d'échange qui pourraient nécessiter des dimensions et un poids excessifs. L'invention apporte une solution à ce problème.
Un échangeur de chaleur tubulaire suivant la présente invention comporte un faisceau de tubes disposé dans une sone d'échange de chaleur et destiné à assurer l'échange de chaleur entre un fluide à chauffer circulant à l'intérieur des t@@es et un fluide gazeux chaud circulant longitudinale/tient sur la face extérieure des tubes oui présentent chacun quatre nervures ou ailettes longitudinales ext@ fleures ayant une @@uteur approxi-
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mativement égale au rayon externe du tube et une épaisseur approximativement égale à celle de la paroi du tube mais s'élar- gissant vers la racine ou le pied.de l'ailette et disposées de telle façon que deux axes transversaux ou lignes diamétrales perpendiculaires peuvent être tracés par
rapport à la section transversale du tube, de manière qu'une paire d'ailettes situées d'un côté de chaque axe soit disposée symétriquement par rap- port à la paire d'ailettes située du côté opposé de cet axe, les ailettes étant disposées dans le faisceau en rangées mutuel- lement transversales de manière que les tubes de chaque rangée soient placés de telle façon que l'un de ces axes transversaux de chaque tube de la.rangée intersecte les axes longitudinaux des autres tubes de la rangée et qu'au point où ils sont le plus rapprochés l'un de l'autre, les tubes sont espacés d'une.
quantité inférieure à la hauteur des ailettes, la disposition étant telle qu'à l'extérieur des tubes la zone comprend des sections élémentaires délimitées chacune par des surfaces d'échange de chaleur opposées couvrant approximativement chacune le quart de la circonférence d'un tube entre les faces latérales d'ailettes adjacentes et ayant un développement au moins trois fois plus grand que la largeur de l'espace de circulation entre les sections élémentaires contiguës.
Un tube suivant l'invention destiné à être employé dans un échangeur de chaleur du type spécifié dans le paragraphe précédent présente quatre nervures ou ailettes externes longitu- dinales ayant une hauteur approximativement égale au rayon exté- rieur du tube et une épaisseur approximativement égale à celle de la paroi du tube, mais s'élargissant vers la racine ou le pied et disposées de telle façon que deux lignes diamétrales ou deux axes transversaux perpendiculaires entre eux peuvent être tracés par rapport à la section transversale du tube de
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manière qu'une paire d'ailettes située d'un côé de l'axe soit disposée symétriquement par rapport à la paire d'ailettes située du côté opposé de l'axe,
tandis que l'espace à l'intérieur du tube est divisé en quatre zones conductrices de fluide extérieures de section transversale segmentaire et un espace central de section transversale carrée en communication avec les zones exté- rieures mais fermé à la circulation du fluide, le pied des ai- lettes étant situé en regard de la partie de la zone extérieure correspondante qui a la plus grande hauteur radiale.
L'invention sera décrite ci-après à titre d'exemple avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
Figs. 1 et 2 sont des vues schématiques, en coupe verticale et en plan respectivement, d'un échangeur de chaleur;
Fig. 3 est une coupe transversale d'une forme d'exé- cution de tube destinée à être utilisée dans le faisceau tubulaire d'un échangeur de chaleur;
Fig. 4 est une coupe transversale d'une autre forme d'exécution de tube destinée à être utilisée dans le faisceau tubulaire de l'échangeur de chaleur, les traits de chaînette indiquant le contour d'une partie d'un autre tube similaire, en vue de montrer la position relative'des tubes dans le faisceau tubulaire, et
Fig. 5 est une coupe transversale d'un faisceau tubes du type représenté sur la Fig. 3, montrant la disposition des tubes dans le faisceau tubulaire.
L'échangeur de chaleur représenté sur les Figs. 1 et 2 est un économiseur situé à l'entrée du premier d'une série de groupes générateurs de vapeur d'une installation de production de vapeur du genre mentionné ci-dessus. Cet économiseur occupe la partie inférieure d'une enveloppe cylindrique verticale 1 qui est traversée du sommet à la base par les gaz chauds.
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A l'intérieur de l'enveloppe 1, deux cloisons trans- versales 2 et 3, formant une entrée 4 et une sortie pour les gaz, délimitent la hauteur de la zone des échanges de chaleur de l'économiseur. A la base de l'enveloppe, un fond 6 coopère avec la cloison 3 pour délimiter une chambre de sortie 7 pourvue d'un ajutage 8 pour la sortie des gaz refroidis dans l'échangeur de chaleur.
La zone des échanges de chaleur de l'économiseur est un espace central de section transversale carrée borné par un cloisonnage prismatique 9 s'étendant entre les cloisons 2 et 3 et contenu dans l'enveloppe 1 et la zone est divisée en quatre conduits égaux de section transversale carrée 10 par des cloi- sons longitudinales 11. Chacun des conduits 10 possède une entrée de gaz à son extrémité supérieure et une sortie de gaz à son extrémité inférieure.
Ainsi, au sommet de l'un des conduits se trouve l'entrée des gaz 4 et tous les autres conduits ont leurs entrées de gaz 14 ménagées dans le cloisonnage 9 et communiquant avec des passages sédentaires périphériques respectifs 13 formés entre le cloisonnage 9 et l'enveloppe 1, tandis qu'à la base d'un autre de ces conduits se trouve la sortie des gaz 5 et tous les autres conduits ont leurs sorties de gaz 12 également formées dans le cloisonnage 9 et communiquant avec lespassades corres- pondants 13, la disposition étant telle que les gaz descendant dans les quatre conduits 10 dans l'ordre A, B, C, D et s'élèvent dans trois des passages 13 successivement, les gaz quittant,
un conduit par une sortie de gaz 12 s'élevant dans un passa.1/' 13 pour se rendre à l'entrée 14 d'un conduit adjacent,
Chaque conduit 10 e st occupé par un jeu (le tubes longi- tudinal 15, forme de rangéesde tubes dont les extrémités infé- rieures sont soudées à des collecteurs d'entrée transversaux 16 et dont les extrémités supérieures non', soudées à de;
3 collecteurs
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de sortie transversaux 17. Le collecteurs 16. des quatre jeux de tubes sont reliés par des tubes 18 à des distributeurs corres- pondants 20, tandis que les collecteurs 17 des quatre jeux de tubes sont reliés par des tubes 19 à des collecteurs correspon- dants 21. Les distributeurs 20 sont constitués par deux grands tubes transversaux 22 divisés chacun en son milieu par une cloi- son 23. Les collecteurs 21 sont de construction similaire.
Le distributeur 22 marqué possède une entrée d'eau froide 24 et trois des collecteurs sont reliés séparément aux trois autres distributeurs par des raccordements 33, 34 et 35 de telle sorte qu'une circulation d'eau se produit successivement du distributeur a par le groupe de tubes associé et son collec- teur et le raccordement 33 au'distributeur b, par le groupe de tubes associé à celui-ci, son collecteur et le raccordement 3.4 au distributeur c, par le groupe de tubes associé à ce dernier, son collecteur et le raccordement 35 au distributeur d et par le groupe de tubes associé à ce distributeur à son collecteur qui est pourvu d'une sorLLe d'eau réchauffée 25.
Ainsi, la circu- lation d'eau entre l'entrée 24 et la sortie 25 se fait en contre- courant par rapport à la circulation des gaz.
Les jeux de tubes sont constitués de tubes similaires présentant chacun quatre nervures longitudinales extérieures, venues de matière, qui forment des ailettes 27 en saillie sur la paroi 26 du tube. Les ailettes 27 sont symétriques par rap- port à deux lignes diamétrales ou axes transversaux perpendicu- laires entre eux de la section transversale du tube et compren- nent des paires d'ailettes dirigées en sens opposés. Sur la Fig. 3, ces axes transversaux sont indiqués par des traits interrompus et l'on constatera qu'une paire d'ailettes située d'un côté de chaque axe est symétrique à la paire d'ailettes située du côté oppose de l'axe.
La hauteur des ailettes est approximativement égale au rayon extérieur du tube et leur épais-
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seur est approximativement égale à celle de la paroi du tube., mais les ailettes augmentent d'épaisseur en se rapprochant de la racine.
De préférence les ailettes sont disposées par paires d'ailettes dirigées en sens opposés, comme c'est représenté sur la Fig. 3, chaque paireétant contiguë à un plan tangentiel au tube et les deux plans étant diamétralement opposés et parallèles entre eux. Toutefois, les ailettfj3 peuvent, comme c'est indiqué sur la Fig. 4, être radiales et disposées en paires de directions opposées, l'axe d'une paire étant perpendiculaire à l'axe de l'autre paire.
L'espace intérieur de chaque paire est divisé en com- partiments par le cloisonnage 28 de section carrée, dont les angles sont en'contact avec la paroi du tube. Le cloisonnage ' est fermé à ses extrémités mais est construit de façon à per- mettre une égalisatio de la pression entre l'intérieur et l'ex- térieur et il est constitué, par exemple, d'une plaque repliée entre les bords adjacents de laquelle est ménagé un léger inter- valle. Cette cloison délimite une zone centrale morte 29 et quatre zones périphériques vives 30 dans lesquelles le fluide à chauffer circule. Le cloisonnement est établi de manière que le pied des ailettes se trouve en regard de la partie de largeur radiale maximum du passage correspondant 30.
Les tubes de chaque jeu, comme le montre la Fig. 5, sont groupés en rangées mutuellement transversales, les tubes de chaque rangée étant placés de telle manière que l'un des axes transversaux mentionnés ci-dessus de chaque tube intersecte les axes longitudinaux des autres tubes de la rangée. Les tubes sont espacés en leurs points les plus rapprochés d'une quantité inférieure à la hauteur de l'ailette, ce qui forme à l'extérieur des tubes un espace libre de section relativement grande mais présentant des surfaces d'échange de chaleur étendues.
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Dans la disposition des tubes représentée sur la Fig. 5 on remarquera que larégion à l'extérieur des tubes com- prend des sections élémentaires telles que 31 et 32, communiquant entre elles par les espaces situés entre lesextrémités des ailettes, et que chacune des sections élémentaires est délimitée par deux surfaces opposées présentant chacune un développement au moins trois fois plus grand que la largeur de l'espace de circulation entre les sections élémentaires voisines.
Ainsi, la surface d'échange de chaleur est très éten- due, bien que les gaz chauds aient des passades prismatiques amplement ouverts disponibles, n'occasionnant qu'une très légère perte de charge, même pour des masses animées d'une, grande vitesse. Ainsi on obtient un coefficient d'échange correct pour un poids et des dimensions minima.
Dans une installation productrice de vapeur comprenant des groupes générateurs de vapeur montés en série dans le parcours des gaz suivant la demande de brevet précitée, pour des débits de l'ordre de 500.000 kg par mètre carré par heure, les gaz chauds à une pression de 15 kg par centimètre carré subissent une chute de pression inférieure à 300 gr par centimètre carré dans l'installation productrice de vapeur entière. Dans l'éco- nomiseur on obtient un coefficient d'échange total rapporté à la surface de contact extérieure avec les gaz égal à 152 et la température moyenne des gaz tombe de 108 C à 78 C.
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This invention relates to tubular heat exchangers and heat exchanger tubes and more particularly relates to a type of heat exchanger capable of heating a fluid by means of the sensible heat contained in a gaseous fluid relatively low temperature hot but supplied in large quantities under high pressure. The invention can be applied in particular to economizers and to vaporizable sections of steam generator groups of a boiler installation of the type comprising a series of steam generator groups coupled in
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series in a heating gas route, each group of which produces steam at a pressure corresponding to
the temperature of the gases at the outlet of the group, so that vapor is obtained at different pressures, the pressure of the vapor in each successive group of the gas path being lower than that of the preceding group in a higher temperature region of the par @@ urs. Such an installation is described in French patent application No. 695,493 in its application to the cooling of an industrial installation, generating considerable quantities of heat, by means of gases which must be circulated in large traps under a drop of water. moderate pressure.
In tabular heat exchangers, the flow of heating gas is in a direction transverse to the bundle of tubes in which the fluid to be heated circulates and which may be provided with fins. However, some heat exchangers employ a longitudinal circulation of the heating gases along the tubes which are not provided with fins but are very close to each other.
These provisions cannot be applied to the case considered because of the too high order of the pressure drop or the insufficient heat exchange coefficient which could require excessive dimensions and weight. The invention provides a solution to this problem.
A tubular heat exchanger according to the present invention comprises a bundle of tubes arranged in a heat exchange area and intended to ensure the exchange of heat between a fluid to be heated circulating inside the t @@ es and a fluid. hot gas flowing longitudinally / holds on the outer face of the tubes yes each have four outer longitudinal ribs or fins having an approx.
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matively equal to the external radius of the tube and a thickness approximately equal to that of the tube wall but widening towards the root or the root of the fin and so arranged that two transverse axes or perpendicular diametral lines can be traced by
relative to the cross-section of the tube, so that a pair of fins located on one side of each axis is arranged symmetrically with respect to the pair of fins located on the opposite side of this axis, the fins being arranged in the bundle in mutually transverse rows so that the tubes of each row are placed such that one of these transverse axes of each tube of the row intersects the longitudinal axes of the other tubes of the row and that at the point where they are closest to each other, the tubes are spaced one apart.
quantity less than the height of the fins, the arrangement being such that outside the tubes the zone comprises elementary sections each delimited by opposite heat exchange surfaces each covering approximately a quarter of the circumference of a tube between the side faces of adjacent fins and having a development at least three times greater than the width of the circulation space between the adjacent elementary sections.
A tube according to the invention for use in a heat exchanger of the type specified in the preceding paragraph has four longitudinal external ribs or fins having a height approximately equal to the outside radius of the tube and a thickness approximately equal to that. from the wall of the tube, but widening towards the root or the foot and arranged in such a way that two diametral lines or two transverse axes perpendicular to each other can be drawn with respect to the cross section of the tube of
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so that a pair of fins located on one side of the axis is arranged symmetrically with respect to the pair of fins located on the opposite side of the axis,
while the space inside the tube is divided into four outer fluid-conducting areas of segmental cross-section and a central space of square cross-section in communication with the outer areas but closed to fluid flow, the foot of the fins being situated opposite the part of the corresponding outer zone which has the greatest radial height.
The invention will be described below by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:
Figs. 1 and 2 are schematic views, in vertical section and in plan respectively, of a heat exchanger;
Fig. 3 is a cross section of an embodiment of tube for use in the tube bundle of a heat exchanger;
Fig. 4 is a cross section of another embodiment of tube for use in the tube bundle of the heat exchanger, the chain lines indicating the outline of part of another similar tube, in view to show the relative position of the tubes in the tube bundle, and
Fig. 5 is a cross section of a tube bundle of the type shown in FIG. 3, showing the arrangement of the tubes in the tube bundle.
The heat exchanger shown in Figs. 1 and 2 is an economizer located at the inlet of the first of a series of steam generator groups of a steam production plant of the type mentioned above. This economizer occupies the lower part of a vertical cylindrical casing 1 which is traversed from top to bottom by the hot gases.
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Inside the casing 1, two transverse partitions 2 and 3, forming an inlet 4 and an outlet for the gases, delimit the height of the heat exchange zone of the economizer. At the base of the casing, a bottom 6 cooperates with the partition 3 to delimit an outlet chamber 7 provided with a nozzle 8 for the outlet of the cooled gases in the heat exchanger.
The heat exchange zone of the economizer is a central space of square cross section bounded by a prismatic partition 9 extending between the partitions 2 and 3 and contained in the casing 1 and the zone is divided into four equal ducts of square cross-section 10 by longitudinal partitions 11. Each of the conduits 10 has a gas inlet at its upper end and a gas outlet at its lower end.
Thus, at the top of one of the ducts is the gas inlet 4 and all the other ducts have their gas inlets 14 formed in the partition 9 and communicating with respective peripheral sedentary passages 13 formed between the partition 9 and the casing 1, while at the base of another of these conduits is the gas outlet 5 and all the other conduits have their gas outlets 12 also formed in the partition 9 and communicating with the corresponding passages 13, the arrangement being such that the gases descending in the four conduits 10 in the order A, B, C, D and rising in three of the passages 13 successively, the gases leaving,
a duct through a gas outlet 12 rising in a passageway 13 to reach the inlet 14 of an adjacent duct,
Each duct 10 is occupied by a set (the longitudinal tubes 15, in the form of rows of tubes whose lower ends are welded to transverse inlet manifolds 16 and whose upper ends are not welded to;
3 collectors
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transverse outlet 17. The manifolds 16. of the four sets of tubes are connected by tubes 18 to corresponding distributors 20, while the manifolds 17 of the four sets of tubes are connected by tubes 19 to corresponding manifolds 21. The distributors 20 consist of two large transverse tubes 22, each divided in its middle by a partition 23. The collectors 21 are of similar construction.
The marked distributor 22 has a cold water inlet 24 and three of the collectors are connected separately to the other three distributors by connections 33, 34 and 35 so that water circulation occurs successively from distributor a through the group of associated tubes and its collector and the connection 33 to the distributor b, by the group of tubes associated with the latter, its collector and connection 3.4 to the distributor c, by the group of tubes associated with the latter, its collector and the connection 35 to the distributor d and by the group of tubes associated with this distributor to its collector which is provided with a heated water outlet 25.
Thus, the circulation of water between the inlet 24 and the outlet 25 takes place in countercurrent with respect to the circulation of the gases.
The sets of tubes consist of similar tubes each having four external longitudinal ribs, integral, which form fins 27 projecting from the wall 26 of the tube. The fins 27 are symmetrical with respect to two diametral lines or transverse axes perpendicular to each other of the cross section of the tube and include pairs of fins directed in opposite directions. In Fig. 3, these transverse axes are indicated by broken lines and it will be seen that a pair of fins located on one side of each axis is symmetrical to the pair of fins located on the opposite side of the axis.
The height of the fins is approximately equal to the outer radius of the tube and their thickness
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Its thickness is approximately equal to that of the wall of the tube, but the fins increase in thickness as they approach the root.
Preferably the fins are arranged in pairs of fins directed in opposite directions, as shown in FIG. 3, each pair being contiguous to a plane tangential to the tube and the two planes being diametrically opposed and parallel to each other. However, the ailettfj3 can, as shown in FIG. 4, be radial and arranged in pairs of opposite directions, the axis of one pair being perpendicular to the axis of the other pair.
The interior space of each pair is divided into compartments by the partitioning 28 of square section, the angles of which are in contact with the wall of the tube. The partitioning 'is closed at its ends but is constructed in such a way as to allow an equalization of the pressure between the interior and the exterior and it consists, for example, of a plate folded between the adjacent edges of the wall. which is left a slight interval. This partition delimits a central dead zone 29 and four bright peripheral zones 30 in which the fluid to be heated circulates. The partitioning is established so that the root of the fins is located opposite the part of maximum radial width of the corresponding passage 30.
The tubes of each set, as shown in Fig. 5, are grouped in mutually transverse rows, the tubes of each row being placed such that one of the above-mentioned transverse axes of each tube intersects the longitudinal axes of the other tubes of the row. The tubes are spaced at their closest points by an amount less than the height of the fin, which forms a free space on the outside of the tubes of relatively large cross-section but having extensive heat exchange surfaces.
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In the arrangement of the tubes shown in FIG. 5 it will be noted that the region outside the tubes comprises elementary sections such as 31 and 32, communicating with each other by the spaces situated between the ends of the fins, and that each of the elementary sections is delimited by two opposite surfaces each having a development at least three times greater than the width of the circulation space between the neighboring elementary sections.
Thus, the heat exchange surface is very large, although the hot gases have widely open prismatic passages available, causing only a very slight pressure drop, even for masses animated with a large. speed. Thus we obtain a correct heat exchange coefficient for a minimum weight and dimensions.
In a steam-producing installation comprising steam-generating units mounted in series in the gas path according to the aforementioned patent application, for flow rates of the order of 500,000 kg per square meter per hour, the hot gases at a pressure of 15 kg per square centimeter undergo a pressure drop of less than 300 gr per square centimeter in the entire steam producing installation. In the economizer, a total exchange coefficient is obtained relative to the external contact surface with the gases equal to 152 and the average temperature of the gases drops from 108 C to 78 C.
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