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PERFECTIONNEMENTS AUX ECHANGEURS THERMIQUES ET EN
PARTICULIER AUX SURCHAUFFEURS DE VAPEUR.
La présente invention se rapporte à des per- fectionnemtns aux échangeurs thermiques, applicables prin- cipalement aux surchauffeurs de vapeur, et en particulier aux surchauffeurs de vapeur chauffés par rayonnement .
Elle a pour objet de limiter l'élévation de température possible des appareils, dans les qulels se fait rechange de chaleur, en oas d'arrêt ou de diminution de la circulation à l'intérieur de ceux-ci. du fluide à réchau- fer, ou enaore en oas d'élévation trop intense de la tempé- rature à l'intérieur de l'enceinte de chauffage, qui est en
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général la chambre de combustion d'un foyer .
Cette invention, qui résulte des travaux et recherches de M. Henry DIET@RELEN consiste essentiellement à associer aux tubes à protéger de l'échangeur thermique, des tubes maintenus à une température considérablement inférieu- re à la température maxima à éviter, et à relier ces tubes aux premiers à l'aide de masses métalliques convenablement choisies, de manière à ce qu'il se produise dans toute l'é- tendue de ces masses métalliques depuis les tubes à protéger jusqu'aux tubes protecteurs, une chute progressive de température, à peu près indépendante du débit de la ciroula- tion du fluide à réchauffer dans les tubes de l'échangeur oon- sidéré,
et assurant dans les tubes à protéger une température maxima bien déterminée constamment inférieure à la températu- re dangereuse à éviter C'est ainsi que sans le cas de surchauffeurs de vapeur, on ajoindra aux tubes surchauffeurs proprement dite- des tubes vaporisateurs à circulation d'eau à température con- sidérablement inférieure à la température de l'enceinte dans laquelle sont placés les tubes surchauffeurs , et l'on rend- ra les tubes vaporisateurs et les tubes surchauffeurs à l'ai- de de masses métalliques de refroidissement, le long desquel- les se produira une répartition progressive des températu- res, qui,
par un choix convenable des dimensions et du profil des tubes et des masses utilisées, peut être rendue à peu près indépendante de la ciroulation de vapeur saturée dans les tubes surchauffeurs. ce qui protège par suite oes derniers contre tout: élévation dangereuse de température due à un ar- rêt ou une diminution de cette circulation, ou encore contre une élévation trop intense de la température de la chambre de combustion dans laquelle ils sont places
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L'invention s'applique aux su@chauffeurs chauffes par oonvexion ou par rayonnement, ou encore aux surchauffeurs .chauffas à la fois par oonvexion et par rayonnement .
Les tube:: à protéger et les tubes protecteurs peu- vent êttre placés de façon quelconque les uns par rapport aux autres tout an étant de préférence parallèles ; les. Nasses mé- talliques peuvent recevoir telle fomequi conviendra lemieux, être oontinues ou interrompues, et être ondulées (de même que les tubes utilisés) de manière à conserver une certaine élas- ticité
Les avantages de la présente invention apparaîtront successivement au cours de la'description ci-dessous, mais on peut déjà remarquer qu'il devient possible, avec la disposition revendiquée, de limiter d'une façon très exacte, pour des con- ditions données de température dans la chambre de chauffe,
la température maxima que prennent les tubes à protéger et la tempé- rature maxima du fluide à réchauffer, même si le débit dans les tubas considérés est variable . On peut , par suite, grâce à la diminution de l'influence du débit du fluide à réchauffer sur la température des tubes à protéger, régler dans de plus larges limites l'utilisation des échangeurs ou des surchauffeurs. et mettre ces derniers partiellement ou totalement hors circuit sans craindre aucune avarie aux tubes portés 4 haute température.
On comprendra plus clairement la nature et les avantages de l'invention en se référant à la description et au dessin annexé, dans lesquels :
La figure 1 expose le principe de l'invention sépposée appliquée à un surchauffeur chauffé par rayonnement.
Les figures de 2 à 8 représentant différentes formes d'exécution basées sur le principe précédent
La figure 9 montre une installation utilisant l'une quelconque des dispositions précédentes et munie d'un
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dispositif de réglage particulier .
En se référant à la figure 1, on a représenté en 1 ur. tube vaporisateur de chaudière muni d'ailettes axiales 2 faisant intérieurement corps avec lui et exposé au rayonnement de la chambre de combustion 3 . (le tube connu sous le nom de tube "Murray", et utilisé pour tapis- ser les parois ces ohambres de combustion, est supposé re- lié d'une part au collecteur-eau et d'autre part au oolleo- teur-vapeur de la chaudière,.et fonctionne par suite comme -tube vaporisateur .
La température de l'eau de circulation dans ce tube étant par exemple de 200 , on voit qu'à chaque condition de température régnante dans la chambre 3 au voi- sinage des ailettes 2, correspondront des températures bien déterminées le long des ailettes 2 ; si l'on admet par exemple que pour des conditions de température données existantes en 3, la longueur et l'épaisseur de l'ailette ont été déterminées de telle sorte que les extrémités de celle-ci aient une température de 550 par exemple, on voit que le long de l'ailette jusqu'à son.point de raccordement avec le tube, se produira une diminution graduelle de la température de l'ailette et qu'il y aura ainsi dans celle- ci des sections d'égale température,
c'est-à-dire que dans le corps ainsi formé par le tube et ces ailettes on pourra relever touts une série d'isothermes allant de 200 à 550
Si l'on perce maintenant à l'extrémité 4 de- l'ailette , dans la zone correspondante de l'isotherme de 540 , un conduit 6 parallèle à l'axe du tube, on pourra ad- mettre, à peu de chose près, que les parois intérieures de ce conduit 5 auront une température de 5400
Si l'on utilise ce conduit 5 comme surohauf- feur en le faisant traverser par de la vapeur saturée, ion constate :
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1 Que, tant que l'extrémité 4 de l'ailette n'aura pas souffert elle-même de l'action de la chaleur, l'élément de surchauffeur obtenu ne pourra lui-mêm6 subir aucune avarie pour la même raison .
2 Que la température de la vapeur surchauffée produite ne pourra dépasser la température maxima de la paroi du con- duit 5 .
Or, l'expérience montre qu'il est possible d'établir des tubes 1 munis d'ailettes 2 résistant pour une durée extrêmement longue aux conditions de fonctionnement les plus dures, et sans présenter aucune trace de destruc- tion du fait de la chaleur . Les sachauffeurs, construits comme on vient de le voir, résisteront donc parfaitement aux conditions de température les plus dures .
Enfin, il est bien évident que, si la vapeur est admise à circuler dans le conduit 5, il en résultera. un refroidissement supplémentaire de l'ailette, donc une diminution de la température du métal de cette ailette .
D'une manière générale, on voit qu'en choisis- sant convenablement la longueur de l'ailette, son épaisseur et le diamètre du tube, il est possible de réaliser, pour des conditions données de température dans la chambre de combustion'3, toutes conditions de températures maxima que l'on voudra pour la paroi du conduit 5 et l'extrémité de l'ailette
On va donner maintenant, dans les figures 2 à 8, quelques formes d'exécution basées sur le principe que l'on vient de définir .
Dans la figure 2. on a supposé les parais de la ohambre de combustion 3 garnies de tubes surchauffeurs 5, auxquels on a donné pour- la clarté du descin, des dimensions bien supérieures aux dimensions normales, et derrière les-
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quels sont placés des tubes -vaporisateurs 1, la jonction entre les tube? 1 et 5 étant assurée par des ailettes ou ner- vures 2.
Dans ces conditions, le tube 5 sera tout entier à peu près à la même température, et la chute entre cette température et celle du tube l, se fera principalement le. long Ses ailettes 2 .
Prati@uement, les caraotéristiques suivantes t diamètre et épaisseur du tube surchauffeur, diamètre et épaisseur du tube vaporisateur, longueur et section du pro- fil de jonction, seront déterminées de telle sorte que, même en l'absence de circulation devapeur dans le tube sur- chauffeur, l'ensemble ainsi formé soit toujours suffisamment refroidi par le tube vaporisateur pour çu'il ne puisse se dé- tériorer, et que d'autre part la température du tube surchauf- feur, ne dépasse pas celle pour laquelle celui-ci pourrait se détériorer ou celle pour laquelle on obtiendrait une surchauf- fe trop importante .
Les différents organes utilisés peuvent être @ réunis ensemble de manière à former un bloc ou une masseuni- que comme le montrent les figures 3 à 5 .
Dans la figure 3, le vaporisateur 1 et les tubes sufchauffeurs 5,6 sont noyés dans la semé masse de métal 7, supposée obtenue par fusion, par exemple par alumino-thermie. ou par électrolyse ll est même possible, comme le montre la figu- re 4, de découler la masse 7 à l'aide de rainures, telles que 8, de manière à déterminer une partie chauffée 7 et une partie refroidie 7' ; le profil de jonction 8' aura une ré- sistivité thermique telle qu'il s'établira entre 7 et 7' la .différence de température désirée..
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De même il sera possible, comme on le voit fi- gure 5, de relier l'élément surchauffeur 5 au tube vaporisa- teur.l, au moyen de pièces 9 par exemple venues de fonte et juxtaposées fortement contre les éléments 5 et 1, avec utili- cation de préférence d'un ciment conducteur de la chaleur destiné à assurer une bonne jonction entre la dite pièce 9 et les élémats 5 et 1 .Le nombre des éléments 5 et 1 et leur mode de jonction sont évidemment quelconques . La liaison par boulon 9' de la figure 5 n'est donnée qu'à titre d'exemple,
Il n'est pas nécessaire, diaprés ce qui précè- . de, que les tubes surchauffeurs 5 soient chauffés directement par oonvexion ou radiation .
Ces tubes peuvent être chauffés entièrement par conduction, comme le montre la figure 6, dans laquelle le tube surchauffeur 5 n'est chauffé que par conduc- tion de la chaleur de rayonnement du foyer 3 à travers la mas- se métallique 2 le reliant au tube vaporisateur 1 etprolon- gée en 2' de manière à former écran entre le tube 5 et le foyer 3.
Les mêmes tubes peuvent être chauffés partielle- ment par rayonnement et par conduction, comme on s'en rend compte par le simple examen de la figure 7 .
Enfin les tubes vaporisateurs 1 et sufchauf- feure 5 qui ont été supposés parallèles, peuvent être, la cas échéant, disposés d'une façon quelconque, les uns par rapport aux autres, par exemple à angle droit comme le montre la figure 8 . Les ailettes ou masses métalliques de raccorde- ment 2, qui jusqu'ici se raccordaient aux tubes suivant des génératrices parallèles à l'axe de ces derniers, pourrait être raccordées d'une façon différente, notamment radialement, et continuer à remplir leur rôle quoique d'une façon moins
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parfaite .
Pour tenir compte des dilatations inégales des tubes vaporisateurs et des tubesurchauffeurs, les masses de raccordement pourront recevoir telle forme qui leur con- viendra le mieux, et notamment être ondulées, ainsi que les tubes eux-mêmes de manière à avoir une certaine élasticité.
Elles pourront être continues ou discontinues,
Les surchauffeurs construits conformément à l'invention, présentent une souplesse de conduite remarqua- ble . En effet, si la quantité de chaleur absorbée par le tube vaporisateur, se trouve être, en raison des caractéris- tiques des éléments utilisés, très supérieure à la quantité de chaleur abandonnée à la vapeur par le tube surchauffeur, la température de surchauffe obtenue dépendra peu du débit de vapeur dans le tube .
Il devient par suite, de peu d'importance, avec ces surchauffeurs, de diminuer et même de supprimer le débit de la vapeur dans le surchauffeur ,
On pourra dès lors régler facilement la marche de ces surchauffeurs, en utilisant par exemple le disposi- tif de réglage représenté figure 9
Dans cette figure, on a désigné par 10 le collecteur de vapeur saturée et par 11 le collecteur final de vapeur surchauffée .
La surchauffe de la vapeur pmvenant du collecteur 10 peut s'effectuer d'une part dans une pre- mière batterie de tubes surchauffeurs 12 conformes à l'in- vention et reliant le collecteur 10 à un premier collecteur @ intermédiaire 13, et d'autre part par une deuxième batterie de tubes surchauffeurs 14 reliant le collecteur 13 à un deuxième collecteur intermédiaire 15 communiquant par l'in- termédiaire d'une conduite 16 munie d'un dispositif de fer- meture 17 avec le collecteur final 11 de vapeur surchauffée.
Le collecteur intermédiaire 13 est relié au nome oollea- teur 11 par une canalisation de by-pass 18 pourvue d'un dis-
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positif de'réglage 19 Enfin les collecteurs 10 et 11 sont relisés comme d'habitude, par une canalisation de by-pass 20,
On voit facilement qu'en agissant sur le dis- positif 19, on'règle la quantité de vapeur passant du sol- lecteur 13 dans les tubes surchauffeurs 14, et par suite, on utilise une portion plus ou moins grande de l'appareil sur- ohauffeur, ce qui permet d'agir sur la température de sur- chauffe .
Enfin, en fermant par exemple la dispositif
17, on peut isoler complètement la batterie des tubas sur- chauffeurs 14 . On arrive ainsi, par des dispositifs très simples, à régler la température de la vapeur surchauffée .
La présente description n'est donnée, comme on l'a déjà dit, qu'à titre d'exemple . Tout ce qui a été dit pour las surchauffeurs peut s'appliquer aux éohangeurs thermiques en général, en remplaçant les tubes surchauffeurs par les tubes de l'échangeur, et les tubas vaporisateurs par des tubes à circulation de fluide à température bien infé- rieure à celle des tubes de l'échangeur. Il est bien en- tendu que le mode de raccordement des masses de refroidisse.- ment aux tubes peut être quelconque, et dépendra de la nature des surfaces en présence et de la température 4 supporter .
REVENDICATIOS.
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