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procédé pour accroître la transmission de chaleur entre des gaz et des corps solides ou fondus.
Les connaissances théoriques acquises dans les der- niers tamps au sujet des lois de la transmission de la cha- leur entra les gaz et les corps solides ou fondus ontmontré que peur des températures supérieures à 500 C environnais particulièrement dans les zônes de tempérât ires dépassant en- viron 1000 C, l'action du rayonnement calorique des gaz pré- sente une importance considérable, et dans certains cas même une importance dominante par rapport à celle de la convection calorique, la seule qu'on avait l'habitude de prendre en con- sidération auparavant.
Cet effet de rayonnement diffère grandement suivant les diverses sortes de gaz et varie dans le même sens que
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le degré d'absorption des rayons caloriques propre aux gaz considérés, c'est-à-dire donc qu'il y a un rapport déterminé entre le rayonnement propre et le pouvoir d'absorption de la chaleur rayonnante d'un gaz.
Pariai les gaz qui absorbent le plus fortement les rayons caloriques on peut citer l'anhydride carbonique (002).
La vapeur d'eau (H20), l'oxyde de carbone (00) et les hydro- carbures peuvent également être considérés ccmme absorbant fortement les rayons caloriques, bien qu'à un degré moindre.
L'oxygène, l'azote, et l'air sont des gaz qui possèdent un pouvoir d'absorption de chaleur rayonnante ou un degré de rayonnement propre relativement très faible.
Le procédé suivant l'invention utilise les connaissan- ces ci-dessus mentionnées pour résoudre le problème de l'amélioration de la transmission de la chaleur entre des gaz et des corps solides ou fondus, qu'il s'agisse de dé- gagement ou d'absorption de chaleur par ces gaz. Le procédé consiste à augmenter dans les mélanges de gaz, qui compren- nant comme élément prédominant des gaz ayant un pouvoir d'absorption de la chaleurayonnante relativement faible, et par conséquent aussi un pouvoir de rayonnement relative- ment faible, la concentration en'matières présentant un pouvoir d'absorption de la chaleur rayonnante plus élevé.
Pour réaliser cette condition, il existe en pratique un certain nombre de moyens différents. On peut par exemple ajouter artificiellement à de semblables mélanges gazeux des gaz tels que ceux mentionnés ci-dessus, qui possèdent un pouvoir élevé d'absorption de la chaleur rayonnante, si possible à. l'état concentré.
Dans les mélanges gazeux,tels que l'air, qui sont composés presque exclusivement de par-
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Houles de gaz ayant un très faible pouvoir d'absorption de la chaleur rayonnante, il suffit déjà. dans certaines circons- tances, par exemple,, d'une addition de quelques millièmes ou de quelques centièmes d'anhydride carbonique et d'addi- tions semblables de vapeur d'eau pour augmenter notablement le rayonnement, du moins dans les zones de températures élevées et améliorer ainsi la transmission de la chaleur qui
4utreiaent ne pourrait se faire essentiellement que par convection, par l'adjonction du rayonnement.
Dans les foyers industriels, qui constituent le champ d'application principal de l'invention, où les gaz de combus- tion se comportent comme émetteurs de chaleur, comportant déjà. en dehors de leur teneur principale envoie une cer- taine quantité d'anhydride carbonique et de vapeur d'eau comme produits de combustion, on peut renforcer considera- blement la concentration de ces constituants avantageux pour le rayonnement, par certaines modifications dans la conduite du foyer, par exemple en employant en supplément un combustible spécialement choisi, ou encore en procédant d'une autre manière.
Les différents exemples d'exécution exposés ci-dessous permettront de se rendre mieux compte des différentes façons de procéder, EXEMPLE. -1. - soit ,;..,;.= une chaudière à tube-foyer (Chaudière de Cornouailles) chauffée au charbon pulvérisé, dans laquelle la combustion se faitode la manière connue dans une chambre de combustion établie devant la face antérieure de la chau- dière, tandis que les gaz de la combustion s'échappent à haute température de cette chambre pour pénétrer dans le tube de la chaudière.
Dans les ccnditions moyennes, ces gaz de combustion renfermant environ 15% d'anhydride carbo-
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nique et 6% de vapeur d'eau, deux gaz possédant un grand pouvoir rayonnant, et, pour le surplus, principalement de l'azote et de faibles proportions d'oxygène non brûlés, qui axe présentent tpus deux qu'un très faible pouvoir rayonnant.
Pour renforcer la rayonnement et par suite la transmission de chaleur,. on insuffle suivant l'invention, derrière le point d'entrée des gaz de la combustion dans le tube-foyer, de la vapeur d'eau qui peut être avantageusement surchauffée dans la maçonnerie chaude du foyer pour empêcher un refroidis- sement inopportun.
En ce point d'entrée de la vapeur d'eau, la combustion est pratiquement terminée déjà., de sorte que la vapeur ne peut plus produire d'action retardatrice sur la combustion. Si la quantité de vapeur d'eau ajoutée équivaut à 8% par exemple de la masse des gaz de combustion, ce qui n'est pas encore suffisant pour exercer una action perturba- trice appréciable, on peut obtenir, dans les zones de tempé- 'ratures les plus élevées, un accroissement de la transmission de chaleur par augmentation du rayonnement atteignant 20% d'après certaines évalutations, et dans les zones de tempé- ratures plus basses, un accroissement plus faible, mais néanmoins encore toujours appréciable.
Naturellement, ce sont précisément les accroissement dans les zones de tempé- ratures, élevées qui sont les plus opportuns, car par suite de la, grande différence de températures entre les gaz de combustion et la surface de chauffe, le pouvoir de vaporisa- tion par unité de surface de la surface de chauffe y est de loin le plus élevé.
EXEMPLE.-2.- Soit une chaudière à vapeur à tuba-foyer chauf- fée normalement au moyen de gaz de fours à coke, c'est-à- dire un gaz.relativement riche en hydrogène et pauvre en carbone. Les produits de la combustion d'un tel gaz contiennent
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da l'anhydride carbonique et de la, vapeur d'eau, c'est-à- dira des éléments de grand pouvoir rayonnant, à un degré de concentration d'environ 6% en 002 et 17% en H20. Pour aug- menter suivant l'invention la concentration des gaz de com- bustion an anhydride carbonique, constituant l'élément ayant de beaucoup la plus grand pouvoir rayonnant, on emploie un chauffage supplémentaire à la poussière de poix.
La poix de goudron de houille contient en prédominance clos hy- drocarbures aromatiques qui se caractérisant chimiquement par une teneur raisativement élevée en carbone et renferment en outre un pourcentage important de carbone libre sous forme de poussière, Les gaz de combustion de catta poussière de poix présentent, d'autant plus que dans ce combustible, les éléments inertes font pour ainsi''dire défaut, une concentra- tion relativement élevée en anhydride carbonique, de même qu'en vapeur d'eau,, On peut estimer en moyenne leur concentra- tion en CO2 à environ 16%, et en H2O à 7%.
Il est eviaent que par l'adjonction alun tel chauffage à la poussière de poix, on peut, même si sa part de pouvoir calorifique est considérablement inférieure à celle du chauffage normale à gaz de fours à coke, obtenir des augmentations sensioles de la concentration en anhydride carbonique dans les gaz de combustion. Il en résulte un accroissement du rayonnement et par conséquent de la transmission de chaleur par unité de surface de la surface de chauffe.
A ce résultat vient encore s'ajouter opprotunément l'avantage que la carbone solide existant dans les gaz de combustion à l'état incandescent,dont le pourcentage est augmenté par le mode de chauffage décrit présenta déjà-, comme on sait, par lui-même, un très haut pou- voir de rayonnement.
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EXEMPLE.-3.- soit une batterie de fours à coke à régénéra- tien chauffée de la manière, usuelle par son propre gaz de cokéfaction avec préchauffage élevé de l'air de combustion dans des régénérateurs. Dans les fours à coke récents à grand rendement, qui sont chauffes par des flânes ou des gaz de combustion à températures élevées, 1400 C et davantage, on peut affirmer que du côté de l'entrée des gaz brûlés dans les régénérateurs, des températures maxima de 1300 C pour les em- pilage!.' de briquas et de 1200 C pour l'air préchauffé qui s'en échappe, ne sont guère exceptionnelles.
En vue d'appliquer l'invention à ces fours, on ajoute l'air nécessaire à. la combustion un pourcentage modéré d'anhydride carbonique aussi concentré que possible et é- ventueellement aussi de la vapeur d'eau. On peut obtenir cet anhydride carbonique concentré dans les Installations de récupérations auxiliaires des fours à coke par l'em- pilo de certains procédés d'épuration des gaz de distilla- tion, dans lesquels l'anhydride carbonique est éliminé des gaz de distillation et isolé en même temps que certains éléments utiles.
On admet que de cette manière la concentra- tion de liair de combustion en anhydride carbonique, qui ne s'élève normalement comme on sait qu'à 0,03% seulement,monte à 1%, et la teneur de l'air de combustion en vapeur d'eau qui peut être estimée normalement à 1% environ, s'élève à 3%.
On peut alors, par des calculs théoriques, établir que p ar l'adjonction du rayonnement, la transmission de chaleur des empilages de briques à haute température du régénérateur à l'air du coté de l'extrémité chaude du régénérateur, où règnent les températures de 1300 et 1200 C mentionnées ci- dessus, est à peu près triplée, et que dans les zones où
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règnent una température d'environ 800 à 700 C, elle équivaut encore à environ une fois endémie enccre la valeur de la transmission de chaleur obtenue ordinairement, en majeure partie par confection.
Le rendement du régénérateur ast alibi augmenta c'est-à-dire qua l'air est chauffe plus forte- ment ou que las dimensions nécessaires de la chaire du régénérateur peuvent être réduites.
Du fait que l'air nécessaire à la combustion constitue de loin l'élément prédominant des matières entretenant la combustion et que le gaz de four à coke très riche en hydre- gène qu'on a choisi comme gaz de chauffe ne produit comme on sait (voir à ce sujet l'exemple 2 ci-dessus) que des concen- trations relativement falotes en anhydride carbonique dans les produits de combustion, l'augmentation de la concentra- tion en anhydride carbonique notamment, par addition arti- ficielle à l'air de combustion, se remarque aussi d'une façon sensible dans ces produits de combustion.
On peut donc s'at- tendre aussi à un accroissement de la transmission de chaleur par suite du meilleur rayonnement de l'anhydride carbonique, dans les carneaux *de chauffage du four à coke, et même, fina- lement, dans la partie chaude du régénérateur, dont on pro- voque le chauffage an y faisant passer la totalité des gaz de combustion venant des dits carneaux de chauffage des fours à coke.
Le fonctionnement du four est donc amélioré dans toutes ses parties par l'accroissement de la transmission (le chaleur,
Las exemples qui précèdent ont déjà. montré que dans certaines circonstances il peut être avantageux d'ajouter les substances augmentant la pouvoir de rayonnement, et d'une façon générale, d'effectuer le changement de composition des @
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;gaz transmettant la chaleur, en un point 'bien déterminé de l'installation. Une condition qui peut être décisive à ce peint de vue réside dans la grande dépendance:, mentionnée au début de ce mémoire entre 1. effet de rayonnement et l'élé- vation de la température.
Cette élévation de la température Varie dans chaque installation de transmission de chaleur, suivant les différents endroits ou les différentes zones de -l'installation. Il en résulte, par exemple, la possibilité d'appliquer le procédé suivant l'invention ades zones de températures avantageuses déterminées, par un choix appro- prié de l'endroit.
REVENDICATIONS.
1.-,Procède pour accroîtra la transmission de chaleur entre des gaz et des corps solides ou fondus, caractérisé en ce que l'on augmente la concentration des gaz en éléments ayant un pouvoir d'absorption de chaleur rayonnante relati- vement élevé, tels que l'anhydride carbonique, la vapeur d'eau, l'oxyde de carbone, les hydrocarbures.
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process for increasing heat transmission between gases and solid or molten bodies.
Theoretical knowledge acquired in the last tamps on the subject of the laws of the transmission of heat between gases and solid or molten bodies have shown that fear of temperatures above 500 C surrounds, particularly in areas with temperatures exceeding in - around 1000 C, the action of the caloric radiation of the gases is of considerable importance, and in certain cases even a dominant importance compared to that of caloric convection, the only one that we used to take in con - astonishment before.
This radiation effect differs greatly between the various kinds of gas and varies in the same direction as
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the degree of absorption of the caloric rays specific to the gases considered, that is to say therefore that there is a determined ratio between the specific radiation and the capacity of absorption of the radiant heat of a gas.
Among the gases which absorb heat rays the most, we can cite carbon dioxide (002).
Water vapor (H2O), carbon monoxide (00) and hydrocarbons can also be considered to be strong heat absorbers, although to a lesser extent.
Oxygen, nitrogen, and air are gases which have a relatively very low radiant heat absorption capacity or degree of inherent radiation.
The process according to the invention uses the above-mentioned knowledge to solve the problem of improving the transmission of heat between gases and solid or molten bodies, whether it is a question of release or absorption of heat by these gases. The process consists in increasing in the gas mixtures, which comprising as predominant element gases having a relatively low radiant heat absorption capacity, and therefore also a relatively low radiant power, the concentration of materials. having a higher radiant heat absorption capacity.
To achieve this condition, there are in practice a number of different ways. It is for example possible to artificially add to such gas mixtures gases such as those mentioned above, which have a high capacity for absorbing radiant heat, if possible at. the concentrated state.
In gas mixtures, such as air, which are composed almost exclusively of par-
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Gas swells having a very low capacity for absorbing radiant heat, it is already sufficient. under certain circumstances, for example, of an addition of a few thousandths or a few hundredths of carbon dioxide and similar additions of water vapor to appreciably increase the radiation, at least in the temperature zones high and thus improve the heat transfer which
The other could only be done essentially by convection, by the addition of radiation.
In industrial homes, which constitute the main field of application of the invention, where the combustion gases behave as heat emitters, already comprising. apart from their main content sends a certain quantity of carbon dioxide and water vapor as combustion products, the concentration of these constituents which are beneficial for radiation can be considerably enhanced by certain modifications in the conduct of the gas. fireplace, for example by additionally using a specially selected fuel, or by proceeding in another way.
The various examples of execution presented below will make it possible to better understand the various ways of proceeding, EXAMPLE. -1. - or,; ..,;. = a furnace tube boiler (Cornish boiler) heated by pulverized coal, in which combustion takes place in the known manner in a combustion chamber established in front of the front face of the boiler , while the combustion gases escape at high temperature from this chamber to enter the boiler tube.
In medium conditions, these combustion gases containing about 15% carbon dioxide
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nique and 6% of water vapor, two gases having a great radiant power, and, for the remainder, mainly nitrogen and small proportions of unburned oxygen, which axis present tpus two that a very weak power beaming.
To reinforce the radiation and consequently the heat transmission ,. According to the invention, water vapor which can be advantageously superheated in the hot masonry of the fireplace is blown behind the point of entry of the combustion gases into the hearth tube, in order to prevent untimely cooling.
At this point of entry of the water vapor, the combustion is practically finished already, so that the vapor can no longer produce a retarding action on the combustion. If the quantity of water vapor added is equivalent to, for example, 8% of the mass of the combustion gases, which is not yet sufficient to exert an appreciable disturbing action, it is possible to obtain, in temperature zones The highest erasures mean an increase in heat transmission per increased radiation of up to 20% according to some estimates, and in areas of lower temperatures a smaller increase, but still still appreciable.
Naturally, it is precisely the increases in the high temperature zones which are the most opportune, because owing to the large difference in temperature between the combustion gases and the heating surface, the vaporization power by unit area of the heating surface is by far the highest.
EXAMPLE 2. Consider a tuba-fired steam boiler normally heated by means of coke oven gas, that is to say a gas relatively rich in hydrogen and poor in carbon. The products of combustion of such a gas contain
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carbon dioxide and water vapor, that is to say elements of great radiating power, at a degree of concentration of approximately 6% in 002 and 17% in H20. In order to increase according to the invention the concentration of the carbon dioxide combustion gases, constituting the element having by far the greatest radiant power, an additional heating with the pitch dust is employed.
Coal tar pitch contains predominantly closed aromatic hydrocarbons which are chemically characterized by a reasonably high carbon content and additionally contain a significant percentage of free carbon in the form of dust, The combustion gases of catta pitch dust present , all the more so as in this fuel, the inert elements are, so to say, lacking, a relatively high concentration of carbon dioxide, as well as of water vapor, We can estimate their concentration on average. tion in CO2 at about 16%, and in H2O at 7%.
It is evident that by the addition of such alum heating to the pitch dust, it is possible, even if its part of calorific value is considerably lower than that of the normal gas heating of coke ovens, to obtain significant increases in the concentration of gas. carbon dioxide in combustion gases. This results in an increase in radiation and consequently in heat transfer per unit area of the heating surface.
To this result is also opprotunously added the advantage that the solid carbon existing in the combustion gases in the incandescent state, the percentage of which is increased by the method of heating described, already present -, as is known, by him - even, a very high radiant power.
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EXAMPLE 3. A battery of regenerative coke ovens heated in the usual manner by its own coking gas with high preheating of the combustion air in regenerators. In recent high efficiency coke ovens, which are heated by flanes or combustion gases at high temperatures, 1400 C and above, it can be said that on the side of the combustion gas inlet in the regenerators, maximum temperatures 1300 C for stacking !. ' of briquas and of 1200 C for the preheated air which escapes from it, are hardly exceptional.
In order to apply the invention to these ovens, the necessary air is added to. the combustion a moderate percentage of carbon dioxide as concentrated as possible and possibly also water vapor. This concentrated carbon dioxide can be obtained in the auxiliary recovery plants of coke ovens by the em- pilo of certain distillation gas purification processes, in which the carbon dioxide is removed from the distillation gases and isolated. along with some useful items.
It is assumed that in this way the concentration of the combustion air in carbon dioxide, which normally amounts to only 0.03% as is known, rises to 1%, and the content of the combustion air in water vapor which can normally be estimated at about 1%, amounts to 3%.
We can then, by theoretical calculations, establish that by the addition of radiation, the transmission of heat from the stacks of bricks at high temperature from the regenerator to the air on the side of the hot end of the regenerator, where temperatures prevail. of 1300 and 1200 C mentioned above, is roughly tripled, and that in areas where
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a temperature prevails of about 800 to 700 C, it is again equivalent to about when endemic inccre the value of the heat transfer usually obtained, mainly by making up.
The efficiency of the regenerator ast alibi increased, ie the air is heated more strongly or the required dimensions of the regenerator chair can be reduced.
Due to the fact that the air necessary for combustion constitutes by far the predominant element of the materials supporting combustion and that the coke oven gas, which is very rich in hydrogen, which has been chosen as the heating gas, does not produce, as is known, (see on this subject Example 2 above) that relatively low concentrations of carbon dioxide in the combustion products, the increase in the concentration of carbon dioxide in particular, by artificial addition to the carbon dioxide. combustion air is also noticeable in these combustion products.
One can therefore also expect an increase in heat transmission as a result of the better radiation of carbon dioxide, in the heating flues * of the coke oven, and even, finally, in the hot part. of the regenerator, the heating of which is caused by passing through it all of the combustion gases coming from the said heating flues of the coke ovens.
The operation of the furnace is therefore improved in all its parts by increasing the transmission (heat,
The above examples already have. shown that under certain circumstances it may be advantageous to add the substances increasing the radiation power, and in general, to effect the change in composition of the @
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gas transmitting heat at a specific point in the installation. A condition which can be decisive for this painting of sight lies in the great dependence :, mentioned at the beginning of this memoir between 1. the effect of radiation and the rise in temperature.
This temperature rise varies in each heat transmission installation, depending on the different places or the different zones of the installation. This results, for example, in the possibility of applying the process according to the invention in zones of determined advantageous temperatures, by an appropriate choice of the location.
CLAIMS.
1 .-, Process for increasing the transmission of heat between gases and solid or molten bodies, characterized in that the concentration of the gases in elements having a relatively high radiant heat absorption capacity, such as as carbon dioxide, water vapor, carbon monoxide, hydrocarbons.