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Procédé et dispositif pour la transmission de chaleur dans des échangeurs de chaleur, particulièrement dans les régénérateurs pour fours industriels.
Dans les régénérateurs usuels pour fours industriels, notamment les fours Siemens-Martin, les pierres formant la construction en forme de grillage sont disposées par rangées ininterrompues avec intervalle verticalement les unes au-dessus des autres, et en formant des conduits de gaz verticaux, transversalement aux rangées de pierres dans les couches intermédiaires, les pierres étant formées à la façon de parallélépipèdes. Les dispositifs connus présentent de graves inconvénients. Les gaz qui ooulent dans les conduits verticaux, qu'il s'agisse des gaz introduits pour le chauffage des pierres ou des gaz à chauffer par les pierres réchauffées, n'entrent pratiquement en échange de chaleur qu'avec les cou-
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.- Jt-.<.4.
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les conduits de gaz.
Les espaces ménagés entre les pierres disposées les unes sur les autres donnent sans doute lieu à un certain tourbillonnement des particules de gaz en provenance des courants de gaz adjacents qui y pénètrent. Mais il manque pourtant un tourbillonnement et un écoulement réglés le long des surfaces de limitation supérieures et inférieures des pierres, de sorte que ces couches superficielles ne sont pas dans une mesure sensible mises à contribution dans le processus d'échange de chaleur.
La présente invention part de la notion qu'il faut remédier à ces inconvénients. D'après l'invention on propose donc un procédé de transmission de chaleur dans les échangeurs de chaleur, particulièrement dans les régénérateurs pour fours industriels, qui est caractérisé par une décomposition répétée en courants partiels des courants transportant les agents échangeurs de chaleur, et par la nouvelle réunion de ces courants partiels, en conduisant lesdits agents le long de surfaces diéchange de chaleur.
Le nouveau procédé donne pour la première fois la possibilité de remplir, par un écoulement et un tourbillonnement de gaz, intentionnellement déterminés et conduisant à un échange de chaleur, les espaces morts en présence entre les pierres superposées dans les dispositifs connus et de mettre à contribution, pour l'échan- ge de chaleur, également les surfaces de limitation supérieures et inférieures des pierres. Le nouveau procédé conduit à un accroissement de rendement considérable du régénérateur, que ce soit qu'avec une température de réchauffage constante de l'agent absorptif de chaleur, la quantité transportée par heure se trouve accrue, soit qu'avec une quantité transportée constante, la température de réchauffage s'élève.
Si d'ailleurs quelques courants partiels ou tous ces courants sont décomposés et sont formés de nouveau, le progrès réalisé par le nouveau procédé est encore plus grand,,
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car la subdivision des courants partiels fournit dans une mesure encore plus forte la possibilité d'éviter avec succès des espaces et surfaces morts.
L'invention part encore de la notion que le nouveau procédé est réalisable,tout en conservant dans le principe la construction des dispositifs connus, lorsqu'en conservant le corps de base, on donne de manière appropriée une nouvelle forme aux pierres. Un dispositif pour la mise en pratique du nouveau procédé - particulièrement un régénérateur pour les fours Siemens-Martin dans lequel des pierres constituant le grillage sont disposées par rangées ininterrompues avec intervalle verticalement les unes au-dessus des autres, et en formant des conduits de gaz verticaux, transversalement aux rangées de pierres, dans les couches intermédiaires - est donc, en allant plus loin dans la réalisation de l'idée de l'invention,
caractérisé en ce que des pierres qui entourent des conduits de gaz sont formées comme supports de surfaces directrices qui s'avancent dans les courants de gaz, en vue de la formation de courants partiels et en vue de la réintroduction de ces courants dans les conduits. Ce dispositif présente l'avantage de permettre de conserver sans changement comme corps de base, dans son principe, la construction des dispositifs connus ainsi que la pierre connue de dimensions fixes. Avec cela la disposition de surfaces directrices conduit positivement à un guidage du courant partiel autour des pierres et il se produit ainsi un écoulement dont on est largement maitre, à grande vitesse et à fort tourbillonnement des gaz et un échange vif de chaleur aux surfaces supérieures et inférieures des pierres, constituant des surfaces directrices.
Convenablement on prévoit une saillie disposée à cheval sur les pierres et comprenant les surfaces directrices.
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On obtient ainsi un élément de construction simple et solide, de taille à faire face aux fatigues qui lui sont imposées pour la marche du four, et qui possède encore sur les pierres connues le grand avantage d'une surface d'échange de chaleur agrandie, et d'un volume plus grand, c'est-à-dire une grande capacité thermique.
Les pierres seront avantageusement fabriquées d'une même forme et de dimensions égales.
Lorsque de plus dans la réalisation de l'idée de l'invention, les parties de surface de la saillie et de la pierre de base qui aoisinent les conduits de gaz sont pourvues de saillies ou d'évidements disposés dans la direction de l'écoulement des gaz, le progrès réalisé par la division des courants de gaz est encore accrû,
Mais l'invention ne s'arrête pas aux résultats ainsi obtenus, car un grillage établi d'après les notions cidessus exposées ne garantit pas d'emblée une injection et une utilisation parfaitement uniformes de tous les conduits du grillage. Mais c'est pourtant à une distribution uniforme des gaz dans ces conduits que l'on doit tendre, puisque dans ce cas le grillage dans son ensemble est mis à contribution dans la mesure la plus complète pour la transmission de chaleur.
Le procédé proposé pour la solution de ce problème est caractérisé par une décomposition du courant de gaz à amener au grillage en des colonnes de gaz séparées, et par la distribution de ces colonnes sur les conduits du grillage, avant leur admission dans les conduits,
Les dispositifs pour la mise en pratique de ce procédé peuvent être établis de beaucoup de manières différentes. Ils sont caractérisés préférablement par la disposition de puits de guidage et de distribution au-dessus du grillage. La construction des puits de guidage et de distri-
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bution au-dessus du grillage.
La construction des puits de guidage et de distribution se fait convenablement avec des pierres réfractaires qui présentent la forme fondamentale d parallélépipèdes et dont les surfaces de champ courtes sont biseautées de façon à créer des surfaces de tête formant en elles un angle droit. Lorsque les quatre pierres qui formen quatre conduits adjacents se touchent par les arêtes faîtiè res - étant supposé que la forme des pierres soit identique on obtient de la faon la plus simple une construction enti rement fermée des puits de guidage''et de distribution. Ces puits peuvent se composer de plusieurs couches superposées de ce genre de pierres.
Puisque les gaz au moment de leur entrée dans le puits de guidage et de distribution ne sont pas seulement le plus chauds, mais encore entraînent des particules de scorie et de cendres à arêtes vives, les dispositifs établis selon l'invention agissent en m8me temps comme ouvrage d'usure, construit avec des pierres d'une forme particulièrement simple et pouvant par conséquent être renouvelé continuellement sana grands frais. D'autre part, l'efficacité du grilla est entièrement sauvegardée.
Les dessins ci-joints montrent des exemples d'ex cution de l'idée de l'invention; les figures 1 à 6 ont trait à une pierre pour la construction du nouveau dispositif ; ellmontrent de plus un exemple de construction d'un régénérateu particulièrement pour des fours Siemens-Martin. Les figures ' à 10 ont trait à des dispositifs qui garantissent une injection et une utilisation uniformes de tous les canaux du grillage.
Figs.1 à 3 montrent en vues différentes une pier@ selon l'invention.
Fig.4 est une coupe longitudinale verticale d'un régénérateur pour fours Siemens-Martin, établi selon l'inven-
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tion.
Fig.5 est une coupe verticale menée suivant la ligne V-V de la figure 4.
Fig. 6 est une coupe horizontale menée suivant la ligne VI-VI de la figure 4.
Fig.7 représente en coupe longitudinale verticale menée suivant la ligne VII-VII de la figure 9, une construction formant exhaussement du grillage représenté lui-même en élévation.
Fig.8 représente en coupe transversale verticale menée suivant la ligne VIII-VIII de la figure 7, la construction formant exhaussement du grillage, qui est encore lui-marne représenté en élévation.
Fig.9 représente en coupe transversale horizontale menée suivant la ligne IX-IX de la figure 7, la construction formant exhaussement du grillage, ce dernier étant représenté en plan.
Fig.10 est une vue perspective de quatre pierres réunies pour former un puits de distribution et de guidage.
Dans les figures 1 à 3, 1 désigne la pierre parallélépipédique qui a toujours servi dans la construction de régénérateurs, et qui a été conservée comme corps de base de la pierre selon l'invention; 2 est une saillie disposée à cheval sur la pierre et qui s'étend sur l'un des côtés larges de celle-ci; 3 est la face antérieure verticale de cette saillie. Aux ar8tes de limitation supérieure et inférieure de celle-ci, 10 et 11, se joignent avec un arrondi les surfaces de guidage planes inclinées 4 et 5 qui aboutissent aux arêtes longitudinales de la pierre, du côté opposé à celui où se trou, ve la saillie. L'angle entre les surfaces de guidage et la surface 3 est dans le dessin, donné à titre d'exemple, approximativement de 45 .
La saillie est latéralement limitée
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par les surfaces 7 et 8. Avec' l'emploi d'un modèle unique de pierre pour la construction du grillage, l'angle entre ces surfaces et les faces larges 14,15 de la pierre 1 est de 45 La largeur de la partie de la pierre 1 qui dépasse latéralement la saillie - surfaces 12 et 13 - est égale à la moitié de l'épaisseur de la pierre. Dans les pierres selon l'invention, les surfaces de limitation supérieure et inférieure, qui, dans les dispositifs connus ne pouvaient pas de manière sensible être utilisées pour l'échange de chaleur, sont remplacées par les surfaces de guidage 4 et 5.
Ces surfaces en combinaison avec la saillie, outre l'avantage de l'écoulemen et le tourbillonnement réglés, conduisant à un échange vif de chaleur, offrent encore l'avantage d'un agrandissement considérable de la surface et du volume de la pierre. C'est ainsi que la pierre représentée par les figures 1 à 3 présen. te par rapport aux pierres connues une surface utilisable plus grande de 60 % approximativement, et un volume plus grar de 80 % environ, c'est-à-dire une capacité thermique augmenté à peu près dans la m8me proportion.
Dans la zone de la saillie 2, la nouvelle pierre a une épaisseur de 80 à 90 millimètres au moins. Cette épaisseur n'a pas été choisie pour des raisons thermotechniques, mais en considération de la résistance et de la force portant de la pierre. Quant à l'échange de chaleur, une épaisseur de la pierre d'environ 70 millimètres suffirait, car en observant les régénérateurs connus, on a vu qu'avec le mode d'exploitation ordinaire, un échauffement sensible de la construc tion en pierre n'a lieu qu'à une profondeur de 35 millimètres environ. Si on donnait donc à la nouvelle pierre une largeur de 70 millimètres seulement, un noyau relativement froid et capable de porter ferait défaut.
Dans la figure 4 on a représenté en coupe longitu.
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dinale un nouveau régénérateur. Pour plus de clarté du dessin, on n'a pas représenté les rangées de pierres disposées derrière les pierres figurées en élévation. La disposition de ces rangées peut être prise de la figure 5. Dans la figure 4, on voit que les courants de gaz de section carrée marqués par des flèches 30,31 sont limités d'abord de deux cotés par des paires de pierres 16,17 jusqu'à 22,23 et 17,27 jusqu'à 23,24.
Les pierres sont disposées verticalement les unes au-dessus des autres, à des intervalles égalant la hauteur de la pierre de base. Tandis qu'avec les dispositifs connus, la section du conduit de gaz est constante dans toute sa longueur et ne comporte que des élargissements brusques dans les vides entre des pierres disposées les unes au-dessus des autres, chacun des courants de gaz es t dans le nouveau dispositif - par suite de la forme qui, d'après l'invention, a été donnée aux pierres- continuellement décomposé en courants partiels, et ces courants partiels sont de nouveau réunis les uns aux autres.
Ainsi dans la figure 4, le courant de gaz 30, après avoir dépassé les pierres 16 et 17, est divisé par les surfaces directrices 5 des pierres 18 et 19 qui s'avancent dans le courant de gaz, de faqon que des courants partiels passant entre les surfaces 4 et 5 des pierres 16,18 et 17,19, sont conduits aux courants de gaz voisins 32 et 31, respectivement, tandis que le gaz s'écoulant au centre du courant continue sa course en s'écoulant sur les surfaces 3,7 et 8 des pierres 18 et 19.
Par suite de la forme caractéristique des pierres, il s'opère ainsi un échange de chaleur vif entre les courants partiels et les surfaces 4 et 5 des pierres 16 à 19, d'une part, et les surfaces 3,7 et 8 des pierres 18 et 19, d'autre part. Après l'entrée des courants partiels dans les conduits voisins 32 et 31, il s'opère une transmission de chaleur particulièrement vive aux surfaces 6 du côté de derrière des pierres 18 et 19, puisque l'arrivée des courants partiels dans les conduits
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voisins remplis de gaz aboutit à une compression du gaz @ surfaces 6, o'est--dire à une densité spécifique plus él De plus il se produit, sous l'influence de la surpression aux surfaces 6 et de l'action d'aspiration du courant 30,
écoulement de départ plus rapide des courants partiels à vers les conduits d'introduction formés par les surfaces 4 5 des pierres 18 à 21. Le tourbillonnement et la vitesse accrue des gaz qui en résultent, donnent de nouveau lieu à échange de chaleur particulièrement vif. Maintenant, les c rants partiels - lorsqu'on considère par exemple le procès: du chauffage du grillage par des gaz perdus - parcourront t chute de température plus grande que le courant central. Ap la nouvelle réunion des courants, une cession de chaleur du courant central aux courants partiels réintroduits aura liai Ces derniers courants sont réchauffés, de sorte qu'une nouve le cession vive de chaleur pourra avoir lieu après une nouve le dérivation de courants particuliers.
La disposition des s faces de guidage 4 et 5 sous un angle de 45 favorise sensiblement le nouveau mode de conduite des gaz.
En principe, les choses se passent de la même façon clans les parties du grillage qui sont construites avec des pierres disposées parallèlement au plan du dessin. La construction de ces parties est donc la même que celle représentée par la figure 4. Cela ressort de la figure 5 qui montr< une coupe verticale du générateur suivant la ligne V-V de la figure 4. La figure 5 représente simplement la coupe suivant ladite ligne V-V déplacée vers le bas de la hauteur d'une pierre de base. La construction du régénérateur dans la coupe en considération mène à une décomposition du courant central 30 Qui continue son chemin en s'écoulant entre les surfaces 3,7 et 8 des pierres 18 et 19, par les arêtes 10 des pierres 28 et 29 disposées dans la couche intermédiaire.
Ces nouveaux
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courants partiels sont guidés et T"" --"
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mission de chaleur, de la même manière que les courants partiels déviés par les pierres 18 et 19. La nouvelle forme donnée aux pierres mène donc à une décomposition du courant de gaz 30 en un courant central et quatre courants partiels, c'est-à-dire à une subdivision de courant très poussée ; la disposition donne la possibilité de suppression de tous les angles et coins morts, et par suite d'un tourbillonnement et d'une conduite pratiques des gaz, ainsi que grâce à la mise à contribution des surfaces de limitation supérieure et inférieure des pierres pour la transmission de chaleur, il en résulte un rendement jusqu'ici jamais atteint en ce qui concer- ne les quantités de chaleur transmises.
Avec cela la construction du régénérateur est de la plus grande simplicité. Régulièrement, dans les conduits de gaz, les pierres placées à l'opposé les unes des autres se présentent des parties de surface semblables. C'est ainsi que dans la figure 4, les parties de surface semblables 3 des pierres 18 et 19 ainsi que des pierres 19 et 26 se font vis à vis. De plus, les pierres des rangées transversales disposées immédiatement au-dessous ou au-dessus des pierres d'une couche quelconque, se présentent avec les mêmes parties de surface tournées vers le canal de gaz.
Lorsque finalement les saillies des pierres placées les unes derrière les autres dans une rangée sont disposées par rangées les unes derrière les autres, on obtient une construc- tion simple du dispositif, permettant un montage sans erreurs, cela même par des ouvriers peu au courant du métier, et sans avoir recours à des mementos spéciaux.
La figure 6 représente une coupe horizontale suivant la ligne VI-VI des parties du régénérateur que montre la figure 4. On y voit la façon dont les pierres 18 et 19 représentées en plan bornent le conduit de gaz sur les deux cotés parmi les quatre côtés de la section carrée, tandis que les
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pierres 28 et 29 dans la couche intermédiaire suivante plus bas placée sont disposées aux deux autres côtés de la section Dans le dessin on voit de plus clairement les arêtes 10 et le surfaces directrices 5 des pierres qui s'avancent dans le cou rant de gaz, ainsi que les autres traits caractéristiques constructifs déjà décrits du nouveau dispositif.
L'invention n'est pas limitée aux représentations des dessins; aussi bien la nouvelle pierre que le dispositif obtenu par l'assemblage des pierres, sont susceptibles de nombreuses modifications, sans que pour cela le principe de l'invention soit abandonné. Ainsi d'abord l'inclinaison des surfaces directrices 4 et 5 peut varier. Il peut même y être question du cas limite dans lequel ces surfaces 4 et 5 formen un angle droit avec les surfaces 3, ou encore du cas d'une exécution d'après laquelle les surfaces 4 et 5 se rencontrent en une arête au milieu, au-dessus de la surface large 6 de la pierre; dans ce cas, celle-ci présente dans la zone de la sail lie une section triangulaire.
Il pourra d'ailleurs être avantageux de munir les surfaces 6 d'un ou plusieurs évidements disposés dans la direc tion de l'écoulement, pour augmenter les quantités de gaz à conduire aux surfaces directrices 5. Il existe en outre une possibilité de pousser encore plus loin la subdivision des courants de gaz, cela en munissant la saillie 2 d'évidements ou de nervures, préférablement de vection carrée. Cette mesure fournit la possibilité de détacher encore quatre autres courants partiels, avec augmentation simultanée supplémentaire des surfaces d'échange de chaleur. On pourra encore s'imaginer le cas limite où les saillies disposées à cheval sur les pierres sont augmentées au point où la section du conduit pour la réception du courant central est réduite à zéro.
Dans ce cas, les surfaces directrices 5 et 4 forment des pyramides aux som-
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@ partiels ou se recomposent de ces courants. Une telle dispo- sition peut servir lorsqu'il s'agit d'obtenir une capacité thermique particulièrement élevée du grillage, et lorsqu'il est possible de renoncer à la conservation de conduits verti- caux traversant de part en part pour la décharge de cendres volantes et d'autres corps étrangers.
L'invention pourra trouver application encore dans de nombreux autres domaines de la technique et de l'industrie.
Outre qu'elle peut servir utilement dans des installations de chauffage de toutes sortes et particulièrement dans les fours Siemens-Martin et dans les hauts fourneaux, elle peut 8tre utile aussi dans l'industrie chimique, par exemple dans la fabrication de l'acide sulfurique pour la distribution de l'acide nitreux dans les tours de Glover connues. On pourra aussi opérer un échange de chaleur entre des agents liquides et gazeux ; àcet effet, les pierres seront remplacées par exem. ple par des éléments de construction en matière appropriée conduisant les liquides, sans s'écarter de la manière dont on opère en principe, conformément à l'invention, la transmission de chaleur.
Dans les figures 7 à 10, 35 est le grillage précé- demment décrit. D'après l'invention, ce grillage est ici sur- monté par une construction formant exhaussement pour la forma- tion de puits de guidage et de distribution; par cette cons- truction d'exhaussement, le courant de gaz à amener au grilla- ge est divisé en des colonnes de gaz séparées, et ces colonnes sont distribuées sur les conduits du grillage, uniformément, avant leur admission dans les conduits. Pour la construction de ces puits de guidage et de distribution 36, on utilise des pierres réfractaires 37, essentiellement en forme de parallélé- pipèdexdont les courtes faces de champ 38 sont biseautées de façon à former des faces de tête formant entre elles un angle
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droit.
Ces pierres formant ensemble, quatre à quatre, quatre conduits, se touchent par les arêtes faîtières 39. Ainsi que le montrent les figures 7 et 8, ces pierres 37, disposées par trois couches superposées, forment les puits de guidage et de distribution 36. Les gaz qui entrent dans la chambre de régénérateur, avant de pouvoir entrer dans les conduits 40 du grillage, sont d'abord distribués sur les différents puits de guidage 36. De cette façon il entre dans chaque conduit de grillage 40, approximativement la même quantité de gaz, de sorte que le grillage dans son ensemble se trouve utilisé de la manière la plus parfaite. Puisque la construction qui surmonte le grillage est la partie de la chambre de régénérateur exposée à la plus grande fatigue, elle subit aussi la plus forte usure.
Mais puisqu'elle est construite avec des pierres relativement simples et pouvant par conséquent se renouveler sans grands frais, son remplacement ne présente aucune difficulté, d'autant plus que le grillage lui-même reste épargné.
- REVENDICATIONS -
1- Procédé de transmission de chaleur dans des échangeurs de chaleur, particulièrement des régénérateurs pour fours industriels, caractérisé par une décomposition ou division répétée en courants partiels des courants transportant les agents d'échange de chaleur, et par la nouvelle réunion de ces courants partiels en conduisant lesdits agents le long de surfaces à échange de chaleur.