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Echangeur de chaleur.
La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur perfectionné, comportant des collecteurs verticaux reliés par un grand nombre de tubes horizontaux raccordés en parallèle à des niveaux différents, dans lesquels un liquide circule horizontalement et de bas en haut. Cet échangeur de chaleur perfectionné est principalement caractérisé en ce que les tubes et collecteurs combinés sont situés dans un passage enclos parcouru par un courant de gaz chauds qui passent transversalement sur les tubes de telle façon que chaque tube soit léché par un filet différent du courant de gaz, de manière à uniformiser le chauffage des différents courants de liquide.
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Suivant une autre caractéristique de l'invention, chaque tube inférieur supporte le tube immédiatement supérieur, les tubes étant disposés les uns par rapport aux autres de façon que le gaz puisse circuler librement entre eux.
Une autre caractéristique de l'invention réside en ce que certaines parties de certains tubes sont coudées de façon à croiser d'autres tubes, afin de les supporter.
Une autre caractéristique encore réside en ce qu'une partie de chaque tube est coudée de façon à faire partie de la paroi du passage et d'un faisceau de tubes transversal.
Les tubes et les collecteurs sont disposés, de pré- férence, de façon que les courants parallèles puissent circu- ler librement, sans rencontrer d'obstacles dans les collecteurs, ceux-ci présentant, à leur point le plus bas, des dispositifs de vidange ou de purge.
Les dessins annexés représentent un exemple de réa- lisation de l'invention. Sur ces dessins :
Fig. 1 est une coupe verticale longitudinale d'un générateur de vapeur équipé conformément à l'invention, et
Fig. 2 en est une coupe horizontale.
Fig. 3 est une vue en perspective, avec arrache- ments, l'enveloppe étant omise pour montrer la disposition des tubes qui constituent la paroi du foyer et des organes situés dans le courant des gaz.
Fig. 4 est une vue en perspective, avec arrachements, l'enveloppe étant omise pour montrer la disposition de l'éco- nomiseur et du surchauffeur; cette vue peut se superposer à celle suivant la Fig. 3, pour former une vue d'ensemble du foyer et de la surface d'absorption de chaleur.
Fig. 5 est une vue en perspective, d'un tronçon de tube plié de façon à former une partie de la paroi plane déli- mitant deux côtés latéraux et la face postérieure du foyer.
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Fig. 6 est une vue en perspective, montrant un tron- çon de tube coudé de façon à former une autre partie de la paroi plane pour deux côtés et la face arrière du foyer et une partie d'un faisceau de tubes baignés par des gaz chauds à la partie postérieure du foyer, ce tube coopérant, pour la partie restante des deux c5tés et de la face arrière, avec un tube coudé suivant la Fig. 5.
Fig. 7 est une vue, en perspective, d'un autre tronçon de tube, coudé de façon à former une partie du plan- cher du foyer, avant qu'une autre partie du tube soit coudée pour former une partie des deux faces latérales et de la paroi postérieure.
Fig. 8 est une vue, en perspective, d'un tronçon de tube coudé de façon à former une partie du plafond du foyer et à laisser un espace entre l'extrémité du plafond et l'extré- mité du foyer pour que les gaz puissent s'élever au-dessus du niveau du plafond, cette partie du tube se trouvant au- delà de celle qui fait partie des deux parois latérales et de la paroi postérieure.
Fig. 9 montre un tube plié de façon à former une partie de l'économiseur entre un collecteur d'entrée et un collecteur dé sortie, ces collecteurs étant verticaux et trois tronçons du tube formant, respectivement, un serpentin horizontal plat transversalement au courant des gaz, une pai- re de spires transversales pour supporter le serpentin plat supérieur, et une partie de la paroi du passage des gaz, sur deux faces opposées; deux séries de ces tubes, alternative- ment pliés en sens inverses et supportés tous par le bas, comprennent l'économiseur.
Fig. 10 montre un tube coudé de façon à former une partie du surchauffeur entre les collecteurs verticaux d'en- ,
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trée et de sortie, deux tronçons du tube formant, respective- ment, un serpentin horizontal plat posé transversalement au courant des gaz, et des parties de la paroi du passage des gaz, sur des faces opposées et à la face terminale, au-dessus de l'extrémité du foyer.
Deux séries de tels tubes, pliés al- ternativement en sens inverses et partant de deux collecteurs d'entrée pour aboutir à un collecteur de sortie, à des ni- veaux successifs, complètent les parois latérales et termina- le, et sont coudés de façon que les coudes, à des niveaux alternants, soient décentrés pour que chaque serpentin suppor- te le serpentin supérieur à l'endroit du croisement des cou- des, tout l'empilage étant supporté par la base.
Fig. 11 représente, schématiquement, les serpentins plats du surchauffeur, disposés horizontalement entre des collecteurs verticaux d'entrée et de sortie, avec des rac- cords pour la vapeur saturée venant du séparateur-collecteur et des raccords de sortie conduisant la vapeur surchauffée vers la vanne d'étranglement qui commande 1'écoulement de la vapeur vers l'endroit d'utilisation et vers une vanne de dé- rivation située en amont et utilisée, pour la mise en marche, avant d'ouvrir la vanne d'étranglement.
Le trajet d'écoulement du liquide et de sa vapeur passe par plusieurs longs tubes de faible section de passage 206, 207, 208, 209 et 210 reliés en parallèle, le dessin re- présentant cinq de ces tubes interrompus par une partie élar- gie à l'extrémité de la section génératrice de vapeur, qui agit comme séparateur ou 'collecteur 232 pour séparer la va- peur et le liquide, la vapeur saturée allant, sans liquide, vers un surchauffeur 242, et une partie du liquide entrant étant conduit par les tubes vers le séparateur 232, afin de maintenir mouillé le métal des tubes et d'empêcher la forma-
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tion de dépôts solides. Ce liquide non vaporisé est finale- ment détourné du trajet de circulation dans le séparateur 232, et évacué dans des conditions réglées, comme expliqué plus loin.
Les parties du générateur sont disposées à deux niveaux, à l'intérieur de parois verticales communes. Le niveau inférieur est occupé par le foyer à parois planes, délimité sur cinq côtés par des parois faites de tubes ho- rizontaux, nus, le sixième coté étant formé par la chambre du brûleur entourée de matière réfractaire; à l'extrémité postérieure du foyer un faisceau de tubes horizontaux 228 est posé transversalement au foyer. Les gaz de combustion chauds passent du niveau inférieur au niveau supérieur à l'extrémité postérieure 245 et retournent, par un passage au-dessus du plafond du foyer, vers un réchauffeur d'air 282 situé au-dessus du brûleur, pour se diriger ensuite vers la sortie.
A l'extrémité des gaz chauds, le niveau supérieur est occupé, par le surchauffeur 242 qui est mis à l'abri de la chaleur rayonnée par le foyer, d'aune part par sa position et, d'autre part, par le faisceau des tubes 228 du niveau in- férieur. Au niveau supérieur, à l'extrémité des gaz moins chauds, se trouve l'économiseur 202, ainsi que certains rac- cordements et le séparateur-collecteur 232 situé entre l'é- conomiseur 202 et le surchauffeur-242.
Le générateur comporte un économiseur 202 situé à l'extrémité moins chaude du passage des gaz et recevant du liquide d'une pompe raccordée à un réservoir à eau chaude ou à une autre source d'eau chaude munie d'un dispositif ap- proprié de chauffage de l'eau d'alimentation.
L'économiseur 202 comporte des collecteurs verti- caux adjacents 200 et 201, d'entrée et de sortie, respective- ment, reliés par des serpentins plats horizontaux, disposés en
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parallèle comme c'est représenté et qui forment un faisceau tubulaire transversal 202 dont la surface est de préférence proportionnée au débit.. à la quantité et à la pression du liquide, ainsi qu'à la quantité et à la température locale du gaz et à la vitesse relative du gaz et du liquide, de façon qu'il ne s'y forme pas ou pratiquement pas de vapeur.
Le liquide du collecteur de sortie 201 de l'écono- miseur est conduit, par un tube 203, vers un tube distribu- teur 204 dans lequel le liquide est divisé en parties égales envoyées dans les divers longs tubes de la section génératri- ce de vapeur. Dans l'exemple représenté, la section génératri- ce comporte cinq longs tubes de faible section et cinq résis- tances à l'écoulement de fluide 205, chacune de celles-ci opposant au fluide une résistance plus grande ou causant une chute de pression plus grande que le long tube générateur qu'elle alimente, afin d'assurer une répartition égale du liquide introduit dans les longs tubes 206, 207, 208, 209 et 210 qui constituent la section génératrice de l'ensemble comportant un plancher plan, deux parois latérales, et un plafond pour le foyer, ainsi qu'un faisceau de tubes à l'ex- trémité du foyer,
comme décrit plus loin.
La longueur de chacun de ces tubes générateurs est divisée en parties parcourues successivement par le courant, mais toujours horizontalement et vers le haut, afin d'éviter des poches de vapeur à mesure que celle-ci est produite, et chaque partie présente une forme et une position particuliè- res de façon à constituer des parois planes en métal nu et le faisceau tubulaire, à recevoir la même quantité de chaleur avec une même quantité de liquide, et à fournir des quantités égales et voulues de vapeur.
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La première partie de chacun des cinq tubes géné- rateurs est coudée de façon à former un serpentin plat ayant la longueur totale et un cinquième de la largeur du plancher du foyer. Une de ces cinquièmes parties est représentée sur la Fig. 7,
Les extrémités de sortie du premier tronçon des dif- férents tubes générateurs faisant partie du plancher du foyer sont raccordées aux extrémités d'entrée du deuxième tronçon des tubes, qui sont disposées de façon à constituer des parois latérales et terminale planes, ainsi que le faisceau de tu- bes du foyer 228.
Ces raccordements sont réalisés en condui- sant chaque tube à travers la partie antérieure du foyer, le long du plancher, puis vers le haut le long d'une paroi laté- rale, vers des tubes situés à différents niveaux de cette pa- roi latérale, comme c'est indiqué en 211, 212, 213, 214 et 215, où le diamètre des tubes est un peu plus grand pour per- mettre la production du volume voulu de vapeur.
Le deuxième tronçon de la longueur d'un tube généra- teur est coudé suivant deux côtés et l'extrémité arrière de la paroi du foyer, en commençant par l'extrémité avant d'une paroi latérale et en aboutissant à l'extrémité avant de l'au- tre paroi latérale après quoi, en inversant la direction du tube par une courbure ou coude de rayon zéro, on l'amène à un niveau supérieur. En raison du rayon nul du coude, le tube retourne vers le point de départ en contact avec le tronçon adjacent, et l'on renverse sa direction autant de fois qu'il le faut pour former un cinquième de la hauteur du foyer, comme le montre la Fig. 5.
Afin de constituer un faisceau tubulaire 228 à l'arrière du foyer, chaque deuxième tube, dans le sens de la hauteur, est coudé une fois de plus de façon à passer plusieurs fois (quatre fois dans.. l'exemple représenté) à tra-
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vers le foyer, en commençant et en terminant à la même paroi latérale.
Quand un tube est coudé à l'extrémité d'une paroi latérale pour monter d'un niveau inférieur au niveau immédia- tement supérieur, les deux branches restent en contact en rai- son de la courbure de rayon nul du coude qui ne fait pas saillie non plus vers l'extérieur, de sorte que des coudes adjacents peuvent rester en contact pour permettre aux tron- çons voisins du tube de se toucher. On forme donc ainsi une paroi complète en tubes nus, qui n'exige pas de réfrac- taire et qui absorbe la chaleur du foyer pour vaporiser du liquide, le mélange de liquide et de vapeur évoluant toujours horizontalement ou vers le haut, mais jamais vers le bas ou vers un niveau inférieur.
Le troisième tronçon de la longueur de chaque tube générateur est coudé de façon à former, comme le montre la Fig. 3, un cinquième de la largeur du plafond 230 du foyer, et la longueur totale de chacune de ces cinquièmes parties est inférieure à la longueur du foyer, comme le montrent les Figs. 3 et 8. Les deuxième et troisième tronçons du tube sont réunis par d'autres coudes à l'extrémité avant d'une des parois latérales et en travers de l'extrémité avant du plafond, après quoi chaque tube est coudé, hors du plan du plafond, vers le haut et le long d'un côté du séparateur-collecteur 232 cylindrique vertical, situé au-dessus du foyer.
A l'endroit où les tubes quittent le plafond du foyer et montent vers le séparateur, ils traversent une pla- que 231 qui assure l'étanchéité et est faite d'un alliage mé- tallique approprié, susceptible de résister à la température et à la nature des gaz sans se détériorer. Cette plaque en alliage métallique assure l'étanchéité de la cloison des tubes du plafond qui sépare le passage des gaz du générateur de va-
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peur en forme d'U horizontal, la plaque 231 ne s'étendant vers l'arrière que jusqu'à un support situé au-dessus de la rangée supérieure de tubes formant écran.
Les extrémités des tubes allant vers le séparateur remontent vers le haut à travers la plaque d'étanchéité 231 et, corme le montre le dessin, entrent tangentiellement dans une chambre séparatrice 232 qui divise le fluide en liquide et en vapeur; le séparateur 232 est obturé par un couvercle appro- prié quelconque, présentant un trou de visite 233.
Le séparateur 232 est une chambre ou enceinte cylin- drique se trouvant sur le trajet du fluide de travail, à l'ex- trémité de chacun des multiples tubes générateurs de fluide disposés en parallèle. Comme déjà dit, les tronçons 216 à 220 des tubes générateurs s'engagent dans le séparateur à mi-hau- teur, dans une direction tangentielle de sorte que, quand le fluide est déversé par ces tubes dans le séparateur, il s'y produit un mouvement tourbillonnant, et la force centrifuge localise le liquide près de la paroi et sépare la vapeur de ce liquide.
On notera que, sur une partie de sa hauteur, le sé- parateur est exposé à la chaleur des gaz de combustion.
La vapeur saturée quitte le séparateur par les con- duits 240 pour atteindre les collecteurs d'entrée verticaux 241 d'un surchauffeur 242 qui comporte un certain nombre de ser- pentins plats horizontaux disposés, en deux groupes, en tra- vers du passage des gaz au-dessus du foyer, sur toute la hau- teur et toute la largeur du passage et le long des parois, les serpentins étant raccordés en parallèle entre les collecteurs verticaux d'entrée 241 et les collecteurs verticaux de sortie 243. La vapeur surchauffée quitte le collecteur de sortie par le conduit 244 et est amenée à la machine où elle est utilisée,
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telle qu'une turbine ou autre.
Les serpentins plats horizon- taux du surchauffeur constituent une surface absorbant la chaleur ainsi qu'un écran pour les parois du passage des gaz, et sont situés au-delà d'une chambre à gaz 245 dans laquelle le courant de gaz change de direction: après avoir passé vers l'avant au niveau du foyer, il retourne au-dessus de celui-ci, de façon à uniformiser le passage des gaz chauds sur les dif- férents tubes du surchauffeur. Chacun de ces tubes est continu du collecteur d'entrée au collecteur de sortie, et est coudé dans un plan horizontal de façon à constituer une partie du faisceau de tubes du surchauffeur situé dans le passage des gaz, et aussi de la paroi du passage de gaz, tant sur les deux faces opposées qu'à la face terminale.
Comme le montre la Fig. 10, un tel tube croise le passage de gaz huit fois, avec des coudes qui en renversent la direction à l'extrémité de chaque partie droite, et s'étend sur deux tronçons de la longueur d'une des parois latérales, sur un tronçon de l'autre, paroi latérale et le long de toute la paroi terminale. Direc- tement au-dessus et en-dessous d'un tube surchauffeur ainsi coudé,se trouve un autre tube coudé de façon analogue mais en sens inverse,de façon à s'étendre sur les tronçons de la longueur des parois latérales non occupés par le tube voisin de dessus ou de dessous, mais s'étendant aussi, par endroits, sur les tronçons de la longueur de la paroi latérale occupés par les tubes voisins, et il en est de même pour la paroi terminale.
Ainsi, la paroi terminale et des parties des deux parois latérales du passage de gaz présentent des tubes sur- chauffeurs horizontaux en contact qui constituent pour les gaz une paroi continue en métal nu. L'inférieur des tubes horizontaux coudés du surchauffeur repose sur le fond du passage de gaz et il est susceptible de supporter le tube immédiatement supérieur du fait que les courbures des cou- des de la partie s'étendant en travers du passage des gaz
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sont disposées de façon que leurs centres soient décalés,et que leurs projections horizontales se coupent. De cette fa- çon le surchauffeur entier se supporte lui-même depuis le bas.
Grâce à la disposition horizontale, à des niveaux différents, des tubes surchauffeurs reliant les collecteurs verticaux d'entrée et de sortie, tout liquide dans le surchauf- feur, par exemple à la mise en marche du générateur, tend à s'écouler vers le fond des collecteurs et à remplir les tubes inférieurs, en laissant les tubes supérieurs entièrement exempts de toutes poches de liquide et libres pour l'écoule- ment de la vapeur, ce qui empêche le surchauffage d'un tube surchauffeur, qui pourrait se produire si une poche de liquide entravait l'écoulement de vapeur à travers un tube, alors que la vapeur traverserait d'autres tubes exempts de poches.
Dans le surchauffeur décrit, les gaz chauds ne peuvent endommager aucun tube car chacun de ceux-ci est ou bien rempli de liqui- de, ou bien refroidi intérieurement par le courant de vapeur et, comme le liquide dans un tube de niveau inférieur se vapo- rise, le surchauffeur fonctionne passagèrement, en partie, com- me chaudière aquatubulaire, jusqu'à ce que tout le liquide soit vaporisé complètement et sans danger, pendant que le reste fonctionne comme surchauffeur, après quoi le tout fonc- tionne comme surchauffeur. Cette caractéristique du surchauf- feur suivant l'invention est représentée schématiquement sur la Fig. 11, où 232 est le séparateur fournissant de la vapeur saturée au collecteur vertical d'entrée 241, par le conduit 240.
Les tubes surchauffeurs horizontaux coudés désignés par 242 débouchent dans le collecteur vertical de sortie 243 d'où la vapeur surchauffée sort par le tuyau 244, avec un dé-
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bit réglé par la vanne d'étranglement 244'. Une seconde vanne 244" constitue une dérivation que l'on ouvre pour la mise en marche, avant d'ouvrir la vanne 244', et que l'on laisse ou- verte jusqu'à la disparition de tout le liquide dans le sur- chauffeur.
Il est à noter que chacun des différents tubes du surchauffeur à serpentins doubles supporté par.le bas, est coudé de telle façon (Fig.10) que non seulement il constitue un faisceau tubulaire à travers lequel circulent les gaz, mais encore qu'il protège les parois du passage des gaz, et qu'en outre chaque tube est uniformément baigné par des gaz;de même température dans les différentes parties du courant des gaz, ce qui assure l'uniformité de la surchauffe dans chacun des tubes. De plus, la position et la surface de chaque tube sont telles que la température de la vapeur à la sortie n'est pas excessive, quelle que soit la charge.
Les tubes d'économiseur sont horizontaux comme ceux du surchauffeur et comme les tubes générateurs de vapeur, et chaque tube économiseur est coudé d'une façon présentant des caractères de similitude, en ce que des tronçons de la longueur d'un tube forment un faisceau en travers du passage des gaz, d'autres tronçons constituant des parties des parois latérales, et d'autres encore formant le support des tubes situés à un niveau plus élevé, l'ensemble étant supporté par le bas.
Cer- tains de ces tubes économiseurs sont représentés sur la Fig.9, (les uns en traits pleins et d'autres en traits interrompus), et cette figure les montre comme étant coudés en une série de boucles entre le collecteur vertical d'entrée 200 et le col- lecteur vertical de sortie 201, deux boucles simples étant disposées dans le sens de l'écoulement des gaz, deux boucles multiples étant disposées transversalement, et des tronçons étant situés dans les deux parois latérales. Des tubes ainsi
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coudés sont supportés par les tubes d'en-dessous, et chaque tube est uniformément baigné par des gaz à la même température, de sorte que le liquide conduit par chacun des tubes est uni- formément chauffé.
La disposition horizontale entre des col- lecteurs verticaux évite la formation de poches de vapeur ou de gaz dégagés:.par le liquide et empêche ainsi le surchauffage local des tubes.
L'égalisation de la chaleur absorbée par les tubes générateurs de vapeur est également assurée par leur position et, en ayant soin d'égaliser ou de proportionner le débit et la température du liquide introduit dans chacun des cinq tubes à faible section raccordés en parallèle, on arrive à unifor- miser la qualité de la vapeur ou le rapport entre le liquide non vaporisé et la vapeur produite, et en même temps on main- tient mouillé l'intérieur de chaque tube générateur, en ré- glant la quantité de chaleur par rapport au débit. De cette façon, en réduisant au minimum l'excès de liquide, on évite le surchauffage.
Afin d'égaliser la quantité de chaleur absorbée par chacun des divers tubes raccordés en parallèle, ces tubes sont coudés et disposés de façon à être uniformément exposés à la chaleur rayonnée du foyer et baignés par les gaz chauds. Cha- que tube occupe une partie de la hauteur de chaque paroi la- térale du foyer, sur toute sa longueur et à un niveau donné, ainsi qu'une partie de la paroi terminale au même niveau, et chaque tube passe une ou plusieurs fois en travers du courant gazeux dans le foyer, au même niveau encore. Chaque tube occu- pe également une partie de la largeur du fond et du plafond du foyer, sur toute la longueur.
En même temps, le brûleur se trouve à une des extrémités du foyer., et la flamme et les gaz le parcourent tout droit en sens longitudinal, de sorte qu'au point de vue thermique il y a symétrie par rapport au plan mé-
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dian du foyer., et chaque changement de la température des gaz ou de l'intensité de rayonnement en sens longitudinal affecte dans la même mesure les différents tubes générateurs, quelles que soient les variations de la charge.
On voit donc que 1-'invention fournit un générateur de vapeur surchauffée construit et disposé en trois sections dont chacune comporte plusieurs longs tubes de faible section raccordés en parallèle et qui sont un économiseur, un généra- teur de vapeur proprement dit et un surchauffeur, avec, dans le générateur, un nombre de tubes différent des autres sections, les tubes de chaque section étant toujours horizontaux et cou- dés de façon à former des faisceaux en travers des parois pla- nes à la limite de deux passages horizontaux pour les gaz, situés l'un au-dessus de l'autre, l'inférieur étant le foyer;
les tubes sont disposés de façon qu'ils ne soient pas surchauf- fés et que la même quantité de chaleur soit reçue par les dif- férents tubes raccordés en parallèle dans chaque section, ce qui assure, en service, la plus grande souplesse entre le zéro et le maximum de capacité, et le moindre poids ainsi que le moindre encombrement, tout en permettant le réglage automatique de la chaleur disponible pour l'absorption, en rapport avec le débit de vapeur surchauffée.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.