BE431796A - - Google Patents

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BE431796A
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



  Echangeur de chaleur perfectionné. 



   L'invention a pour objet un échangeur de chaleur perfectionné convenant plus particulièrement pour les cas   où   le fluide chauffant est à une température   trs   élevée lorsqu'il atteint l'échangeur. 



   L'échangeur de chaleur objet de l'invention est du type à paires de tubes concentriques, dites tubes Field, réparties en plusieurs faisceaux principaux, ces tubes Field étant disposés en parallèle dans chacun des faisceaux) le fluide à chauffer   cir-   culant dans les divers faisceaux en série, et, autant que possible, à contre-courant de la circulation du fluide chauffant. 



   L'objet de l'invention est caractérisé principalement par le fait que dans les diverses paires de tubes concentriques, le fluide à chauffer traverse d'abord le tube interne, puis le tube externe, sauf dans le faisceau qu'il parcourt en dernier lieue où c'est l'inverse qui se produit. 

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   De cette façon, les tubes externes de ce dernier faisceau, qui pourraient être exposés à une température trop élevée parce qu'ils sont les premiers en contact avec le fluide chauffant, sont rafraîchis par le fait qu'ils   codent   de leur chaleur par rayonnement vers les tubes internes correspondants. 



   L'objet de l'invention peut aussi être caractérisé par diverses particularités qui ressortiront de la description et, notamment, par le fait de disposer devant le faisceau principal que le fluide chauffé parcourt en dernier lieu une ou plusieurs rangées de tubes Field traversés par une fraction du fluide à chauffer prélevée avant l'entrée de celui-ci dans l'échangeur et réunie ensuite à la fraction principale du fluide   déjà   chauffé. 



   La description qui va suivre, en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple, fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée. 



   Fig. 1 du dessin est une coupe longitudinale verticale, par 1-1 de la Fig. 2, d'un réchauffeur   d'air   conforme à l'invention, dont la Fig. 2 est une coupe horizontale par II-II de la Fig, 1,
Figs. 3 et 4 sont des coupes longitudinales verticales, analogues à celle de la Fig. 1, de deux variantes de réalisation de l'invention; on n'y a représenté que deux tubes de chaque faisceau pour simplifier les figures, mais il est bien entendu que chaque faisceau comporte une multiplicité de tubes Field qui peut être quelconque. 



   Fig. 5 est une coupe longitudinale   d'un   autre mode de réalisation de l'invention. 



   Dans l'échangeur de chaleur représenté aux   Zigs,   1 et 2, l'air à chauffer arrive par une canalisation 1   jusque   une plaque tubulaire 2 dans laquelle sont fixés les tubes internes 3 d'un premier faisceau A de quatre paires de tubes Field puis passe dans les tubes externes 4, qui sont borgnes, de ce même 

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 faisceau pour remonter jusqu'au collecteur 5 commun aux deux faisceaux de tubes Field que comporte l'appareil; cet air descend ensuite dans les tubes externes 6 du deuxième faisceau B, qui sont borgnes, puis remonte   à   travers les tubes internes 7 pour être enfin acheminé vers les lieux d'utilisation par une canalisation 8. 



   Le fluide chauffante par exemple, des fumées   à   haute température, arrive à l'appareil par un carneau 9 selon la direction indiquée par la flèche 10, sur le carneau on a construit une chambre en   magonnerie   il sur laquelle repose par un joint étanche le collecteur 5, les tubes Field plongeant dans la chambre 11 et dans le carneau 9 ; une cloison partielle ou chicane 12 oblige les fumées à monter le long du faisceau B puis à redescendre le long du faisceau A pour gagner le carneau de sortie 13. 



   Un caisson 14 constitué de toute manière appropriée connue, posé sur la.maçonnerie 11, enveloppe le collecteur 5 et évite ou réduit les déperditions de chaleur. 



   On voit que dans l'ensemble, l'air circule à contre-courant des fumées, en ce sens qu'il passe dans le faisceau A puis dans le faisceau B tandis que les fumées baignent d'abord B puis A ; on voit aussi que dans le faisceau A l'air le moins chaud circule de haut en bas dans les tubes 3, à contre-courant de l'air déjà plus chaud qui remonte dans les tubes   4,   cet air des tubes 4   cir-   culant lui-même à contre-courant des fumées qui descendent le long des tubes 4.

   Ces marches à contre-courant sont favorables aux échanges de chaleur,
On voit encore que les tubes 6, les premiers touchés par des fumées à haute température, donc les plus exposés à être trop chauffés, sont rafraîchis par rayonnement d'une partie de leur chaleur vers le métal des tubes 7 dont la température est moins élevée que la leur. 

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   Dans les Fige. 3 et 4, on a adopté pour les mêmes éléments que ceux qui viennent d'être décrits, les mêmes références. 



   Dans la variante représentée à la Fig. 3 on n'a pas fait emploi d'une chicane telle que 12 des Figs. 1 et 2, ce qui permet de donner moins de hauteur à la maçonnerie 11, les faisceaux A et B étant plus développés en longueur et en largeur et moins en hauteur. En outre, le collecteur commun 5 est ici remplacé par deux collecteurs 15 et 16, un pour chaque faisceau, qui peuvent   être assemblés en 17 par joint étanche démontable ; peut ainsi,   pour le montage et les démontages éventuels, diviser le   réchauf-   feur en deux sections plus faciles à manipuler. 



   La variante représentée à la Fig. a été étudiée en vue de cas où la température des fumées chauffantes est si élevée, qu'une protection supplémentaire des tubes 6 est nécessaire, sur la canalisation 1 d'arrivée d'air, on a branché une conduite de dérivation 18 qui aboutit à un petit collecteur 19 monté sur le collecteur 15; à ce collecteur est fixée une rangée de tubes internes 20 concentriques à des tubes borgnes 21 fixés au collecteur 15, de sorte que la fraction d'air frais dérivée de 1 traverse successivement les organes 18, 19,20 et 21 puis se réunit, dans le collecteur 15, à l'autre fraction de   l'air)   laquelle a déjà été chauffée partiellement dans le faisceau A; la totalité de l'air passe ensuite dans le faisceau B. Les paires de tubes 20-21 constituent ce qu'on peut appeler un écran protecteur. 



   L'échangeur de chaleur représenté 4 la Fig. 5 du dessin et qu'on supposera être un récupérateur réchauffeur d'air pour four métallurgique comporte deux faisceaux principaux de tubes Field A et B, composés chacun d'un nombre quelconque convenable de tubes et un petit faisceau additionnel   0   qui constitue l'écran protecteur et qui est disposé du côté de l'arrivée du fluide chauf-   fant.   Les faisceaux A et B communiquent entre eux par deux collecteurs 15 et 16 disposés bout   à   bout de manière à former un 

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 caisson unique.

   La fraction principale du fluide à chauffer amené par la conduite 1 arrive par la chambre 22 à la plaque tubulaire 2 à travers laquelle elle pénètre dans les tubes intérieurs 3 du faisceau A pour remonter ensuite entre ces tubes 3 et les tubes extérieurs   4.   atteindre le collecteur 16, passer de là dans le collecteur 15 puis dans les tubes extérieurs 6 du faisceau B, dans ses tubes intérieurs 7, enfin dans la chambre 23   d'ou.   une conduite 8 l'achemine vers le tour.

   sur la conduite 1 est branchée une conduite de dérivation 24 de moindre diamètre par où l'autre fraction du fluide à   chauf-   fer peut être acheminée successivement vers un robinet à trois voies 25, une conduite 26, un collecteur 27, les tubes extérieurs 28 du faisceau C ses tubes intérieurs 29 et un collecteur de sortie 30   d'où,   par la conduite 31, elle va rejoindre la fraction principale dans la chambre 23. 



   Toutes les parties de l'échangeur sont calculées et construites de telle manière que ces deux fractions du fluide à chauffer arrivent à la chambre 23 à la même pression ou sensiblement à la même pression; cela revient à dire que la résistance offerte au passage de la fraction dérivée depuis la conduite 1 jusque la chambre 23 en passant par le faisceau 0 est autant que possible égale , la résistance offerte au passage de la. fraction   princi-   pale du fluide entre ces deux mêmes endroits en passant à travers les faisceaux A et B.

   Comme le chemin parcouru par la fraction dérivée est, dans sa partie la plus resserrée et dans le cas décrit à titre   d'exemple.   sensiblement de même longueur que la partie la plus resserrée du chemin parcouru par la fraction principale dans chacun des autres faisceaux, donc plus courte que le trajet de la fraction principale à travers les faisceaux disposés en série, cela implique que la résistance au passage du fluide est, par unité de longueur, plus grande (à peu près deux fois 

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 dans l'exemple décrit et représenté) dans l'écran protecteur que dans les autres faisceaux; cela implique aussi que dans l'écran protecteur la vitesse du fluide est plus grande que dans les autres faisceaux;

   il en résulte que le coefficient de transmission de chaleur entre le métal et le fluide à chauffer y est aussi plus grand que dans les autres faisceaux, condition favorable à la   fois k   un refroidissement convenable des tubes de l'écran protecteur et à un abaissement de la température du fluide chauffant qui arrive par le carneau 9 tel que les tubes du faisceau A et B ne soient pas exposés au danger d'un échauffement exagéré,
En pratique, on calculera les sections de passage du fluide chauffé à travers le faisceau C de telle façon qu'en arrivant dans la chambre 23 la fraction dérivée soit non seulement à la même pression que la fraction principale mais aussi   à   une   tempéra-   ture aussi proche que possible de celle de cette dernière. 



   Le robinet . trois voies 25 pourrait ne pas exister sans que pour cela on sorte du cadre de l'invention et sans que rien soit modifié au mode de fonctionnement qui vient d'être exposé. Mais la présence de ce robinet présente des avantages dont il va être   p arl é.    



   D'une part, il peut arriver que par suite d'un incident, les gaz chauffants arrivent par le carneau 9 à une température exceptionnellement élevée, mettant les tubes de l'échangeur en danger. Dans ce cas, on pourra, par une manoeuvre du robinet 25, couper la communication dérivée entre la conduite 1 et le collecteur 27 et établir une communication entre le collecteur 27 et une conduite 32 par laquelle on enverra dans le faisceau C, par tous moyens connus, un fluide plus apte à refroidir ce faisceau, soit qu'il soit plus froid que le fluide à réchauffer normalement, soit qu'il se trouve   à   une pression plus élevée déterminant une vitesse d'écoulement plus grande dans les tubes 28 et 29 et une 

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 amélioration correspondante du coefficient de transmission de chaleur;

   ce fluide peut aussi être de nature différente de celle du fluide à chauffer habituel,
D'autre part, il peut arriver accidentellement que l'arrivée de fluide à réchauffer par la conduite 1 soit interrompue, ce qui mettrait tous les tubes de   l'éohangeur   en danger d'être brûlés. 



  Dans ce cas, par une manoeuvre semblable du robinet 25 et en fermant une vanne 33 intercalée dans la conduite 1, on pourra envoyer dans le faisceau C, par la conduite 32 et par tous moyens connus, un fluide convenable à la température et la pression qu'on jugera les plus convenables, lequel fluide pourra emplir les faisceaux A et B mais s'écoulera de l'échangeur par la conduite 8. 



  Dans le cas supposé d'un récupérateur réchauffeur d'air pour four métallurgique, ce fluide pourra être par exemple de l'air froid sous pression élevée, qu'on acheminera vers le four par la   condui-   te 8 à titre de secours en attendant l'extinction du four ou le rétablissement de   l'arrivée   normale d'air par la conduite 1.   Grâ-   ce à la latitude dont on dispose pour le choix du fluide ainsi envoyé à travers le faisceau C, on pourra prendre les mesures les plus efficaces pour la sauvegarde du faisceau C ainsi que des autres faisceaux, tant par le refroidissement des gaz chauffants par le faisceau C que par le rayonnement négatif de chaleur de ce faisceau par rapport aux tubes voisins.

   Le refroidissement obtenu grâce au faisceau C protégera également les parois de la chambre occupée par l'échangeur de chaleur,
Comme dans le cas des réchauffeurs décrits plus haut, les réchauffeurs du genre représenté à la Fig. 5 peuvent comporter plus de deux faisceaux principaux. Dans ce cas, la fraction de fluide à chauffer sortant du faisceau C, au lieu d'être acheminée vers la chambre de sortie 23, peut l'être vers tout endroit intermédiaire entre deux des faisceaux principaux successifs, les 

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 sections de passage dans le faisceau 0 étant alors calculées de manière que le fluide qui en sort soit, ou à peu près) à la même pression et autant que possible à la même température que la fraction principale du fluide à chauffer à leur endroit de réunion. 



   Des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, sans que pour cela on sorte nécessairement du cadre de l'invention. Notamment; les murettes ou chicanes représentées en 12 et en 34 peuvent ne pas exister. 



  Notamment aussi, la hauteur des faisceaux de l'échangeur peut être égale ou à peu près égale 4 celle des carneaux 9 et 13. 



    Résumée  
1. Un échangeur de chaleur perfectionné comportant une multiplicité de paires de tubes concentriques   dites :  tubes Field, parcourues intérieurement par le fluide chauffé et baignées extérieurement dans le fluide chauffant, ces paires de tubes étant disposées en parallèle dans plusieurs faisceaux que le fluide chauffé traverse en série et en sens contraire du sens de circulation du fluide chauffant, cet échangeur étant caractérisé par le fait que dans les diverses paires de tubes, le fluide chauffé traverse d'abord le tube interne puis le tube externe ou tube borgne, à l'exception des paires de tubes du faisceau qu'il traverse en dernier lieu, ou le sens de sa circulation est inversé. 

**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.

Claims (1)

  1. 2. Dans un échangeur de chaleur selon 1, les particularités suivantes, prises séparément ou combinées de toute manière possible : a) des chicanes disposées entre les divers faisceaux de tubes Field obligent le fluide chauffant à circuler à contre-courant du fluide chauffé non seulement d'un faisceau à l'autre, mais aussi le long des tubes borgnes de chaque faisceau; b) le passage du fluide chauffé d'un faisceau au faisceau <Desc/Clms Page number 9> suivant se fait à travers un collecteur unique pourvu de plaques tubulaires appropriées ; c) chaque faisceau de tubes Field est pourvu de son collec- teur propre, les différents collecteurs étant réunis par des joints étanches et démontables;
    d) une conduite de dérivation branchée sur l'arrivée du fluide à chauffer permet de faire circuler une fraction de celui- ' ci en premier lieu dans une ou plusieurs rangées de tubes Field constituant un écran protecteur et disposées, par rapport au courant du fluide chauffant, en amont des autres tubes Field, ladite fraction du fluide à chauffer étant ensuite réunie à la fraction restante avant l'entrée de celle-ci dans les tubes Field du faisceau qu'elle parcourt en dernier lieu;
    e) en amont des faisceaux principaux de tubes Field par rapport au courant du fluide chauffant est disposé un faisceau additionnel constituant l'écran protecteur et qui est traversé par une fraction du fluide à chauffer dérivée depuis la conduite d'amenée de ce fluide, laquelle fraction est ensuite réunie à la fraction principale du fluide à chauffer à l'endroit où celle-ci sort ou va sortir de l'échangeur après en avoir traversé les faisceaux principaux disposés en série, l'écran protecteur étant calculé et construit de telle manière que lorsque les dites fractions se rejoignent, elles sont sensiblement à la même pres- sion et, autant que possible, à la même température;
    f) des moyens sont prévus qui permettent d'envoyer à tra- vers l'écran protecteur, au lieu d'une fraction du fluide à chauffer habituel, un fluide d'une autre provenance et qui peut être de même nature que le fluide à chauffer principal; g) le fluide d'une autre provenance, mentionné sous f, peut, avant son entrée dans l'écran protecteur, avoir une pres- sion plus élevée ou une température plus basse ou les deux à la <Desc/Clms Page number 10> fois que le fluide à chauffer principal arrivant à l'échangeur; h) des moyens sont prévus pour obturer la conduite d'ame- née du fluide à chauffer principal de manière que le fluide d'une autre provenance soit acheminé seule après avoir traversé l'écran protecteur, vers le lieu d'utilisation du fluide chauffé ou vers tout autre lieu convenable;
    i) lorsque l'échangeur comporte plus de deux faisceaux principaux de tubes Field, la sortie de l'écran protecteur peut être reliée à un endroit intermédiaire situé entre deux quelcon- ques de ces faisceaux principaux, convenablement choisis.
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