<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.
<Desc/Clms Page number 2>
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
<Desc/Clms Page number 3>
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.
<Desc/Clms Page number 4>
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
<Desc/Clms Page number 5>
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
<Desc/Clms Page number 6>
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
<Desc/Clms Page number 7>
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
<Desc/Clms Page number 8>
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 **.