<Desc/Clms Page number 1>
"Echangeur de chaleur pour le chauffage intensif de gaz et vapeurs"
Les échangeurs de chaleur pour le chauffage intensif de gaz et vapeurs, dont les gaz chauds ne sont pas engendrés sous pression atmosphérique et ne sont pas conduits avec les vitesses modérées usuelles le long des surfaces de chauffe, mais qui travaillent avec de fortes densités, ou poids spécifiques élevés, et de grandes vitesses d'écoulement de l'agent de chauffe, par exemple conformément au procédé Velox, présentent l'avantage d'exiger une surface de chauffe beaucoup plus petite, puisque les fortes densités et les grandes vitesses permettent d'importantes transmissions de chaleur, également du côté des gaz chauds.
Un désavantage de ce système est toutefois constitué par le fait que. la température de paroi de la surface de chauffe s'approcha alors de la température du gaz chaud, puisque la coefficient da transmission thermique spécifique, du côté du gaz chaud, ne reste pas en-dessous de celui de la substance absorbant la chaleur, comma c'est presque toujours le cas pour la conduite de gaz chauds sous pression atmosphérique, mais devient sensiblement plus grand que celui-ci.
Afin d'éviter que les températures des parois de l'échangeur de chaleur ne croissent pas au-delà d'une valeur admissible, on est alors obligé, soit de renoncer aux avantages, qui résultent de l'augmentation de la densité et da la vitesse d'écoulement du gaz chaud, soit de travailler de prime abord à des températures des gaz chauds qui sont sensiblement plus basses que celles qu'on tolèrerait si les gaz de chauffa étaient conduits
<Desc/Clms Page number 2>
sous pression atmosphérique.
Suivant l'invention, on peut s'opposer à cet inconvénient si les tubes formant l'échangeur de chaleur sont constitués de plusieurs tronçons de tubes qui ont des diamètres différents ou bien, pour le décrire d'une 1,iariière plus détaillée : si les tubes soumis à l'action de gaz chauds de haute température comportent plusieurs parties pour lesquelles la section transversale libre des tubes et la section transversale libre existant entre les tubes sont dimensionnées de telle manière que le produit de la vitesse par la densité ou poids spécifique (W[gamma]) des substances conduites en contre-courant l'une par rapport à l'autre des deux côtés de la paroi de tube, croît graduellement avec la température croissante du côté absorbant la chaleur, mais décroît, par contre, graduellement du côté émettant la chaleur.
Etant donné que, dans le cas de la conduite des gaz chauds sous pression, on est en état d'adapter non seulement la vitesse d'écoulement de la substance à chauffer, mais aussi celle du gaz chaud, dans de larges limitas,aux exigences, on dimensionne les divers tronçons de tubes de telle manière que, à l'extrémité chaude de chaque tube, le gaz chaud s'écoule à la plus petite vitesse, tandis que la substance à chauffer s'écoule à la vitesse la plus grande, de sorte que, par suite des différentes transmissions de chaleur, la température de paroi du tube s'approche sensiblement plus de la température de la substance à chauffer que de celle du gaz chaud.
La Fig. 1 montre schématiquement deux tubes d'un tel échangeur de chaleur. Le gaz chaud s'écoule en courant parallèle à l'extérieur des tubes, tandis que la substance à chauffer, par exemple de l'air, de la vapeur ou analogue, s'écoule par l'intérieur des tubes et en contre-courant par rapport au gaz chaud. L'extrémité d'entrée du gaz chaud présente une importance particulière, puisque les plus hautes températures y dominent. A cet endroit, on donne au tube le plus petit diamètre, de sorte que la substance à chauffer acquiert la vitessela plus élevée, tandis que la vitesse d'écoulement de l'agent de chauffe est relativement faible.
Plus loin, le diamètre libre du tube est augmenté et, de ce fait, la section libre entre les tubes se rétrécit pour un écartement constant des tubes, de sorte que la vitesse du gaz chaud augmente. Il est vrai que, de ce fait, la température de la paroi du tube se rapproche de celle du gaz chaud, mais se maintient cependant endéans des limites admissibles, puisque la température du gaz chaud a diminué entretemps.
Le diagramme da la Fig. 2 indique les conditions approximatives existant tout au long d'un tube suivant l'invention, au point
<Desc/Clms Page number 3>
de vue de la température et du produit de la vitesse par la densité.
La courbe 1 indique l'évolution de la température du gaz chaud (tg), tandis que la courbe 2 indique l'accroissement de température $ (tL) da la substance à chauffer, par exemple de l'air dans un réchauffeur d'air (récupérateur). Les produits W[gamma] choisis, qui permettent de calculer les sections transversales libres et les coefficients de transmission de chaleur, sont indiqués par les droites 3 pour le gaz chaud et par les droites 4 pour l'air à chauffer. A l'aide des coefficients de transmission de chaleur et de la chute de températurent, on détermine les températures tW (courbes 5) de la paroi du tube, qui ne doivent pas dépasser une valeur déterminée, dépendant de la matière dans laquelle le tube est établi. Cette tempéra- ture maximum tWmax est indiquée, par la ligne 6.
Si, comme c'était le cas jusqu'à présent, les sections transversales des tubes étaient maintenues constantes sur toute la longueur des tubas, par exemple comma dans le tronçon de tube lII, la longueur totale du tube deviendrait, il est vrai, un peu plus faible, mais la température de paroi du tube monterait fortement au-delà, de la valeur admissible, par exemple jusqu'à tx, de sorte qu'on serait obligé de maintenir la. température du gaz chaud (courbe 1) plus basse, ensuite de quoi la chute de température # t, se trouve toutefois réduite, ce qui conduit de nouveau à une augmentation de la surface de chauffe requise, ou de la longueur du tube.
Par le choix judicieux des tronçons de tube, on parvient aussi à réaliser la meilleure résistance du tube pour un échange de chaleur déterminé. De même, on peut choisir la matière la plus favo- rable, pour chaque tronçon, selon la température de paroi maximum qui se présenta et selon la dimension du tube. La réduction du diamètre du tube, aux extrémités, présente encore le grand avantage que le raccordement des tubes: aux collecteurs est facilité constructivement et que l'entrée et la, sortie de la substance entre les tubes d'un faisceau sont améliorées techniquement au point de vue da l'écoulement. Pour ce motif, on réduira également le diamètre du tube à son extrémité froide, mais à ce tronçon d'extrémité on ne donnera que la longueur qui est nécessaire pour le passage du gaz:.
Avantageusement, on groupe toujours un grand nombre du tubes sous forme d'un faisceau. Etant donné que la haute température, et la faible résistance de la manière, qui en résulte, ne permet presque aucune sollicitation à. la flexion, et que, par contre,
<Desc/Clms Page number 4>
une tension longitudinale permanente des tubes est nécessaire pour empêcher la déformation, les tubes d'amenée et d'évacuation des collecteurs doivent s'étendre coaxialement avec les dits tubes.
Selon la pression intérieure, le tronçon-collecteur peut être constitué par un corps à ailettes (Figs. 3 et 4) dont les parois extérieures 10 sont établies en tôle, ou bien les tubes sont soudés directement au tube-collecteur (Fige. 5 et 6), les ailettes 11 étant alors uniquement prévues pour assurer l'espacement des tubes.
Puisque les tubes peuvent, dans certaines conditions, acquérir des températures auxquelles leur matière constitutive commence déjà à ramollir et que, par ailleurs, la longueur des tubes augmente par suite du chauffage, il faut prendre des mesures pour que les tubes restent toujours tendus. Pour cette raison, les faisceaux de tubes ne sont fixés rigidement que d'un coté et sont maintenus, de l'autre côté, par un ressort puissant 12, Fig. 7, ou par des contrepoids. En Fig. 7, 13 désigne les tronçons-collecteurs des divers faisceaux de tubes, qui se terminent par des tubes coaxiaux 14.
Dans les échangeurs de chaleur pour basses pressions (par ex. réchauffeurs de vent), l'étanchéité entre la chambre d'air 15 et la chambre de gaz chaud 16 peut être assurée par des bottes à bourrage 17 agencées aux endroits de passage des tubes 14, de sorte que ces tubes, qui sont supportés par les tiges 18, peuvent se dilater librement avec l'appui des ressorts 12. Dans les échangeurs de chaleur pour pressions élevées (surchauffeurs de vapeur), le raccordement des divers faisceaux de tubes s'opère à l'aide de tubes flexibles.
REVENDICATIONS.
1 - Echangeur de chaleur pour le chauffage intensif de gaz et vapeurs, principalement ceux fonctionnant avec des gaz chauds à haute densité et grande vitesse, caractérisé en ce que les tubes individuels formant l'échangeur de chaleur sont composés de plu- sieurs tronçons ayant des diamètres différents.