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JH/JL/RP - J. 4 290 0/18 027 - Cas 1 ---------- " Procédé et appareil d'échange de chaleur " Emil JANTSOH - YOUNGSTOWN - County of Mahoning and State of Ohio (U.S.A.) Convention Internationale de 1883 eu égard à la demande de brevet déposée aux Eta.ts-Unis le 14/11/1946 - n 709.719.
La. présente invention concerne l'art d'échanger de la..chaleur, et plus particulièrement certains procédés et appa- reils perfectionnés utilisés pour extra,ire de la chaleur à par- tir de quantités fluides ou, inversement, pour appliquer de la
5 chaleur.:à des masses fluides. L'emploi, de fluides, gazeux ou liquides, pour le transfert de chaleur, dans une quantité in- finie d'applications, est un art très ancien et c'est le procé- dé le plus communément employé en raison de la propriété qu'il présente de permettre la plus grande facilité.de contrôle de la 10 répartition physique de l'agent calorifique.
Alors que dans
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certains cas, par exemple dans le brûlage direct, des unités calorifiques sont injectées directement da.ns le milieu, alors que dans d'autres cas on extrait des unités calorifiques du milieu, fluide par une extra.ction directe de composants physiques
5 les applications plus normales consistent à utiliser des masses solides et des parois, voûtes ou écrans pour appliquer la cha- leur au milieu fluide par convexion, conductibilité et rayonne- ment et pour extraire la, chaleur du milieu par convexion, con- ductibilité et absorption.
10 Lorsqu'il s'agit de milieu?: liquides, le coeffi- cient de transmission calorifique peut même atteindre une va- leur élevée susceptible d'entraîner un échange rapide par conductibilité, ma.is on conçoit facilement que si les gaz sont suffisamment isolants, la. proportion de transfertcalorifique 15 dans un corps gazeux ou à partir de celui -ci par conductibilité est insignifiante. En ce qui concerne le rayonnement et l'a@@mp- tion de chaleur par un corps gazeux, les résultats sont déter- minés, naturellement, par la structure moléculaire du gaz et par la température de celui-ci dans le cas de rayonnement et 20 par la température et le genre du radiateur environnant dans le ca.s d'absorption.
Ainsi, l'air transparent ou diatomique est absolument impropre à rayonner ou absorber de l'énergie, quelle que soit la température à laquelle on le chauffe ou celle de la surface rayonnante environnante, et ce n'est que 25 lorsque le gaz est lumineux, ou qu*il présente une certaine opacité finie, que le rayonnement et l'absorption deviennent appréciables. Par conséquent, il est évident que, entre un gaz et un solide, le seul procédé satisfaisant et sur pour assurer un transfert calorifique élevée est la convexion.
30 La présente invention a principalement pour objet de
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477216 - 3 - prévoir un procédé nouveau et perfectionné pour transférer de la chaleur vers un milieu, fluide ou à partir de celui-ci, par convexion, et de prévoir différents dispositifs mécaniques susceptibles d'exploiter complètement les principes avanta.geux
5 du procédé précité. L'échange de cha,leur par convexion d'un fluide entraine le brassage rapide de parties séparées du milieu fluide par rapport au solide conducteur de chaleur, afin de re- tirer efficacement des calories des surfaces du solide ou,dans le cas contraire, leur en transmettre d'une façon rapide.
Confor- 10 moment au principal objet de l'invention, un procédé perfection- né a été conçu pour effectuer le brassage rapide des particules fluides, a,insi que des dispositifs mécaniques perfectionnés dont les caractéristiques propres sont constituées par l'appli- cation de ce nouveau procédé d'opération. En outre, la présente 15 invention prévoit la réalisation multiforme de ces dispositifs mécaniques, ce qui étend le champ des applications industrielles de l'invention et son rendement.
Un a,utre objet de l'invention est la prévision, dans un appareil échangeur de chaleur du type commun utilisant le 20 phénomène de convexion entre des milieux fluide et. solide, d'une disposition perfectionnée pour contrôler le mouvement du fluide par rapport au solide, afin de permettre d'atteindre un degré maximum d'échange calorifique avec le minimum de turbulence ou autres obstacles mécaniques au mouvement du'milieu fluide.-Cet 25 objet plus pa,rticulier est obtenu, conformément à l'invention, grâce à l'emploi d'un ou de plusieurs passages en colonne, pour assurer le transfert du milieu fluide à travers le milieu solide et, pour obtenir le rendement optimum, ce passage s'étend, de préférence, le long d'un axe rectiligne. En outre, la surfa- 30 ce solide qui délimite généra,
lement le passage est établie de
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manière à produire sur la colonne mouvante des fluides un effet de brassage résultant des rétrécissements et des dilatations simultanés des sections transversales superposées de l'espace forme par la colonne. Les surfaces rétrécies et dilatées du
5 solide sont établies de manière à produire des remous localisés en plusieurs points répartis sux la circonférence de la colonne de fluide afin que toutes les particules du miliea fluide soient mises en contact réel ou approché avec les surfaces en- vironnantes du solide.
Etant donné que les remous sont localisés 10 et réduits, la. puissance qu'ils absorbent est négligeable, et étant donné que le volume de la colonne est établi de façon à présenter la même section transversale dans chaque segment su- perposé ou zone, on évite la. compression et la décompression du milieu fluide, ce qui réduit davantage la puissance requise 15 pour déplacer la colonne de fluide à travers l'échangeur de chaleur.
Bien que l'invention décrite ci-dessus dans ses grandes lignes soit susceptible d'être d'un usage très général, elle supplique plus particulièrement à des régénérateurs, tels 20 que, par exemple, ceux utilisés dans des fours à soles ou four
Martin et dans les réchauffeurs de hauts-fourneaux; par consé- quent, un objet plus particulier de l'invention, est la prévi- sion d'un empilage d'un type perfectionné destiné à des régéné- rateurs calorifiques.
Dans une semblable installation, les pas- 25 sages des fluides sont empruntés alternativement par les produits chauffés de la, combustion et par l'air, et le rendement total de l'appa.reil est déterminé, dans une large mesure, par le degré de transfert calorifique par convexion qui s'établit entre le gaz ou l'air et les surfaces exposées des éléments régénérateurs, 30 ainsi que par la facilité a.vec laquelle le gaz ou l'air circule
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deux conditions et, en outre., elle prévoit un empila,ge ayant la caractéristique désirable énoncée plus haut, sous une forme pratique dont la réalisation et l'assemblage sont très économi-
5 ques.
Un autre objet de l'invention est l'aménagement d'un empi- lage perfectionné à claire-voie pour des régénérateurs calo.ri- fiques possédant les caractéristiques définies ci-dessus mais présentant la propriété de se nettoyer sensiblement par lui- même, pendant son fonctionneme,nt, et qui permet l'utilisation 10 maximum'du volume de briques ou tuiles réfracta,ires qui forment la structure du régénérateur.
Les avantages et objets de l'invention exposés ci- dessus, et d'autres encore, deviendront évidents au cours de la description détaillée ci-après et à l'examen du dessin annexé 15 sur lequel on a représenté certa.ins modes. préférés de réalisa- tion de l'invention.
Sur le dessin : ,La fig.l est une vue en perspective. et en coupe par- tielle d'une pa,rtie d'une maçonnerie à claire-voie pour four 20 régénérateur, établie conformément aux principes de' l'invention.
La. fig.2 est une vue en perspective., à une échelle agrandie, d'un des éléments en briques réfractaires qui cons- tituent l'assemblage de la, fig.l.
La. fig. 3 est une vue partielle en'plan d'un régéné- 25 rateur représenté sur la, fig.l.
La fig.4 est une vue en perspective d'une variante de réalisation de la, maçonnerie du régénérateur également conforme a,ux principes de l'invention.
La fig.5 estune vue en perspective, à une échelle 30 agrandie, d'une des briques réfractaires qui constituent
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l'assemblage de la. figure 4.
Les fig.6 et 7 sont, respectivement, une coupe ver- ticale et une vue en plan de la disposition adoptée fig.4.
La fig.8 est.une vue en perspective d'un élément
5 réfractaire du type à barre, susceptible d'être utilisé dans l'assemblage de la. fig.l.
Les fig.9, 10 et 11 sont, respectivement, des vues en plan, en coupe transversale et en coupe longitudinale d'une au- tre va.riante de maçonnerie en briques conforme aux principes de 10 l'invention, et
Les fig.12, 13 et 14 représentent des coupes ver- ticale et horizontale à travers une structure théorique utili- sée ici pour expliquer certains principes de l'invention.
Si l'on se réfère maintenant aux fig.1,2 et 3, on 15 voit une. paroi la.térale 10 d'une chambre à empilage d'un four à sole de type normal et, comme d'ordinaire, le bas de cette cham- bre comporte une construction composée d'une série d'arches 11 prévues pour supporter des maçonneries de manière à réserver un passage d'air ou de gaz 12 à la base de la chambre.
On a indiqué 20 en 13 un mur à pont et il est entendu, qu'au c@@rs du fonctionne- ment de l'appareil, les gaz chauffés sont dirigés par-dessus le mur 13 et ensuite vers le bas à travers la maçonnerie suppor- tée par les arches 11, pour gagner ensuite l'espace 12, elors qu'en sens inverse l'air ou les gaz à chauffer sont dirigés vers 25 le haut à, travers cette même maçonnerie.
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La maçonnerie a cisire-voie utilisée sur les fie.l,
2 et 3, pour l'explication de l'invention est du type à treillis droitetajouré etest constituée par un grand nombre de briques de dimensions uniformes, une de ces briques étant représentée 30 sur la fig.2.Si l'on se réfère à cette dernière figure,on voit
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que la brique est essentiellement constituée par un court bar- reau ayant des parois latérales parallèles 14 et des parois ex-. trêmes 15 également parallèles et perpendiculaires aux parois
14.
Comme on le voit sur la fig.2, la brique a une hauteur à peu
5 près double de son épaisseur et les parois supérieure et infé- rieure de la brique sont identiques mais construites spéciale- ment afin de former sur une partie centra,le considérablement longue de la brique une nervure conique en élévation 16 qui s'étend longitudinalement par rapport à la, brique.
La nervure 10 le se termine à une courte distance des extrémités de la, brique de manière à former des surfaces portantes plates. 17 à chaque extrémité et dont la profondeur est d'environ la moitié de la. largeur de la brique, de sorte que, si l'on place deux briques bout à bout, la surface portante 17 d'une troisième brique puis- 15 se être fermement appuyée sur les extrémités intérieures des deux premières briques lorsque la. troisième est supportée trans- versalement par rapport à celles-ci.
Pour une raison qui sera expliquée plus loin, les côtés inclinés ou convergents vers l'intérieur de la nervure 16 20 s'étendent à égale distance a,u-dessus et au-dessous du plan imaginaire réunissant les surfa.ces portantes 17. L'étendue de cette extension est établie de manière à permettre que le res- tant de la surface plate des côtés 14 conserve une hauteur ap- .proximetivement égale à la largeur ou épaisseur de la brique, 25 de sorte que les faces 18 ne sont pas abruptes.
Il est évident, à l'examen de la figure 2, que la. brique peut être construite de façon que le volume de matière qui se trouve à l'extérieur des plans imaginaires réunissant les deux paires de surfaces 17 soitapproximativement égal a.u volume de matière qui esten- 30 levéde la forme rectangulaire générale de la brique; cela
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présente un avantage supplémentaire dans la fabrication de la brique en ce que les ébauches d'argile peuvent être facilement découpées aux cotes à partir d'une longueur continue obtenue a , la presse dont la section transversale a une forme et une
5 surface égales à celles de la section transversale terminale des parois extrêmes de la brique finie.
Par conséquent, la formation de la nervure 16 est obtenue par une simple opération de pression. Pour une raison qui sera décrite plus loin, les surfaces intérieures 18' des briques présentent une certaine 10 inclinaison comme on le voitsur la, figure2.
La brique représentée sur la figure 3 peut être réunie à d'antres briques identiques pour former une maçonnerie telle que celle représentée sur la figure 1 dons laquelle les arches 11 ont une épaisseur à peu près égale à celle de la bri- 15 que et présentent, à titre de série initiale, un jeu de briques
20' coupées par moitié et placées longitudinalement bout à bout sur chacune des arches 11. Le bord inférieur des arches 11 est à section décroissante comme on le voiten 11' et, naturell@ ent, les arches 11 sont placées à un écartement respectif égal 1,, la 20 longueur des briques.
Eventuellement, on peut prévoir des deni- briques 20 destinées à. s'appuyer contre les parois extrêmes et latérales de la chambre de chauffage, mais c'est là un perfec- tionnement qui n'est pas utilisé d'ordinaire. Les rangées trans- versales précitées sont réparties à, des distances exactement 25 égales à la longueur de la. brique et, lorsque cela. est accompli;
, on place la. première rangée longitudinale de briques de manière que chacune des surfaces portantes inférieures 17 de la deu@iè- me rangée de briques repose sur une moitié de la surf.-^,ce portante
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d'ériger une maçonnerie qui, tout en étant composée de briques identiques, facilement maniables et réversibles bout pour bout et bord pour bord, présente des caractéristiques de verrouilla- ge réciproque telles, en ce qui concerne les éléments qui la.
5 compose, qu'on obtient une stabilité appréciable de l'ensemble terminé. On peut également prévoir des briques 20A raccourcies dans le sens vertical, au sommet des assises. ,Ces briques pré- sentent une partie inférieure identique à celle des briques or- dinaires prévues par l'invention et un bord supérieur constitué 10 par deux parois inclinées allant de bout en bout de la brique.
Cette brique spéciale destinée à constituer le faite des assises a un centre de gravité relativement ba,s et résiste, par consé- quent, au retournement pendant les opérations de nettoyage. Les extrémités exposées des nervures 16 constituent des surfaces de 15 guidage qui contribuent à la mise en place, correcte des briques de l'assise supérieure suivante au cours de la. construction de la maçonnerie.
La maçonnerie à claire-voie décrite ci-dessus com- porte une série d'ouvertures en forme de colonne pour le passage 20 des gaz ou de l'air et, en raison de la. symétrie propre de la brique utilisée, ces passages présentent des caractéristiques de formes identiques, quel que soit le sens de circulation du flui- de. En outre, étant donné que toutes les briques sont de formes et de dimensions identiques, ces passages en colonne ont une 25 section essentiellement carrée, ce qui est un facteur très impor- tant ainsi qu'on le verra. plus loin.
Il y a lieu de remarquer d'après la. figure 1 que le plan horizontal passant par les ex- trémités ou bords inférieurs des pa.rois inclinées supérieures
18 de n'importe quelle assise de briques coi'ncide sensiblement 30 avec le plan horizontal qui touche les arêtes inférieures des
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nervures inférieures 16 de l'assise de briques placée immédia- rieures des parois inclinées inférieures 18 de cette assise im- médiatement supérieure coïncide avec le plan qui touche les
5 arêtes supérieures des nervures supérieures 15 de la première assise quelconque nommée ci-dessus.
Par conséquent, il est évi- dent qu'il ne se produit aucun changement dans la section trans- versa.le réelle de la colonne de passage du fluide donne que dans l'un ou l'autre sens de circulation,, quand le fluide 10 est comprimé dans un sens latéral, par exemple, il est détendu exactement: au-'même degré dans un autre sens latéral.
C'est là un point très important car il a été constaté que les variations périodiques dans la section transversale d'un passage pour l'écou- lement des fluides est le plus grand obstacle à la circulation 15 du fluide à travers le passage et, en outre, la compression et la détente périodique qui en résultent lorsqu'elles sont brus- quement appliquées à la colonne de fluide en mouvement, rendent impossible le balayage uniforme et totalde toute la surface exposée du milieu solide environnant. Lorsqu'on est en brésence 20 de colonnes progressant par pulsations briques, il se produit des bandes non balayées qui réduisent le rendement, ce qui entraine un nettoyage fréquent de l'appareil..
Il y a lieu d'observer tout particulièrement que dans chaque colonne de fluide formée par la maçonnerie décrite 25 ci-dessus les angles ou arêtes sont établis de façon que lors- qu'il se produit un recul dans un sens (causé par la paroi in- clinée 18), il se produit une avance vers l'intérieur dans une direction perpendiculaire à la précédente ( ce qui est assuré par la paroi inclinée 18 d'une autre brique); cela crée un 30 couple ou mouvement de torsion qui a .pour effet de former des
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remous dans l'angle de la colonne de fluide, autour d'un axe vertical.
Bien que ces remous ne soient pas excessivement vio- lents ou brusques en raison de la faible inclinaison des parois
18 des briques, ils sont suffisants pour déterminer un échange
5 efficace entre l'air ou le gaz placé au centre de la colonne en mouvement et l'air ou le gaz situé dans les parties périphériques de cette colonne. Ainsi, on obtient un balayage complet et effi- cace de toutes les particules d'air ou de gaz de la colonne sur les surfaces exposées du milieu solide environnant et de même,
10. la conséquence de ce balayage centrifuge est la réduction de l'épaisseur de la couche fluide qui séjourne sur les surfaces solides. Ainsi, il en résulte le maximum de rendement dans l'échange de chaleur avec le minimum d'absorption de l'effort mécanique assurant l'entraînement de la colonne fluide.
Cette
15 théorie est représentée sur les figures 12, 13 et 14 où.les sur- faces hachurées désignées par 21 indiquent le milieu solide for- mant passage en colonne du système échangeur de chaleur et sur lesquelles les remous de gaz ou d'air dans la colonne de fluide animée d'un mouvement ascenda,nt sont représentés par les flèches 20 22.. Ces figures indiquent également la forme ondulée de l'écou- lement des fluides tout en montrant que cela peut être facilement obtenu sans altérer la, section transversale de la, colonne de fluide en un point quelconque de son parcours. Ainsi, l'espace qui sépare les surfaces hachurées 21 de la figure 13 est égal 25 à l'espace qui sépare les surfaces hachurées 21 de la figure 14.
Ce qui est dit ci-dessus au sujet de l'emplacement relatif des prolongements verticaux des faces inclinées 18 de la brique est exa,ct en théorie pour une brique à arêtes vives. Tou- tefois, tous les angles intérieur et extérieur de la, brique sont 30 arrondis ou émoussés de préférence pour résister a,ux ébréchements
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pendant la manutention et alors que cela réduit légèrement l'étendue de la saillie extérieure des nervures 16 par rap- port aux surfa.ces portantes 17;
la modification que cela. applique à la, caractéristique précitée relative à l'unifor-
5 mite de la section transversale des passages ou cheminées réservés dans la maçonnerie est d'importance moindre et ne .constitue pas une contra.diction puisque la déformation sus- ceptible de se produire a. plutôt lieu dans le sens de la di- latation que dans celui de la, contraction.
10 La. maçonnerie décrite ci-dessus réalisée à l'aide de briques ayant les proportions pratiques désirables a pour résultat de permettre sensiblement le maximum d'utilisation' du volume composé de la brique tout en permettant d'établir une structure de forme pratique de construction stable et 15 possédant certains avantages fonctionnels inhérents, en ce qui concerne le rendement de l'échange de chaleur ainsi qu'on l'a expliqué plus haut.
Dans les applications pour ré- génération, la. recherche de l'efficacité maximum implique que l'épaisseur de la brique ou d'un autre moyen solide 20 d'accumulation calorifique soit en relation avec le coeffi- cient de tra,nsmission calorifique de la matière constitutive particulière de la brique ou autre matisre solide et avec la fréquence du fonctionnement périodique du régénérateur.
Une brique mince est plus afficace si les inversions se 25 produisent fréquemment et, conformément à. la présente in- vention, on satisfait à cette condition en donnant aux parties actives de la brique une forme plus plate que celle représentée sur les figures 1 et 2. Une autre condition essentielle dans la conception des régénérateurs est qu'une 30 surface exposée suffisante est indispensable pour faire
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4?21 face à la luminosité des gaz incandescents de chauffage pour que le transfert calorifique ait lieu à une vitesse élevée, étant donné qu'il est reconnu que l'échangeur de chaleur dans cette partie du cycle a surtout lieu par rayonnement.
Dans la
5 présente invention, on satisfait également à cette condition en augmentant une dimension de la brique dans un sens qui permet de présenter une plus grande surface aux gaz incandescents sans accroître le volume normal de la. brique. De plus, ces deux per- fectionnements sont obtenus tout en conservant une perfection 10 de dessin et une facilité de réalisation de la. brique et en permettant cependant l'établissement d'une construction permet- tant .d'effectuer l'échange de chaleur le plus efficace pa. r con- vexion entre la brique qui accumule la chaleur et la colonne mobile du milieu constitué par de l'air ou d'un autre fluide..
15 Dans le mode 'de réalisation de l'invention représenté sur les figures 4 à 7, on voit une brique spécialement cons- truite pour permettre de disposer la maçonnerie en treillis ouvert à double quinconce, ce qui peut être avantageux dans certaines installa.tions en raison du fait qu'il multiplie par 20 quatre le nombre des pa,ssages verticaux en colonne.formés pa,r l'assemblage. Dans ce cas, également, la brique'peut être fabri- quée très facilement à partir d'une ébauche en argile à section transversale uniforme sa,ns enlever de matière et sans modifier la longueur de l'ébauche.
C'est ainsi que la. brique comporte 25 des parois latéra.les parallèles pla,tes 23 et des parois extrêmes parallèles 24 qui sont les surfaces originales de l'ébauche à partir de laquelle la brique est obtenue, La paroi inférieure ou du dessous de la, brique représentée figure 5 présente la même forme que la moitié inférieure de la, brique de la fig.2, 30 et elle comprend des surfaces terminales portantes 25 plates
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qui correspondent aux surfaces portantes 17 de la. brique de la figure 2 et est munie d'une nervure 26 qui s'étend vers le bas et da.ns le sens longitudinal, formée de deux parois in- clinées latérales 27 qui correspondent à la nervure inférieure
5 16 et aux parois inclinées 13 de la brique de la figure 2.
La partie centrale de la paroi supérieure de l'ébauche de la brique est laissée telle quelle confie on le voitten 28 de manière à constituer une surface portante plate destinée à recevoir deux des surfaces portantes 25 des briques adjacentes 10 comprises dans l'assise supérieure suivante lorsque celle-ci est convenablement disposée dans le sens transversal comme on le.voitsur la figure 4.
Les parties terminales de la paroi supérieure de l'ébauche de la brique sont formées de manière à présenter. deux nervures 29 disposées longitudinalement et 15 ayant des parois inclinées latérales 30 lesquelles, comme il a été déja. expliqué au sujet des parois inclinées 18 de la brique représentée sur la figure 2, s'étendent à égales dis- tances au-dessus et au-dessous du plan de la surface 28. La longueur de la. surface portante 28 est à peu près égale à la 20 largeur de la surface portante 25 de manière à conserver l'ar@n- tage mentionné plus haut qui consiste en un guidage pour faci- liter l'érection de la maçonnerie.
Les briques formées suivant la figure 5 sont dis- posées en treillis en quinconce suivant le procéda adopté 25 sur la. figure 4 et ici également les rangées qui constituent la première a.ssise de briques sont supportées par des arches ayant les dimensions et 1'écartèrent appropriés (non représen- tées). L'assise supérieure suivante estdisposée transversale- ment sur les rangées de la première assise de façon que les 30 surfaces portantes adjacentes 25 de deux briques comprises
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dans cette assise supérieure suivante reposent fermement sur chacune des surfaces portantes 28 des briques de la première assise.
Cette façon de' procéder se répète'jusqu'au remplissage suffisant de la chambre de maçonnerie et il est évident que,
5 dans le cas des briques conformes à la figure 2, les caracté- ristiques inhérentes de blocage et de guidage réciproques de ce type de brique facilitent sensiblement le montage de la maçonnerie dans la chambre prévue à cet effet. La. brique repré- sentée sur la figure 5 conserve également tous les autres a,va.n- 10 tages en ce qui concerne la durée, le rendement volumétrique etc.. énumérés plus haut au cours de la description du premier type de brique.
On a. représenté sur la figure'7 la vue en plan de la. ma.çonnerie suivant la figure 4 et on remarquera que dans 15 chaque segment carré théorique de la colonne.du volume de maçonnerie ayant une dimension latérale égale à la longueur d'une des briques, on obtient quatre passages verticaux inin- terrompus pour la. circulation de colonnes d'un milieu fluide travers la. maçonnerie.'Ces quatre pa,ssages sont indiqués, 20 respectivement, par A, B, C et D sur-la figure 7;
si l'on compa- re cette figure avec la construction de la. figure 4, on voit que chacun de ces passages est identique et, en outre, que les 'caractéristiques de perturbation de 1!écoulement dans chaque passage sont les mêmes quel que soit le sens de circulation du 25 fluide, De même, les angles formés par les briques superposées présentent des saillies qui se recouvrent entre elles en assu- rant a.insi un recul et une avance simultanés dans des direc- tions disposées à angle droit, comme pour la. réalisation des figures 1-3, de façon à effectuer des remous localisés dans 30 les angles des colonnes du fluide en mouvement' sans modifier
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¯j ,/ p les surfaces réelles des sections transversales des colonnes et en réduisant ainsi l'absorption de puissance qui en résulte et les réverbérations dues , l'encrassement des passages Qui sont habituellement importants dans des passages restreints de
5 grande longueur. Ainsi, le type de brique de la figure conserve toutes les caractéristiques et avantages de la brique représentée sur la figure 2.
La brique de la figure 5, lorsqu'elle est dispo- sée dans le treillis à double quinconce suivant la figure 4 10 ou dans le trillis à quinconce simple décrit ci-après, pré- sente un avantage supplémentaire certain de toujours diriger les remous localisés décrits ci-dessus dans le même sens de rotation de sorte que l'énergie de tourbillon est effective- ment cumulée de façon à a.ssurer une turbulence en spirale 15 plus prononcée et plus soutenue. En outre, dans ce type de construction, la colonne de fluide '.-, circulation verticale est divisée par une brique placée transversalement au centre de la colonne dans chaque assise alternée de façon à assurer un mélange efficace de la totalité du fluide traversant la 20 maçonnerie.
Etant donné que la, facilité de nettoyage et la diminution de pression moins importante que l'on rencontre da.ns la disposition à treillis simple suivant la figure 1 rend ce type de maçonnerie probablement mieux approprié pour des applications à des fours Martin, par exemple, les avantages 25 particuliers décrits ci-dessus en ce qui concerne la construc- tion de maçonnerie en quinconce rend celle-ci plus indiquée, par exemple pour des fours "Pitts" et pour des fours de réchauffage.
La figure 8 représente en perspective une brique 30 du type en barre, indiquée d'une manière générale par le
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chiffre de référence 32 et qui peut être réalisé dans toute longueur désirée pour remplacer un certain nombre de briques individuelles dans l'assemblage de la figure 4, La brique en barre 32 comporte des surfaces portantes inférieures 33 dispo-
5 sées à un certain écartement ainsi que des nervures intermé- diaires 34 s'étendant vers le bas et une forme supérieure ana- logue comprenant l'alignement des surfaces portantes 35 et des nervures alternées intermédiaires 36.
Or, en décalant simple- ment la forme de la partie supérieure des barres 32 dans le 10 sens longitudina.l de manière à placer les surfa.ces portantes
35 immédiatement au-dessous des centres des nevures 34, cette barre peut être rendue susceptible de remplacer deux ou plu- sieurs briques individuelles dans l'empilage à treillis à double quinconce de la figure 4. En utilisant des barres pré- 15 sentant la forme de celle représentée figure 8 et disposées par assises alternées de la, maçonnerie a.insi que le type modi- fié de barre décrit ci-dessus pour les assises intermédia,ires, on peut facilement fa,briquer une maçonnerie à treillis à quin- conce simple, ce type de maçonnerie pouvant être désirable 20 pour certaines applications.
Ce type de réalisation de maçonne- rie à quinconce simple peut être également établi,naturellement, en utilisant les briques individuelles conformes à celles de la figure 2 par assises alternées et les briques conformes à . celle de la figure 5 pour les assises intermédiaires. Si l'on 25 se réfère de nouveau à la figure 5, on voit que les surfaces triangulaires 50' situées entre les surfaces 23,28 et 30 s'inclinent en s'éloignant des surfaces 30 comme on le voit. La même caractéristique constructive est observée en ce qui concer- ne les surfaces triangulaires 36' de la, barre figure-8.
30 Les figures 9,10 et 11 indiquent le mode
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d'application des principes de base de l'invention à un type de maçonnerie à treillis simple constitué par des barres à blocage réciproque pour réserver les passages des colonnes de fluide dont la section transversale est habituellement circulaire. Dons
5 cette construction, les barres longitudinales 38 présentent une section généralement ovale mais leurs bords supérieur et inférieur sont creusés d'une manière concave à des intervalles réguliers comme on le voit en 39, pour constituer des rétrécis- sements coniques dans un sens latéral dans chacun des passages 10 vertica.ux; l'un d'eux est indiqué en E sur la figure 9.
Les barres transversales 40 sont formées d'une manière analogue, des parties creusées 41 étant prévues de part et d'autre des bords supérieur et inférieur de la. ba.rre à des emplacements exactement équidistants. A mi-distance entre les cavités 41, on a prévu 15 sur les barrer 40 des encoches transverseles telles que représen- tées en 42 destinées à recevoir les encoches correspondantes des barres 38 prévues à mi-distance entre les cavités 39. La profon- deur des encoches 42 est établie de façon à, permettre de placer le bord le plus mince des cavités 39 à peu pros horizontalement 20 à l'opposé de l'extrémité inférieure des cavités 41 et barre 40.
Cette disposition forme également un passage perfectionné pour diriger le fluide dans un empilage, laquelle sans modifier la section transversale du passage permet d'assurer un brassage efficace à des interva. lles localisés sur la circonférence de la 25 colonne de fluide pour effectuer un degré maximum d'échange calo- rifique par convexion, La variante des figures 9,10 et 11 con- serve sensiblement tous les avantages exposés plus haut au sujet de la brique représentée figure 2e t l'on voit facilement que les éléments 38 et 40 peuvent être facilement réalisés sous fomme 30 d'éléments individuels ayant les dimensions d'une brique généra-
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lement semblable aux briques des figures 2 et.
5, si cela est jugé.nécessaire ou désirable. Les barres ou briques conformes aux figures 9, l0.et Il sont mieux adaptées en quelque sorte, pour permettre l'établissement de pa,ssages ou de cheminées hori-
5 zontales pour fluide que ne-le sont les autres modes de réali- sation décrits ci-dessus.
D'après ce qui précède, il est évident que la pré- sente invention prévoit des procédés et des appareils perfection- nés pour effectuer le transfert de chaleur par convexion d'un 10 milieu solide à un milieu fluide et'inversement, ainsi qu'un appareil perfectionné pour absorber de la chaleur à partir d'un milieu fluide par rayonnement et pour appliquer la chaleur accu- mulée à un deuxième-milieu fluide, de façon à réaliser les buts exposés au début.
15 Grâce à l'emploi des passages sensiblement rectili- gnes ou directs pour fluide, ces passages ayant une section transversale uniforme, mais avec des dispositifs répartis sur la circonférence et d'une construction spéciale pour appliquer une turbulence progressive en spirale à la. périphérie extérieure de 20 la colonne de fluide, il est possible d'effectuer un échange de chaleur très poussé en éliminant cependant toute nécessité d'accroissement de la pression appliquée au milieu fluide et en prévoyant une construction capable de conserver son effica- cité a.u cours du nettoyage automatique que permet la perfection 25 du balayage auquel sont soumises les surfaces exposées du milieu solide environnant par suite du pa.ssage du milieu fluide.
Il y a lieu de noter également en particulier qu'en raison de la forme généralement carrée ou ronde de la section transversale des passages ou cheminées réservés au milieu 30 fluide dans l'un quelconque des modes de réalisation représentés
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ou mentionnés ci-dessus, on réduira au minimum l'encrassement: même si des dépôts de scories, de carbones ou d'autres déchets de la combustion se forment sur les surfaces intérieures des passages ou cheminées. Il en estainsi parce que le rapport
5 entre la surface transversale d'une épaisseur de couche lami- naire de toute valeur déterminée et la section transversale générale du passage de la cheminée est réduit au minimum -cour une forme carrée ou circulaire.
En d'autres termes, le rapport entre le périmètre et la section transversale est inférieur 10 pour un cercle ou un carré au rapport correspondent pour une forme oblongue, par exemple, L'efficacité de la transmission de chaleur par convexion dans l'un quelconque des modes de réalisation repré- sentés ou décrits ici, ainsi qu'on l'a ditplus haut estdue à 15 l'introduction forcée, dans les colonnes en mouvement du milieu fluide, d'une série de remous ou de turbulences en spirale répartie sur la circonférence et dont les dimensions transver sales individuelles relativement réduites sont susceptibles de balayer toutes les surfaces,
y compris les angles des passa- 20 ges ou cheminées. En inclinant de telles surfaces de transition, telles que les surfaces 18' du bloc de le figure 2, les sur- faces 30' du bloc de la figure 5 et les surfaces 36' de la barre de la figure 8 par exemple, la progression de ces turbu- lences en spirales présente une vitesse angulaire et un effet 25 centrifuge suffisant pour réduire d'une façon substantielle les épaisseurs de la. couche laminaire sur les surfaces solides des passages ou cheminées; et l'on sait que ces couches lami- naires, en ra.ison de leur caractère très isolant, constituent l'obstacle le plus considérable au transfert de chaleur par 30 convexion entre un solide et un fluide.
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L'invention peut être appliquée à un empilage régéné- rateur et dans une telle application elle se révèle partiçulière- ment avantageuse en ce que le volume de briques utilisées l'est d'une manière efficace tout en conservant un degré élevé d'absorp-
5 tion calorifique par rayonnement.
En ce qui concerne la question d'efficacité volumé- trique, il y a lieu de souligner particulièrement le fait que le rapport suggéré plus haut entre la largeur.et la hauteur de la brique est seulement dicté par des considérations pratiques de 10 réalisation pour l'établissement d'éléments présentant une sta- bilité constructive et thermique satisfaisante et susceptibles d'être utilisés pour le remplissage de chambre'à empilage d'une manière rapide et efficace.
Théoriquement, la forme la.plus.effi- cace pour un élément accumulateur'de chaleur alimenté princi- 15 palement par rayonnement est une coquille sphérique, mais étant donné que cette forme est complètement irréalisable, la. forme favorable la plus rapprochée pour un élément de régénérateur, serait un cylindre ou un tube, ou encore une barre ronde si le diamètre n'en est pas trop grand et si les périodes du fonction- 20 nement sont considérables.
Si ce n'était le fait que l'appareil résultant nécessiterait beaucoup plus d'éléments pour son érec- tion, il serait préférable que la forme de la section transversa.- le de la brique ou barre utilisée soit généralement circulaire (en conservant toutefois les bords inférieur et supérieur à parois 25 inclinées pour produire la turbulence en spirale), par conséquent, on comprendra que les différentes parties des 'éléments décrits- et représentés ici constituent un compromis entre les différents facteurs en présence.
Une autre caractéristique favorable des briques ou 30 barres de régénéra,teurs suggérées ou décrites en détail ci-dessus
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est qu'il y a. une répartition superficielle sensiblement unifor- me de la température ce qui assure un degré maximum de transfert de chaleur, comme on le comprendra,tout en assurant une dila- tation et une contraction uniformes également importantes des
5 éléments réduisant ainsi la fissuration ou les fractures résul- tant des variations thermiques auxquelles les éléments sont soumis.
Ainsi, les éléments individuels de la, maçonnerie sont protégés contre la détérioration et la rupture rapide indivi- duelles et l'empilage dans son ensemble a.ura une durée utile 10 accrue en raison de sa structure inhérente stable et par le blocage réciproque des éléments qui la composent, et parce que ces derniers sont établis de manière à permettre une dilatation et une contraction suffisantes dans toutes les directions sans influer sur la, surface portante considérable ni sur les dispo- 15 si tifs de blocage réciproque des éléments de la structure.
Bien que les descriptions détaillées ci-dessus sont limitées à des maçonneries du type à, treillis, il est entendu que l'invention peut être également appliquée, en ce qui concerne les régénéra- teurs, à ceux du type à parois ou à plaques ainsi qu'au type à 20 cheminée ou à chambre fermée ce qui estévident.
En outre, bien que les modes de réalisation représentés et décrits ici concer- nent des passages ou cheminées de fluides à sections générale- ment carrées et circulaires, il est entendu que tous les prin- cipes de l'invention ou à peu près, sont également applicables 25 à d'autres formes particulières, par exemple triangulaires, hexagonales, etc..,
et il est également compréhensible que les surfaces des passages ou cheminées de fluide pas besoin d'être brassées à angles droits dans des assises successives de briques mais qu'au contraire le résultat recherché peut être 30 obtenu d'une manière plus progressive en décalant progressivement
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les faces du passage ou cheminée de fluide comme on le désire.
En ce qui concerne les aspects de l'invention toucha.nt à la transmission de chaleur pa.r convexion, elle est également applicable à d'autres cons tractions telles que des récupéra.-
5 teurs à plaques actives et, en général, des tubes écha.ngeurs de chaleur, par exemple. Par conséquent, les modes de réali- stion décrits' en particulier ci-dessus ne doivent être consi- dérés qu'à titre indicatif et non limitatif, l'invention étant susceptible d'être réalisée sous une grande variété de formes 10 des éléments qu'elle utilise.
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