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'Appareil destiné au chauffage des liquides. "
La présente invention se rapporte à des appareils destinés à assurer le chauffage de liquides quelconques, @
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susceptibles d'être utilisés notamment soit comme chau- dières ordinaires, assurant réchauffement et la vaporisa- tion du liquide ainsi que le surchauffage de la vapeur pro- duite, soit comme appareils chimiques analogues aux appa- reils de cracking, pour faire subir une transformation au liquide (phase liquide ) ou à la vapeur produite par le liquide (phase vapeur).
Ces appareils destinée à être chauffés au moyen d'air comburant préalablement oomprimé sous une pression élevée, de préférence sensiblement égale à celle de la vapeur qu'ils produisent, suivant le système équipression, sont caractérisés en ce qu'ils comportent, d'une part, un foyer enfermé dans une enveloppe résistante soustraite à l'action des gaz chauds du foyer, de manière à conserver au métal qui la constitue une température suffisamment basse, et d'autre part, des éléments chauf- fants fixés sur l'enveloppe résistante du foyer, chaque élément chauffant étant constitué par au moins deux tubes à section circulaire concentriques et généralement deux ou trois tubes par élément suivant les cas.
Le nombre des éléments chauffants attenant à un même foyer est variable, suivant les applications; il peut être réduit à un, ou atteindre par exemple deux ou trois dizaines.
Dans le cas où les éléments chauffants comportent deux tubes concentriques, les gaz comprimés et chauds sor- tant du foyer à très forte température, circulent dans le tube central de chaque élément, les produits à chauffer, et éventuellement à vaporiser et à surchauffer, circulent dans l'espace annulaire compris entre le tube central et @
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le tube extérieur de chaque élément.
Quand l'élément chauffant comporte trois tubes con- centriques, il existe un grand nombre de dispositions possi- bleu; dans la plus généralement envisageable, le produit à chauffer, souvent à l'état liquide, circule dans le tube central, les gaz comprimés et chauds du foyer circulent dans l'espace annulaire contigu au tube central, le produit sortant du tube central et déjà partiellement chauffé ou vaporisé circule dans l'espace annulaire oontigu au tube extérieur del'élément. Dans d'autres dispositions particu- lières le tube central et l'espace annulaire extérieur peu- vent recevoir sur tout ou partie de leur longueur, soit un liquide différent du liquide à traiter, soit l'air comprimé destiné à l'alimentation du foyer.
Que les éléments chauffants soient à deux ou à trois tubes concentriques, on peut subdiviser l'élément, dans le sens de sa longueur, par des cloisons transversales par- tielles qui laissent ininterrompue la continuité du conduit donnant passage aux gaz chauds, mais divisent les conduits destinés au liquide ou aux produits à traiter en sections successives, chacune de ces sections étant affectée à une opération déterminée. Par exemple, dans le cas d'une chau- dière, une première section est affectée à la vaporisation, une deuxième section est affectée à la surchauffe, une troisième section, éventuellement, peut jouer le rôle d'un vaporisateur supplémentaire ou celui d'un économiseur
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échauffant l'eau d'alimentation, ou celui d'un réchauffeur de l'air de la combustion.
Il peut éventuellement exister plus de trois sections successives.
Suivant un mode d'exécution chaque élément chauf- fant comporte un tube extérieur renfermant plusieurs tu- bes intérieurs, en nombre'généralement quelconque, non concentriques. Les tubes intérieurs sont parcourus par les gaz du foyer et l'espace compris entre l'extérieur des tubes intérieurs et l'intérieur du tube extérieur reçoit les produits à chauffer.
Les dessins annexés montrent, à titre d'exemple non limitatif, différents modes de réalisation de l'inven- tion.
La Fig. 1 est une coupe verticale médiane faite le long de l'axe du foyer qui est ici cylindrique, montrant deux éléments chauffants, l'un à deux tubes, l'autre à trois tubes concentriques; l'agencement est relatif, à titre d'exemple, à un appareil du type cracking.
La Fig. 2 est une coupe horizontale suivant la li- gne II-II de la fig.l avec une projection du foyer.
La Fig. 3 donne le détail d'un cloisonnement sépa- rant deux sections successives d'un élément chauffant à deux tubes concentriques ; le cas considéré, la section de gauche est vaporisatrice, la section de droite est affectée à la surchauffe.
La Fig. 4 donne le détail d'une bride dans le cas d'un joint sectionnant complètement un élément, par exemple, un élément à deux tubes.
La Fig. 5 donne l'ensemble du tracé d'un élément lorsque la longueur de cet élément est considérable.
La Fig. 6 donne l'ensemble du tracé d'un élément analogue quand on préfère lui laisser une forine rectiligne maigre sa longueur.
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Les Figs. 7 et 8 donnent le détail d'un accessoire permettant le démontage du tube intérieur d'un élément chauffant à deux tubes de forme non rectiligne.
La Fig. 9 donne le détail d'un agencement permettant le réglage de la température de surchauffe produite par un élément chauffant.
La Fig. 10 est relative à un dispositif de nettoya- ge automatique de la surface active des éléments chauffants.
La Fig. 11 est une coupe transversale d'un élé- ment chauffant, suivant une variante.
La Fig. 12 est une coupe partielle correspondante parallèle à l'axe.
La Fig. 13 est le schéma d'une variante.
Sur lèse Figs. 1 & 2, l'enveloppe résistante cylin- drique du foyer 1 est terminée, d'un côté, par une calotte sphérique 2 et, de l'autre, par un fond démontable 3; la calotte sphérique porte le brûleur 4, les conduits d'air primaire 6 et d'air secondaire 7, la bougie d'allumage 5, les arrivées d'air de la combustion 8. La calotte 2 est protégée contre la chaleur du foyer par la double enveloppe 11. Entre la calotte 2 et la double enveloppe 11 circule, par exemple., l'air du foyer ; un revêtement réfractaire 9 complète la protection. Le corps cylindrique du foyer 1 est muni d'une double enveloppe 10 ; entrele corps-du foyer et la double enveloppe circule, par exemple, le liquide à chauffer. On a figuré en 12 l'évacuation des scories du foyer, à l'état liquide.
L'élément chauffant à trois tubes concentriques comporte le tube central 13, le tube intermédiaire 14 et le tube extérieur 15. Le liquide à traiter entre dans le tube central par le tuyau d'arrivée 16 ; le tube central traverse tout le foyer, en sort en 17 à travers un presse @
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étoupe, et conduit le liquide à travers l'orifice 18 dans la double enveloppe du foyer d'où il ressort en 19 pour parcourir de bas en haut l'espace annulaire extérieur de l'élément chauffant à trois tubes concentriques, jusqu'à la chambre de réaction 21 dans laquelle il pénètre en 20.
Les gaz chauds, de leur coté, entrent dans l'espace annu- laire contigu au tube central en 22 et en ressortent en 23 pour être utilisés, par exemple, dans une turbine à gaz.
Une porte 28 permet la visite de l'élément chauffant.
L'élément à deux tubes concentriques comporte le tube intérieur 29 et le tube extérieur 30 : le produit à chauffer entre dans l'espace annulaire en 24 et sort de l'élément en 26, pour entrer dans la chambre de réaction 21; les gaz de la combustion entrent dans le tube central en 27 et en sortent par le tuyau 25. Par la disposition des tuyaux d'arrivée du liquide représentée en 19 et en 24, on imprime au lipide un mouvement fortement giratoire.
Sur la Fig. 3, relative à un élément chauffant type chaudière, à deux tubes concentriques, on voit le tube intérieur 29 qui offre un passage continu au gaz de la com- bustion; le tube extérieur 30 ménage, avec le tube 29, un espace annulaire muni d'une cloison 37 fixée sur la paroi extérieure du tube central; à gauche de cette cloison cir- cule l'émulsion d'eau et de vapeur qui, par les ouvertures 38 et l'orifice 31, passe dans le tuyau 32, puis dans le ballon d'eau et de vapeur 33. La vapeur saturée sort par
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le tuyau 34 et pénètre par l'orifice 35 et les ouvertures 36 dans l'espace annulaire à droite de la cloison 37.
A titre de variante, la même disposition peut être réalisée, comme il est indiqué en tirets, en établissant en 39 un joint permettant de couper l'élément chauffant, entre la section vaporisatrice et la section de surchauffe.
La solution de la figure 3 est évidemment générale et peut être utilisée quels que soient les rôles assignés aux sections de l'élément chauffant.
La Figure 4 représente une des deux brides d'un joint permettant de couper un élément chauffant, aux fins de démon- tage, sans interrompre ni le conduit central, qui est conti- nu, ni le conduit annulaire, qui se poursuit, à travers la bride, par les ouvertures 40 pratiquées dans cette bride; des ouvertures identiques étant également pratiquées dans la deuxième bride qui fait joint sur la première.
La Fig. 5 et la Fig. 6 se rapportent à une solution du plus haut intérêt. Cette solution est la suivante : par exemple, pour une chaudière suivant l'invention, et pour une pression de service suffisamment élevée, par exem- ple, pour une pression de 50 Kg-cm2 ou toute pression su- périeure, on adopte, pour le tube intérieur d'un élément chauffant à deux tubes concentriques, un diamètre suffisam- ment grand, soit, par exemple, 120 m/m ou plus;
si, en outre, on fait usage pour les gaz chauds d'une vitesse de circulation élevée, soit, par exemple, 80 mètres par seconde,
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ou plus, l'élément chauffant doit recevoir une longueur relativement considérable, pouvant atteindre 60 mètres ou plus, mais simultanément le coefficient moyen d'échange de chaleur, à travers la paroi du tube central, s'élève à 600.000 et même 800.000 calories par mètre carré et par heure. On arrive alors, avec un élément chauffant unique, à réaliser une puissance correspondant, par exemple, à 20.000 kw ; on peut même aller à 50.000 kw, sans atteindre de dimensions exagérées pour la section des tubes.
On peut ainsi réaliser des chaudières extrêmement simples ne deman- dant sensiblement aucun entretien et s'adaptant, en parti- culier, sans difficulté, à l'emploi du oharbon pulvérisé.
De telles chaudières peuvent ne comporter qu'un seul élément chauffant. On peut les réaliser comme des chaudières mono- tubulaires sans ballon de vapeur ; toutefois, l'adjonction d'un ballon de vapeur ne nécessite, comme on l'a vu par la fig. 3, que des aménagements si simples qu'il sera généra- lement préférable d'y recourir.
Les taux d'échange de chaleur extrêmement élevés auxquels on arrive ne sont rendus possibles que par le sys- tème équipression parce que ce système en soustrayant le tube central à toute contrainte mécanique, évite par cela même le danger du fluage du métal.
Pour réaliser des éléments chauffants de la longueur voulue avec le minimum d'encombrement, il est généralement avantageux de disposer ces éléments en spires, superposées
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ou accolées, chaque spire comprenant des éléments droits raccordés par des demi-cercles de rayon convenable pour éviter des pertes de charge excessives. Dans ce dispositif, le plus pratique consiste à constituer le tube intérieur par des éléments 'soudés les uns aux autres de bout en bout.
Les soudures sont établies en particulier à la jonction entre les parties droites et les parties circulaires. Le tube extérieur est muni de joints 41a, 41b, 42a, 42b en ces différents points. Au maximum, en un point sur chaque spire, on établit un manchon spécial 43, coupé en deux moitiés par un plan diamétral, comme il est indiqué en dé- tail sur les figures 7 et 8. Pour que, malgré cette coupure, les joints suivant les faces des brides 44 et 45 s'effec- tuent bien, la position correcte des deux demi manchons est assurée au moyen de deux broches de centrage parfaite- ment ajustées, 46 et 47. On comprend alors aisément qu'on puisse démonter sans peine le manchon 43, grâce à sa sec- tion en deux moitiés.
Ce manchon enlevé, on peut faire glisser le long de leur axe les éléments droits ou courbes du tube extérieur, de manière à ouvrir et faire bailler largement celui ou ceux des joints 41a, 41b, 42a, 42b qu'on désirera. Pour le démontage du tube central, on le scie au droit d'une ou de plusieurs soudures ainsi dégagées.
Pour le remontage, on rétablit la soudure grâce au même dégagement.
Comme cas particulier de la figure 5, on peut, à
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l'occasion, recourir à des spires sans parties droites, c'est-à-dire à des spires circulaires ou hélicoïdales.
La fig. 6 est relative au cas où malgré sa longueur l'élément chauffant est conservé rectiligne. Ce cas peut se présenter, en particulier, pour des appareils de crack- ing. Il faut, alors, prendre des précautions particulières pour assurer la libre dilatation du tube central dont la température est plus élevée que celle du tube extérieur, en évitant le flambage du premier.On y arrive, en faisant sortir le tube central du plateau terminal de l'élément, à, travers un presse étoupe 50 . Le tube central est, en ou- tre, mis en tension par un contrepoids 51 amarré au tube central en 52 par une chaîne enroulée sur une roue 53. Le tube extérieur est, bien entendu, muni de joints en tous les points 48 et 49 où il le faut.
Dans le cas des éléments disposés en spires, pour assurer la correcte dilatation du tube central, on donne à ce tube une longueur à froid plus courte et calculée de telle sorte que le tube, une fois dilaté, occupe sa position correcte.
Des cales sont soudées au tube central pour assurer son bon centrage.
Des ailettes sont fixées dans l'espace annulaire, sur la paroi extérieure du tube central, pour imprimer au fluide chauffé un mouvement de giration autour du tube' central.
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La Fig. 9 montre comment sur les éléments d'une chau- dière suivant l'invention, on peut établir un réglage pré- cis de la surchauffe en dérivant une partie réglable des gaz chauds de manière à court-circuiter tout ou partie de la section affectée à la surchauffe.
La branche inférieure de la figure 9 représente un tronçon de surchauffeur, en 60 est piquée une dérivation sur le tube intérieur 29 (tube des gaz);sur cette dérivation est installé un papillon de réglage, en fonte réfractaire 61 ; cette dérivation débouche en 62 dans une section vaporisa- trice de l'élément, laquelle commence à la cloison 63 sui- vant le dispositif normal. La dérivation toute entière et le papillon 61 sont entourés'd'une chemise d'eau grâce à un conduit 64 concentrique à la dérivation. L'eau à vapo- riser pénètre dans cette chemise par les orifices 65.
Après avoir parcouru la chemise, elle passe dans l'espace annulaire de la section vaporisatrice par les lumières 66.
Dans les éléments rectilignes, on peut établir ai- sément un système de nettoyage automatique de la surface active d'échange au contact avec le liquide à traiter.
La figure 10 en indique le principe: le tube extérieur 30 tourne autour de l'axe de l'élément, il porte un système de grattoirs élastiques, tels que 69 qui grattent sur toute la surface extérieure du tube central 29.
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Dans la variante des Figs. 11 et 12, 70 est le tube extérieur, 72, 73, 74 ot 75 sont les tubes inté- rieurs, ici, au nombre de quatre à titre d'exemple. Les tubes intérieurs peuvent être identiques ou non.
Sur la Figure 12 on voit en 70, le tube extérieur et en 73 et 74 deux des tubes intérieurs. 77 est une cloison qui laisse continus les conduits des gaz chauds et qui sépare, à gauche, un tronçon par exemple vaporisa- teur de l'élément, et à droite un tronçon, par exemple surchauffeur.
Les éléments chauffants peuvent recevoir toutes les formes précédemment décrites dans le Brevet princi- pal et les Certificats d'addition.
Au lieu que les tubes intérieurs aient leurs axes parallèles à celui du tube extérieur, on peut disposer ces tubes 72, 73, 74,75 en hélices à pas allongé autour de l'axe du tube central 70, comme indiqué schématiquement en figure 13. Cette disposition est de nature à améliorer les coefficients d'échange.