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PERFECTIONNEMENTS'AUX. GENERATEURS D'AIR CHAUD.
La présente invention se rapporte aux générateurs d'air chaud et plus généralement aux échangeurs de chaleur du genre dans lequel la chaleur dégagée dans une chambre de combustion est transmise à un courant fluide, le courant fluide à échauffer et le courant de fumées de combustion circulant de part et d'autre d'une surface d'échange de chaleur.
On sait qu'il convient de distinguer dans la surface d'échange côté chaud une première partie où le fluide chaud cède sa chaleur principa- lement par rayonnement, la température des produits de combustion y étant fortement abaissée et une seconde partie où la chaleur restante est abandonnée principalement par convection.
Aussi trouve-t-on dans de nombreux appareils une section de rayonnement comprenant une chambre de combustion partiellement ou entièrement mé- tallique et une ou plusieurs gestions ou faisceaux de convection;
la réalisa- tion de rendements énergétiques satisfaisants s'est heurtée jusqu'à présent à de grandes difficultés dans ce genre d'appareils, difficultés dues notamment à la circulation du fluide froid qui doit répondre à des conditions fort différentes suivant qu'il s'agit du refroidissement de la chambre de combustion ou de l'échange de chaleur dans le faisceau de convection
La réalisation d'un taux satisfaisant de transmission de chaleur moyen (en calories par mètre carré de surface d'échange) conduit en général à une puissance de circulation excessive, en raison notamment des pertes de, charge singulières sur le parcours du fluide froid.
Le refroidissement des parois de la chambre de combustion est obtenu au détriment du rendement soit par une protection par revêtement-: ré- fractaire, soit par l'admission d'un trop grand accès ,'.d'air de combustions
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En effet dans le cas d'un revêtement réfractaire la taux de transmission est faible et pour obtenir un rendement thermique intéressant avec une puissan- ce de circulation raisonnable, on serait conduit à des surfaces excessives;
dans le cas des chambres de combustion métalliques on est obligé d'augmenter considérablement la surface du côté fluide froid au moyen d'ailettes nombreu- ses et ou de pousser la vitesse de circulation du fluide froid à des valeurs qui entraînent des pertes de charge excessives., Les ailettes généralement soudées sont onéreuses et présentent l'inconvénient d'être soit hétérogènes, soit insuffisantes en épaisseur à la soudursa ce qui compromet la transmis- sion de chaleur escomptée et risque de donner lieu à des points chauds dans la paroi de la chambre de combustion.
On peut également reprocher aux installations existantes leur sé- curité insuffisante ou d'une réalisation compliquée? l'accès et l'entretien difficiles de leurs surfaces d'échange.
La présente invention vise un mode de construction d'échangeurs de chaleur du genre indiqué qui permet d'échapper par des moyens particuliè-, rement simples et efficaces aux diverses difficultés et inconvénients qui viennent d'être exposés.
D'une manière générale, l'invention fait appel de préférence pour la réalisation des surfaces d'échange aux surfaces décrites dans le brevet du 6 Juin 1951, pour "Surfaces d'échange de chaleur", caractérisées essen- tiellement en ce qu'elles comportent une succession d'ailettes creuses obte- nues par pliage d'une tôle métallique.Ainsi qu'il a été montré dans le brevet cité, les surfaces ainsi obtenues pourront s'adapter avantageusement à la transmission de la chaleur aussi bien par rayonnement que par convection.
Grâce au moment d'inertie élevé de leurs ailettes d'ailleurs faciles à ren- forcer ou à entretoiser, ces surfaces plissées offrent une grande rigidité; elles permettent d'envelopper toute surface réglée,
Suivant la présente invention on forme avec un élément de ce gen- re un conduit métallique qui s'étend depuis un foyer disposé à une de ses extrémités, jusqu'à une tubulure d'évacuation des fumées raccordée à son ex- trémité opposée, un déflecteur obturant ledit conduit dans une zone intermé- diaire et limitant le parcours des produits de combustion à l'aval de cette zone à la section de passage offerte par les seules ailettes dudit conduite
Grâce à cette disposition,, la même surface d'échange travaillera sur une partie de sa longueur au rayonnement? sur l'autre à la convection,
et éventuellement à la fois à la convection et au rayonnement dans une partie intermédiaire par un conditionnement approprié du déflecteur.
Le fluide froid circulera en parallèle dans la série de canaux pé- riphériques ménagés entre les ailettes et balaiera successivement et sans dis- continuité génératrice de perte de charge, les sections de rayonnement et de convection. Ainsi, la puissance de circulation du fluide froid est réduite au minimum par suite d'un rapport très élevé de la perte de charge utile à la perte de charge totale de circulation.
Ce rapport élevé est dû non seulement au parcours sans solution de continuité? mais de plus à la possibilité offerte par le dispositif suivant l'invention de récupérer la pression dynamique du fluide froid soufflé à grande vitesse autour de la chambre de combustion sous forme de pression statique à la sortie de l'appareil, par une variation progressive appropriée des sections de passage.
Ainsi, suivant un exemple de réalisation l'échangeur suivant l'in- vention comporte un conduit tronconique avec le foyer disposé à sà grande base et la tubulure d'évacuation des famées connectée à sa petite base, tandis que les ailettes rayonnantes pliées s'étendent dans le sens radial jusqu'au con- tact d'une enveloppe cylindrique ou sensiblement cylindrique g les conduits
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de fluide froid formés entre les ailettes-creuses divergent ainsi progres- sivement de la grande base à la petite base du conduit tronconique.
Le passage du régime de rayonnement au régime de convection est défini simplement par la position et éventuellement la forme de déflecteur.
Les ailettes servant de conduits de fumée dans la section de convection jouent le rôle d'ailettes de refroidissement dans la première partie de l'échangeur travaillant au rayonnement. o
Les métaux constituant la surface d'échange peuvent être diffé- rents et adaptés à chaque endroit du parcours aux efforts à supporter. La première partie des échangeurs (soumise au rayonnement du foyer ou des fu- mées) sera par exemple en acier spécial réfractaire ou en acier calorisé.
La deuxième partie dans laquelle le -fluide chaud cède sa chaleur principale- ment par convection pourra être en métal moins résistant : acier ordinaire, aluminium etc...
Il est ainsi possible de réaliser suivant 1?invention des appa- reils entièrement métalliquesce qui simplifie la construction et l'entre- tien, diminue le poids et le prix de revient de 1?ensemble de l'installation.
Suivant une autre caractéristique de 1-'invention appliquée aux générateurs d'air chaud, un groupe moteur-turbine assure à la fois la circu- lation de l'air à chauffer et l'alimentation en air de combustion du brûleur.
De plus l'alimentation en combustible des brûleurs est liée de préférence également au fonctionnement du groupe en question.
Grâce à cette disposition jointe à l'insertion d'un bouchon d'ex- plosion dans le déflecteur, on réalise très simplement une complète sécurité de 1-'appareil. D'ailleurs le fluide chaud se trouvant comme il se doit néces- sairement en dépression par rapport au fluide froide tout risque d'entrée des fumées dans le fluide à chauffer par suite d'avarie accidentelle de la sur- face d'échange se trouve excluoLe tirage peut être assuré dune façon simple en dérivant une partie de 1-'air de soufflage dans le conduit de fumée pour y réaliser un triage induit.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d' ailleurs de la description qui va suivre de certains modes de réalisation choi- sis à titre d'exemples, en référence'aux dessins annexés.\) dans lesquels la figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un appa- reil suivant l'invention; les figures 2 et 3 sont des vues parti-elles en coupe suivant les lignes II-II et III-III de la figure 1 ; la figure 4 est une vue schématique partielle en perspective mon- trant la structure du conduit principal; la figure 5 représente en coupe verticale et d'une manière sché- matique une variante de réalisation; la figure 6 est une vue en plan en coupe suivant la ligne VI-VI de la figure 5 ;
la figure 7 est une vue schématique en coupe axiale d'un autre mode de réalisation; la figure 8 est une vue de détail montrant un déflecteur d'une forme particulière.
Suivant le mode de réalisation des figures 1 à 4, le générateur
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suivant l'invention comprend de bas en haut un bloc inférieur 1, une bride 2;, un corps cylindrique 3, la liaison entre ces éléments étant réalisée par des joints coulissants 4 et 5, l'étanchéité étant assurée par des cordons d'amiante par exemple.Des ouvertures d'entrée d'air appropriées 6 sont pré- vues au bas du bloc inférieur, tandis que l'air chaud produit recueilli dans une boîte de distribution 7 disposée à la partie supérieure du corps cylindrique 3 est refoulé par une buse de soufflage de section rectangulaire 8 équipée d'un jeu de volets aérodynamiques 9 articulés sur des axes 10 et permettant de diriger le courant d'air chaud dans la direction appropriée.
L'air froid admis par les entrées d'air 6 est refoulé vers le haut par une turbine 11 entraînée par un moteur 12.Ce moteur entraîne en mê- me temps par l'intermédiaire d'une courroie 13 une pompe 14 assurant l'alimen- tation d'un brûleur à mazout 15 par un tuyau d'alimentation 16 en combustible aspiré par un tuyau d'aspiration 17 relié à un réservoir de combustible non représenté.18 indique un régulateur de pression usuel assurant le retour du combustible en excès par un tuyau 19.
20 est une électrode d'allumage- as- sociée au brûleur et disposée avec celui-ci au bas d'un ouvreau en matière réfractaire 21.Cet ouvreau est monté dans une cuve 22 en tôle forte, dont le fond rapporté 23 est percé d'ouvertures 24 d'entrée d'air de combustion, les dimensions de ces ouvertures étant calibrées et éventuellement régla- bles par le jeu d'un volet de réglage 25. La cuve 22 est rattachée par des ailettes telles que 26 à la partie inférieure évasée du corps cylindrique 3 et des tendeurs tels que 27 attachés à ces pattes permettent d'assurer le serrage du corps cylindrique sur le bloc inférieur 1 avec interposition de la bride 2.Les ouvertures indiquées en 30, 31,32 sont des regards permet- tant de surveiller la combustion.
Sur le bord supérieur de la cuve 22 est rapporté par soudure, comme en 33, le bord inférieur de l'échangeur 34 formant la partie essentiel- le de l'appareil et qui sera décrit maintenant.
L'"changeur 34 forme dans l'ensemble un conduit tronconique allant en se rétrécissant depuis le bord inférieur 33 jusqu'à son bord supérieur 35 où il est prolongé par une tubulure cylindrique 36 raccordée à la cheminée d'évacuation des fumées (non représentée) 0 Ce conduit tronconique présente la particularité d'être muni d'une série d'ailettes creuses telles 37 et 38 réparties sur la périphérie; la profondeur radiale de ces ailettes va en augmentant de bas en haut à mesure que le diamètre du conduit tronconique 34 diminue, de sorte que les diamètres hors de tout 1-'ensemble pris à l'ex- térieur des ailettes reste constant suivant toute la hauteur de l'échangeur.
L'ensemble est ceinturé par un cylindre 40 formant à la fois écran de raison- nement et servant de frette pour la structure en étoile définie par les ai- lettes et étant soudé par points au droit de chaque conduit radial formé par ces ailettes.
Le conduit tronconique 34 est obturé à partir d'un niveau a b se trouvant légèrement au-dessous du bord supérieur de 1-'écran 40, par un bouchon tronconique 41 creux à l'intérieur,, renforcé par des anneaux ou nervures 42, 43, etc., le fond de ce bouchon étant obturé par un tampon d' explosion 44.
Ce bouchon ou cône déflecteur 41 est serré dans le conduit tronconique par des tendeurs 45 accrochés à des pattes 46, elles-mêmes sou- dées sur le bord supérieur 47 du cône déflecteur.Le cône déflecteur assure ainsi l'obturation du conduit tronconique 34 à partir du niveau a, b, ainsi que liasses vers l'intérieur des conduits radiaux formés par les ailettes entre le niveau a b défini par le bord inférieur du déflecteur et le niveau c d du. bord supérieur de celui-ci... Au-dessus de ce niveau, les conduits ra- diaux sont de nouveau découverts vers l'intérieur et se trouvent mis en com- munication ainsi avec la tubulure de sortie de fumées 36.
Les conduits ra- diaux 37-38 sont fermés à leur partie supérieure par des cordons de soudure appropriés 48, 49.
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Une frette de dilatation 50 ceinture en outre la partie supé- rieure de la structure en étoileo
Cette structure est réalisée suivant le mode de réalisation en question en tôle inoxydable découpée et pliée l'avance en éléments longitudinaux ainsi qu'il est visible sur la figure 4, chaque élément com- prenant une bande 51 de surface latérale du conduit tronconique limitée par deux génératrices et deux demi-ailettes adjacentes 52, 53 repliées en direction radiale et rabattues à leur extrémité radialement extérieure comme en 54,
55.Les éléments ainsi constitués sont réunis les uns aux autres par des cordons de soudure réalisés suivant les lignes de jonction parallèles à l'axe et formant des génératrices du cylindre circonscrit à la structure en étoile
Au lieu d'utiliser des éléments de largeur limitée par des plans radiaux passant par le milieu de deux ailettes adjacentes!) on peut également envisager une construction par éléments plissés en accordéon plus larges com- prenant un certain nombre d'ailettes,les soudures s'effectuant encore de pré- férence au fond des ailettes suivant des génératrices de la surface enveloppe circonscrite à la structure.
A la limite!) on peut constituer toute une surfa- ce par un élément plissé unique enroulé autour de 1-'axe et fermé par un seul cordon de soudure.
La partie du conduit cylindrique 34 située au-dessous du niveau a b définit une chambre de combustion chauffée par rayonnement et refroidie par l'air circulant à grande vitesse dans les conduits divergents 60 formés entre les ailettes (Fig.3).Le cône déflecteur 41 oblige ensuite les fumées à s'engager dans les conduits radiaux définis par les ailettes creuses, de sorte qu'au-dessus du niveau a b 1-'appareil devient un échangeur par convexion; l'échange s'effectuant de part et d'autre des parois radiales des ailettes (Figo 2).
Eventuellement on peut prévoir entre les ailettes creuses l'em- ploi d'ailettes supplémentaires pleines soudées le long de la chambre de com- bustion, comme il est indiqué en 61 sur la figure 3, pour augmenter encore le taux de refroidissement de la partie de 1?échangeur travaillant au rayonne- ment.
Il y a lieu de noter la disposition du brûleur dans l'axe de l'ap- pareil, ce qui a pour avantage d'éviter les points chauds dans la chambre de combustion,
L'air de refroidissement de la chambre de combustion et Pair de combustion du brûleur étant issus de la même source, l'arrêt éventuel du cou- rant de refroidissement entraîne nécessairement 1'; arrêt de la combustion.
L'arrêt de la turbine arrête automatiquement l'alimentation en combustible., car pompe 14 et turbine 11 sont entraînées par le même moteur. En cas d'extinc- tion de la flamme, un pyrostat disposé d'une manière connue dans la cheminée assure 1)) arrêt de 1)) ensemble de l'installation.La sécurité est renforcée par le tampon d'explosion 44 qui établit une communication directe entre la chambre de combustion et la cheminée.
Il est à noter en outre que 1?appareil est établi de telle sorte qu'en tous ses points les produits de combustion sont en dépression par rap- port à l'air, ce qui est une sécurité en cas de manque d'étanchéité acciden- tel de l'échangeur!) les fumées ne pouvant en aucun cas pénétrer dans l'air à chauffer
Les figures 5 et 6 représentent une variante -de réalisation de 1' invention qui se distingue du modèle précédemment décrit en ce qu'il comporte au bas de l'échangeur de section allongée 60 quatre foyers 61 à 64 disposés
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en ligne et comprenant chacun un brûleur à mazout tel que 61a et une spire d'électrodes d'allumage telle que 61b.
Les quatre brûleurs sont alimentés en parallèle par un conduit distributeur 65 aboutissant à un dispositif d'ali- mentation similaire à celui de la figure 1.Les électrodes d'allumage sont alimentées de la manière usuelle à partir d'un transformateur à haute ten- sion 66.
L'air froid est soufflé par deux turbines 67, 68 entraînées par un moteur unique 69 qui commande également comme dans le cas précédent la pompe à mazout 70.
L'échangeur 60 forme ici encore un conduit convergeant vers le haut, tandis que la profondeur de ses ailettes creuses obtenues par la tech- nique de plissage en accordéon augmente progressivement en conséquenceo
On retrouve ici encore un déflecteur formé par une structure cloi- sonnée 71 dont chaque compartiment est obturé par un tampon d'explosion 72 et qui est suspendue par up certain nombre de tirants 73.
Les fumées refroidies sont collectées dans une boîte 74 à laquel- le est raccordée la cheminée 75.
L'air chaud aboutit de son coté dans une boîte à vent 75 d'où il est dirigé vers l'utilisation par des buses de soufflage 76, 77.
Une telle construction développée en largeur convient à la réa- lisation d'apparails de grosse puissance avec, des températures de réchauffage faibles ou moyennes et un encombrement relativement réduit en plan.
Le mode de réalisation de la figure 7 convient plus spécialement aux appareils à haute température de réchauffage : l'appareil est à axe hori- zontal et à circulation méthodique.
A partir d'un brûleur 80 disposé à la naissance d'un ouvreau di- vergent 81 on trouve dans le prolongement de celui-ci une chambre de combustion 82 divergent-convergent formant la première partie d'un échangeur dont les ai- lettes obtenues par plissage en accordéon s'étendent jusqu'à une enveloppe cylindrique ou sensiblement cylindrique 83. La seconde partie (convection) de échangeur est constituée par le prolongement 84 de la partie convergente de la chambre de combustion 82 et obturée par un déflecteur 85 muni du tampon d'explosion 86.
La forme de la chambre de combustion est favorable au déploiement des flammes issues du brûleur 80; les produits de combustion suivent ensuite le parcours indiqué par les flèches en traits pleins de la figure 7 péné- tration au niveau du déflecteur dans les passages formés par les ailettes, puis retour vers l'axe en 87 et évacuation par un conduit de sortie 88.
L'air ou autre fluide à chauffer est soufflé ici par une turbine 90 à l'opposé de la chambre de combustion et suit le parcours méthodique ou à contre-courant indiqué par les flèches en traits interrompus, pour être col- lecté en 91 et dirigé vers le 1)eu d'utilisation par un conduit 92. Le par- cours convergent-divergent autour de la chambre de combustion permet de créer sans perte de charge notable une vitesse de circulation très élevée et un re- froidissement efficace de la chambre de combustion qui peut rester entière- ment métallique, malgré les hautes températures de réchauffage que permet de réaliser ce type d'appareil.
Cet exemple de réalisation est intéressant notamment par le haut rendement qu'il permet de réaliser grâce à la circulation méthodique. La cons- truction à axe horizontal pourra être recherchée chaque fois qu'il y aura in-
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térêt à réduire 1 enombrement vertical de l'appareil.
Il serait également possible de réaliser un appareil similaire au précédent mais avec le faisceau de convection replié sur la chambre de com- bustion tout en conservant une circulation méthodique; la turbine se retrouve alors à proximité du brûleur et pourra servir plus facilement à fournir en même temps 1?air de combustion comme dans les premiers exemples de réalisa- tion décrits.
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La figure 8 est une vue de détail schématique montrant une forme particulière de XX déflecteur. Le déflecteur 100 limitant une chambre de com- bustion 101 présente ici une partie avancée 102 tracée suivant un profil par- ticulier.Entre la zone A où l'échangeur travaille au rayonnement et la zone
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B où l'échange s'effectue principalement par convection, e'ext-à-dire où les produits de combustion se trouvent complètement engagés dans les ailet-
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tes creuses, il est créé une zone intermédiaire G où l'échange s-effectue à la fois par rayonnement et convection et où le passage d'un régime à un au- tre s'effectue d'une façon progressive suivant une loi qui est déterminée - par le profil du déflecteur.
La trajectoire des fumées peut être guidée dans une certaine mesure, ainsi qu'il est indiqué par les flèches de la figure, grâce à un tra- cé approprié de ce profile
On n'a pas représenté de tampon d'explosion dans ce cas mais il est bien évident qu'il est facile d'en prévoir un, ou même plusieurs à un endroit convenablement choisi du déflecteur.
L'invention n'est bien entendu pas limitée aux modes de réalisation choisis ou représentés qui n9ont été décrits qu'à titre d'exemples et qui peu- vent faire 1-'objet de toute variante ou modification dans leur détailoEn par- ticulier tous les appareils décrits peuvent être équipés indifféremment au ma- zout ou au gaz sans modification de structure; ils peuvent être également conçue avec des foyers à charbon des divers types connus; les sections de surface d'échange peuvent être constantes ou variables dans le sens du parcours de fluides;
ils peuvent être de forme circulaire,!) rectangulaire ou quelcon- que
REVENDICATIONS
1. Echangeur de chaleur. dans lequel le fluide chaud et le fluide froid circulent respectivement à 1?intérieur et à 1-'extérieur d'un conduit
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comportant une série d9ailettes creuses rayonnantes obtenues de préférence par pliage d'une tôle métallique, un tel conduit s-étendant depuis un foyer disposé à une de ses extrémités jusqu'à une tubulure d-évacuation de fumées raccordée à son extrémité opposée et un déflecteur obturant le -dit conduit dans une zone intermédiaire en vue de limiter le parcours des produits de
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combustion à 1-'aval de cette zone à la section de passage o±àrtwpax les seules ailettes creuses,
l'échange de chaleur s9effectuant principalement par convection dans cette partie de l'échangeur, tandis qu'il se produit principalement par rayonnement à l'amont de la dite zone.