BE536399A - - Google Patents

Description

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   La présente invention concerne un réchauffeur de fluide et plus particulièrement un réchauffeur de fluide à grand pouvoir de chauffage. El- le est particulièrement intéressante pour chauffer d'une manière continue un courant de gaz à grande vitesse, mais elle n'est pas limitée cependant à cette application. 



   Le réchauffeur ordinaire de fluide est un bloc de dimensions con- sidérables par rapport à son pouvoir de chauffage. Ceci est vrai en parti- culier pour les réchauffeurs de gaz dans lesquels on brûle un combustible pour élever la température d'un gaz. En général, les réchauffeurs de flui- de des types connus ne sont pas économiques en ce qui concerne le transfert rapide de la chaleur de combustion du combustible au fluide qui les traver- se. 



   L'invention réalise un nouveau réchauffeur de fluide dont les di- meneions sont réduites et le pouvoir de chauffage extrêmement élevé. Des essais ont prouvé qu'un réchauffeur construit et disposé conformément à l'in- vention possède un taux de transfert de chaleur considérablement plus élevé que le taux maximum calculé par la théorie habituelle. En réalité, les es- sais ont montré qu'un réchauffeur conforme à l'invention réalise, dans les sections à températures élevées,un taux de transfert de chaleur qui est su- périeur à plus de deux fois le taux calculé. Par conséquent, pour un pouvoir de chauffage donné, le brûleur peut être réalisé avec des dimensions rédui- tes, sous une forme compacte et pratique, de sorte qu'on peut le loger dans un espace minimum. 



   Un réchauffeur de fluide à grand pouvoir de chauffage construit conformément à l'invention comprend un premier passage d'échange de chaleur, un deuxième passage d'échange de chaleur entourant le premier passage, un brûleur pour injecter à grande vitesse dans le premier passage les produits extrêmement chauds d'une combustion sensiblement complète, un certain nombre de tubes de fluide disposés dans le second passage pour diriger initialement en contre-courant le fluide à chauffer à travers le second passage, et un certain nombre de tubes de fluide traversant le premier passage et reliés aux tubes disposés dans le second passage de manière à diriger en contre-courant à travers le premier passage, le fluide chauffé dans le second passage,

   grâ- ce à quoi l'échange de chaleur entre les produits de la combustion et le fluide contenu dans les tubes s'effectue progressivement et principalement par convection. 



   Ainsi, la combustion s'effectue complètement dans le brûleur et les produits de la combustion, possédant un faible pouvoir émissif de radia- tions, sont projetés par le brûleur dans le réchauffeur, Ces produits pro- jetés dans le premier passage d'échange de chaleur par le brûleur se dépla- cent à grande vitesse sur les surfaces d'échange de chaleur et cèdent leur chaleur par convection plutôt que par radiation. On peut faire varier les sections transversales accolées des tubes de fluide et du passage d'échange de chaleur du réchauffeur, afin d'obtenir les meilleurs résultats. 



   On a représenté l'invention, à titre d'exemple sur le dessin an- nexé. Sur ce dessin : la figure 1 est une coupe médiane et longitudinale d'un   réchauf-   feur construit et disposé conformément à l'invention; la figure 2 est une coupe transversale de ce réchauffeur suivant la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 est une coupe médiane et longitudinale d'un   autre' mo-   de de réalisation de l'invention. 

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   On voit sur les figures 1 et 2, un réchauffeur de fluide 10 à grand pouvoir de chauffage. Il comprend un cylindre intérieur 11 et un cy- lindre coaxial 12 ayant un diamètre supérieur et entourant le cylindre in- térieur 11. Le réchauffeur 10 est représenté ici comme supporté dans une position verticale par un bâti approprié 13. Un brûleur 14 s'étend jusque dans l'extrémité supérieure du cylindre intérieur 11 pour injectèr dans ce- lui-ci les produits de la combustion. 



   Le brûleur 14 peut être d'un type quelconque fournissant avec une grande vitesse les produits d'une combustion sensiblement complète. Ce brûleur est de préférence un brûleur à air et à combustible liquide. On a constaté qu'on pouvait utiliser également d'autres types de brûleurs, en ob- tenant sensiblement les mêmes résultats. 



   L'extrémité supérieure du cylindre intérieur 11 est fermée autour du brûleur 14, tandis que l'extrémité inférieure de ce cylindre est ouver- te.   L'extrémité   inférieure du cylindre coaxial et extérieur 12 est fermée (d'une manière que l'on expliquera un peu plus loin) de manière à réaliser un passage d'échange de chaleur à travers le cylindre interne 11 et l'espa- ce annulaire compris entre les cylindres 11 et 12. Autrement dit, le cylin- dre interne constitue un premier passage d'échange de chaleur et l'espace compris entre le cylindre interne et le cylindre externe constitue un deuxiè- me passage d'échange de chaleur entourant le premier passage.

   L'extrémité supérieure du cylindre 12 est ouverte; une chambre 15 entoure cette extré- mité ouverte et comporte une ouverture à bride 16 pour permettre aux gaz de la combustion de s'échapper dans un carneau ou cheminée. Par conséquent, les produits extrêmement chauds de la combustion venant du brûleur 14 tra- versent à grande vitesse le cylindre interne 11, puis renversent leur di- rection et se déplacent dans l'autre sens à travers l'espace compris entre les deux cylindres, jusque dans la chambre   15,   à l'extrémité du cylindre 12 se trouvant du côté du brûleur; dans cette chambre, ces gaz sortent du ré- chauffeur à travers l'ouverture 16. 



   Le fluide à chauffer pénètre dans le réchauffeur 10 par des con- duites d'alimentation diamétralement opposées 17, 17; on évite ainsi une déformation thermique et dissymétrique du réchauffeur. Le fluide sortant des conduites 17, 17 pénètre dans un collecteur d'admission 18. Il se dé- place ensuite à travers un certain nombre de tubes disposés dans le premier. passage d'échange de chaleur. Ces tubes peuvent être reliés entre eux par une tête ou peuvent former un seul bloc, suivant la conception du réchauffeur le fluide reçoit sa chaleur initiale des gaz de combustion se trouvant dans le deuxième passage d'échange de chaleur et sa chaleur finale des gaz de com- bustion se trouvant dans le premier passage d'échange de chaleur. 



   Dans le réchauffeur représenté sur les figures 1 et 2, le fluide à chauffer se déplace à travers un certain nombre de tubes hélicoïdaux   19,   qui sont disposés dans le second passage d'échange de chaleur, entre le cy- lindre interne 11 et le cylindre coaxial plus large 12. Ainsi le fluide à chauffer reçoit sa chaleur initiale des gaz de combustion passant à tra- vers le second passage. 



   Les extrémités éloignées des tubes hélicoïdaux 19 communiquent avec les extrémités d'un certain nombre de tubes rectilignes de fluide 20 disposés dans le cylindre interne 11. Il est préférable de disposer les tubes rectilignes 20 suivant un anneau, près de la paroi longitudinale du cylindre interne, de manière que cet anneau soit coaxial au cylindre 11. 



  Ainsi, le fluide à chauffer reçoit sa chaleur finale des gaz de combustion passant à travers le cylindre interne 11, c'est-à-dire le premier passage d'échange de chaleur' Un moyen est prévu pour recevoir le fluide chauffé à la sortie des extrémités de décharge des tubes rectilignes 20; ce moyen 

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 consiste, sur le dessin, en un collecteur de sortie 21 qui entoure le brû- leur 14. Des raccords de décharge diamétralement opposés 22,22 dirigent le fluide chauffé au-delà du collecteur de sortie 21 et permettent d'éviter un chauffage dissymétrique qui pourrait déformer le réchauffeur dans la région   @   de ce collecteur. Les raccorda de décharge 22, 22 sont branchés à l'exté- rieur du réchauffeur sur une conduite (non représentée), qui dirige le flui- de chauffé jusqu'à un point d'utilisation. 



   Dans la construction décrite, le cylindre interne 11 et le cylin- dre externe plus large 12 peuvent se dilater et se contracter librement, in- dépendamment l'un de l'autre, puisqu'ils sont supportés indépendamment par le bâti 13 à une seule extrémité et que chacun d'eux n'est pas relié à l'au- tre par l'extrémité opposée. Les extrémités de décharge des tubes   hélicoï-   daux 19 et les extrémités d'admission des tubes rectilignes 20 sont ajustées dans un collecteur composite 23 qui ferme l'extrémité inférieure du cylindre 
12. Le collecteur 23 peut coulisser dans le cylindre 12 en se conformant à la dilatation ou contraction des tubes rectilignes 20.

   Ce coulissement du collecteur 23 compense aussi en partie la dilatation et la contraction des tubes hélicoïdaux 19 qui, grâce à leur forme, peuvent subir une dilata- tion ou une contraction thermique différentielle par rapport à la dilatation ou contraction des tubes rectilignes. 



   Le collecteur composite 23 comprend une chambre annulaire 24, dont la paroi extérieure et circulaire est ajustée exactement dans l'extrémité inférieure du cylindre 12, au-delà de l'extrémité ouverte du cylindre inter- ne 11, cette paroi du collecteur 23 pouvant de plus, coulisser dans l'extré- mité inférieure du cylindre 12. Un tambour creux 25 est ajusté exactement . dans l'espace cylindrique défini par la paroi interne et cylindrique de la chambre annulaire 24. Quand la chambre 24 et le tambour 25 se trouvent en position dans l'extrémité inférieure du cylindre 12, leurs parois intérieu- res d'extrémité sont sensiblement dans un même plan et ferment l'extrémité inférieure du cylindre 12.

   Les extrémités de décharge des tubes hélicoïdaux 
19 sont ajustées dans la paroi intérieure d'extrémité de la chambre annulai- re 24, dans laquelle ces tubes se déchargent.; D'autre part, les extrémités d'admission des tubes rectilignes 20 sont ajustées dans la paroi intérieure d'extrémité du tambour 25. Des axes 26, soudés ou fixés d'une autre manière dans la paroi extérieure plane de lachambre 24, s'étendent à travers des ori- fices prévus dans une plaque annulaire 27 boulonnée sur une partie du Bâti 
13, en-dessous du réchauffeur, et permettent une dilatation longitudinale tout en empêchant le collecteur 23 de tourner quand les tubes hélicoïdaux 
19 se dilatent ou se contractent. 



   Pour que le fluide à chauffer puisse passer de la chambre annulai- re 24 dans le tambour creux 25, plusieurs coudes larges 28 sont fixés, par soudure par exemple, dans la partie inférieure de la paroi cylindrique inter- ne de la chambre 24 et traversent la paroi inférieure plane du tambour 25. 



   Une pièce 29 en une matière réfractaire appropriée est fixée d'une manière pratique à l'extérieur de la paroi interne plane du tambour 25. 



  La pièce 29 sert à protéger le tambour contre l'action directe des produits   extrêmement chauds et à grande vitesse de la combustion ; ellesert également   à dévier ces produits, à partir de l'extrémité ouverte du cylindre 11, vers le canal annulaire compris entre les cylindres 11 et 12. 



   Pendant l'utilisation du réchauffeur 10, le brûleur injecte dans l'extrémité du cylindre 11, les produits d'une combustion sensiblement com- plète. Ces produits sortent du brûleur avec une vitesse très élevée et tra- versent le cylindre 11 également à grande vitesse. En sortant de l'extrémi- té inférieure du cylindre 11, ils se déplacent en sens inverse à travers l'espace compris entre les cylindres Il et 12, avec une vitesse encore plus 

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 grande que celle qu'ils possédaient dans le cylindre interne 11, du fait que leur section d'écoulement est diminuée dans le second passage d'échange de chaleur; dans un modèle d'essai, cette réduction de section était supé- rieure à 12%. Ainsi, la valeur du taux d'échange de chaleur par unité de différence de température est au moins maintenue. 



   Il faut remarquer que l'échange efficace de chaleur à une vitesse relativement élevée résulte du fait que les gaz de combustion ne fournissent sensiblement pas de radiations, et que le transfert de chaleur s'effectue pour la plus grande part par convection. De plus, en utilisant le transfert de chaleur par convection, il est possible d'ajouter de la chaleur au flui- de à chauffer avec un débit commandé et excessivement important. Ainsi,pour un pouvoir de chauffage donné, on peut réaliser un réchauffeur beaucoup plus petit   qu'en   utilisant principalement le transfert de chaleur par radiations. 



   Pour augmenter le taux du transfert de chaleur dans le second pas- sage d'échange de chaleur, on donne à la section d'écoulement libre du deu-   :dème   passage, une valeur plus petite qu'à celle du premier passage. Dans un premier mode de réalisation, qui a été construit et essayé, la section d'écoulement libre du second passage est égale à 87,8% de celle du premier passage. Du fait que les produits de combustion, n'émettant à peu près au- cune radiation augmentent leur vitesse à travers le deuxième passage de transfert de chaleur, un'transfert de chaleur plus important se produit dans ce deuxième passage. 



   Le fluide à chauffer se déplace à travers le réchauffeur, égale- ment à grande vitesse, On a trouvé possible et avantageux de faire passer le fluide à travers le réchauffeur à une vitesse égale ou supérieure à 45   m/sec.   Dans une première installation d'essai, la vitesse du fluide à tra- vers les tubes hélicoïdaux 19 était égale à 70 m/sec, tandis qu'elle était égale à 90 m/sec., à travers les tubes rectilignes 20.

   D'autre part, on a trouvé avantageux d'utiliser une plus grande vitesse de circulation du flui- de dans la partie du réchauffeur   où   les produits de combustion se trouvent à leur température la plus élevée, et une vitesse plus faible de circulation du fluide là où l'échange de chaleur se produit à une température plus basse ; On peut noter ici que dans cette installation d'essai on utilisait onze tu- bes hélicoïdaux d'un diamètre de 15,8 mm et trente-deux tubes rectilignes d'un diamètre de 12,7 m/m. On a constaté que dans ce réchauffeur 60% de la chaleur transmise aux gaz étaient transférés à ceux-ci dans les tubes héli- coïdaux 19. 



   Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, un brûleur de gaz 14a s'étend dans l'extrémité supérieure du cylindre interne 11. Ici, les tubes rectilignes 20 ne sont pas reliés à des tubes hélicoïdaux à tra- vers un collecteur composite, mais sont reliés directement, pour des rai- sons de simplicité et d'économie, à des tubes rectilignes 19a, qui sont dis- posés dans le deuxième passage d'échange de chaleur, entre le cylindre in- terne 11 et le cylindre coaxial plus large 12. Comme on le voit, les tubes rectilignes 20 et les tubes 19a du second passage d'échange de chaleur sont constitués par un certain nombre de tubes en U d'une seule pièce. Cependant, cette construction d'une seule pièce n'est pas obligatoirement utilisée. 



   Les tubes rectilignes 20 traversent une plaque annulaire d'écarte- ment 30 en céramique, prévue à l'extrémité inférieure du cylindre interne 11 et servant à maintenir les tubes correctement suivant une circonférence horizontale. Une large ouverture centrale 31 prévue dans la plaque 30 per- met le passage libre des produits de la combustion. 



   Des chicanes 32 s'étendant à travers le garnissage isolant du cy- lindre 12 et se prolongeant jusque dans le deuxième passage   d'échange   de cha- 

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 leur,entre les cylindres, dirigent convenablement les produits de la combus- %ion au contact des tubes de fluide 19a. Ce garnissage isolant se prolonge vers le bas jusqu'au fond du cylindre 12 comme on le voit en 33 sur la fi-   gure 3 ; ilest formé sur ce fond de manière à diriger vers l'extérieur et   5 à renvoyer en sens inverse dans le deuxième passage d'échange de chaleur les produits de combustion traversant l'ouverture centrale 31 de la plaque d'é- cartement en céramique. 



   REVENDICATIONS. 



   1. - Réchauffeur de fluide à grand pouvoir de chauffage caractéri- ) sé par le fait qu'il comprend un premier passage d'échange de chaleur, un deuxième passage d'échange de chaleur entourant le premier passage, un brûleur pour injecter à grande vitesse dans le premier passage les produits à haute température d'une combustion sensiblement complète, plusieurs tu- bes de fluide disposés dans le deuxième passage pour diriger initialement en contre-courant le fluide à chauffer à travers le deuxième passage du ré- chauffeur, et plusieurs tubes de fluide s'étendant à travers le premier pas- sage et reliés aux tubes disposés dans le deuxième passage pour diriger en contre-courantà travers le premier passage, le fluide qui a été chauffé dans le deuxième passage, grâce à quoi,

   l'échange de chaleur entre les pro- duits de la combustion et le fluide dans ces tubes est progressif et s'ef- fectue principalement par convection.

Claims (1)

1. 2. - Réchauffeur de fluide selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la section d'écoulement non restreint du second passage est plus petite que celle du premier passage, grâce à quoi les produits de la combustion se déplacent avec une plus grande vitesse à travers le second passage qu'à travers le premier passage.

   3. - Réchauffeur de fluide selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes de fluide disposés dans le second passage sont hélicoïdaux.

   4. - Réchauffeur de fluide selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le brûleur est disposé de manière à injecter les produits chauds de la combustion dans la partie centrale d'une extrémité du premier passage d'échange de chaleur.

   5. - Réchauffeur de fluide selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes de fluide du premier passage d'échange de chaleur, qui sont rectilignes et parallèles, sont disposés à des distances égales autour de l'axe du brûleur.

   6. - Réchauffeur de fluide selon les revendications 1 et 3, carac- térisé par le fait qu'il comprend un collecteur d'admission reliant les @ extrémités de tous les tubes hélicoïdaux et susceptible de faire arriver dans ces tubes le fluide à chauffer.

   7. - Réchauffeur de fluide selon les revendications 1, 3 et 5, caractérisé par le fait qu'un collecteur sert à relier les tubes hélicoïdaux de fluide du deuxième passage d'échange de chaleur aux tubes rectilignes de fluide du premier passage d'échange de chaleur.

   8. - Réchauffeur de fluide selon les revendications 1 et 5, carac- térisé par le fait qu'un collecteur de décharge relie les extrémités des tubes rectilignes, près du brûleur.

   9. - Réchauffeur de fluide selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le deuxième passage d'échange de chaleur a une section légale approximativement à 88% de celle du premier passage d'échange de chaleur. <Desc/Clms Page number 6>

   10. - Réchauffeur de fluide selon les revendications 1 et 6, carac- térisé par le fait que le collecteur d'admission est disposé près du brûleur.

   11. - Réchauffeur de fluide selon les revendications 1, 3 et 5, caractérisé par le fait que la vitesse du fluide à travers les tubes rectili- gnes et les tubes hélicoïdaux est supérieure à 45 m/sec.

   12. - Réchauffeur de fluide selon les revendications 1,3 et 5, ca- ractérisé par le fait que la vitesse du fluide à chauffer est supérieure à 60 m/see.à travers les tubes rectilignes et les tubes hélicoïdaux et que sa vitesse à travers les tubes rectilignes est sensiblement supérieure de 27% à sa vitesse à travers les tubes hélicoïdaux.

   13. - Réchauffeur de fluide selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend deux cylindres coaxiaux ayant des diamètres dif- férents, un brûleur s'étendant dans une extrémité du cylindre interne pour injecter au centre de celui-ci avec une grande vitesse les produits à hau- te température d'une combustion sensiblement complète, les dits cylindres étant respectivement fermés, de manière à ne pas communiquer l'un avec l'au- tre, à leurs extrémités adjacentes au brûleur, afin d'empêcher le passage des gaz de la combustion entre eux, ces cylindres étant reliés à leurs ex- trémités opposées,c'est-à-dire loin du brûleur, de manière à permettre aux gaz de combustion de passer entre eux, un anneau de tubes rectilignes à l'in- térieur- du cylindre interne, cet anneau étant coaxial à ce cylindre,

   plu- sieurs tubes hélicoïdaux disposés dans l'espace compris entre les deux cylin- dres concentriques et entourant le cylindre interne, ces tubes hélicoïdaux ayant leurs extrémités en communication avec celles des tubes rectilignes, grâce à quoi, ces tubes se dilatent et se contractent ensemble sans aucune déformation des tubes rectilignes longitudinaux, un dispositif près du brû- leur pour fàire arriver le fluide à chauffer dans les tubes hélicoïdaux, un dispositif pour recevoir près du brûleur le fluide chauffé, sortant des tubes rectilignes, et un dispositif près dubrûleur pour recevoir les gaz de la combustion et à leur sortie de l'espace compris entre les cylindres concentriques.

   14. - Réchauffeur de fluide selon les revendications 1 et 13, ca- ractérisé par le fait que le brûleur s'étend coaxialement dans le cylindre interne et l'anneau de tubes rectilignes est disposé près de la paroi du réchauffeur.

   15. - Réchauffeur de fluide selon les revendications 1 et 13 ca- ractërisé par le fait qu'il comprend un collecteur d'admission pour faire arriver le fluide à chauffer dans les tubes hélicoïdaux, près du brûleur, un collecteur de sortie pour recevoir près du brûleur le fluide chauffé sor- tant des tubes rectilignes, et un raccord de cheminée pour recevoir près du brûleur les gaz de combustion, à leur sortie de ltespace compris entre les cylindres concentriques.

   16. - Réchauffeur de fluide selon les revendications 1 et 13, ca- ractérisé par le fait que les diamètres des cylindres sont choisis de maniè- re à réaliser entre eux une section d'écoulement libre plus petite que la section d'écoulement libre à l'intérieur du cylindre interne.

   17. - Réchauffeur de fluide selon les revendications 1 et 13, ca- ractérisé par le fait qu'un collecteur relie les extrémités des tubes héli- coïdaux aux extrémités des tubes rectilignes, à l'extrémité des cylindres concentriques la plus éloignée du brûleur.