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Perfectionnements,apportas aux échangeurs de chaleur à Selon le brevet No. provisoire 686.319 déposé le
24 février 1955, au même nom que le présent brevet, pour "Perfectionnements apportés aux procédés et dispositifs,de combustion", les parois d'une enceinte pour des gaz à haute température sont isolées desdits gaz par une épaisse couche d'une matière calorifuge partiellement fondue telle qu'une ' scorie; cette enceinte comporte des parois tournantes confor- ornées de manière à retenir cette matière sous forme de couche épaisse lorsque lesdites parois sont entraînées en rotation par un moteur approprié à une vitesse telle que soit créé un effet centrifuge propre à établir et à maintenir cette couche.
L'épaisseur de cette dernière peut être de plusieurs
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multiples de 2,5 cm, en général de l'ordre de 30 cm. La face interne de ladite couche sera à l'état fondu tandis que sa face externe sera à l'état, solide et se trouvera à une température bien inférieure à la température limite que peuvent supporter les parois métalliques. On peut ainsi mettre en oeuvre des gaz à une température supérieure à 1200 ;, pouvant même vraisemblablement atteindre 2000 ou plus.
Le susdit brevet No. provisoire 686.319 décrit une applica- tion de ce principe à une chambre de combustion ou de gazéifi- cation du type cyclone.
La présente invention correspond à Inapplication de ce même principe à un échangeur de chaleur à récupération, la couche jouant le'rôle supplémentaire de la masse de récupéra- tion, ou de régénération,' qui absorbe, accumule et restitue la chaleur. Etant donné que.la couche peut atteindre des températures très élevées,. on peut bénéficier d'un taux considérable de transfert de chaleur par'radiation entre la masse et un gaz, tel que de la vapeur ou du 00,,,'présentant un pouvoir d'émission élevée
Ainsi, un échangeur de chaleur à récupération pour gaz selon l'invention comporte un conduit ,pour le.
passage des gaz, ce conduit comportant .une paroi tournante conformée de manière à retenir contre elle intérieurement au conduit, une couche épaisse d'une masse partiellement fondue, cette couche délimitant en fait le passage offert aux gaz dans le conduit, et des moyens moteurs pour faire tourner cette paroi autour de l'axe du conduit à une vitesse telle que soit créé un effet centrifuge propre à établir et à maintenir cette couche. Des moyens de distribution peuvent être prévus pour forcer des gaz chauds (à refroidir) et des gaz relativement froids (à chauffer) à passer alternativement dans ce conduit tournant en y échangeant de la chaleur dans l'un ou l'autre sens avec la couche.
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Selon le susdit brevet No. provisoire 686.319, les gaz quittant la chambre de réaction peuvent être (et en général sont) à une température trop élevée pour qu'on les envoie direc- tement dans un passage à parois métalliques non isolées et non refroidies; il est alors nécessaire de refroidir ces gaz à leur sortie de la chambre de réaction.
Il en résulte qu'une caractéristique importante de la présente invention est la combinaison d'une chambre de réaction selon le susdit brevet No. provisoire 686.319 avec un passage établi selon la présente invention conduisant à cette chambre de réaction et avec un autre semblable passage partant de ladite chambre de réaction. Cette dernière pourra être telle qu'elle puisse fonctionner en étant traversée d'un écoulement gazeux dans l'un ou l'autre sens, chacun des deux susdits passages servant alors alternativement d'entrée vers la chambre de réaction
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yr et de sortie hors de cette chambre. Des moyens de distribution permettant d'inverser le sens de l'écoulement sont alors prévus aux extrémités externes des susdits passages ou au-delà de ces derniers.
Ces moyens de distribution se trouvent ainsi situés sur l'entrée pour les gaz relativement froids et sur la sortie pour les gaz refroidis. Ils ne sont donc pas en contact avec les gaz les plus chauds. Avantageusement en outre, selon une autre caractéristique de l'invention, les susdits passager et la chambre de réaction sont coaxiaux et ils tournent tous ensemble autour de leur axe commun.
L'invention pourra de toute façon être comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que du dessin ci-annexé qui représente, en coupe axiale, une chambre de réaction et les passages adjacents établis conformément à l'invention.
Un rotor constitué par un tube la (cette désignation englobant les passages 1 et 2 en alignement avec la chambre de
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réaction 3 intercalée entre eux) est monté substantiellement horizontalement, par l'intermédiaire de roulements à billes 5, de' manière à pouvoir tourner par rapport à une enveloppe fixe 4. Une couronne dentée 6, fixée au tube la, engrène avec un pignon 7 entraîné par un moteur électrique 8.
Des joints d'étan- chéité 9, dutype labyrinthe, sont prévus entre l'enveloppe et le rotor à chacune des extrémités de ce dernier pour faire obs- tacle aux fuites de gaz vers l'intérieur 4a de l' enveloppe. Le tube la comporte des parois terminales 1b et 1c propres à retenir une couche épaisse de scories, la paroi 1c étant bombée vers l'extérieur comme montré et présentant une fente 1d pour le débordement de l'excès de scories. Dans l'alignement des ouver- tures des parois terminales 1b et le se trouvent des conduits 10 et 11 fixées à (ou solidaires de) l'enveloppe.
Un jeu im- portant est prévu entre la paroi terminale 1c et le débouché du conduit 11 dans l'enveloppe, ce jeu étant destiné à permettre à l'excès de scories d'être rejeté et de tomber dans un collec- teur rempli d'eau, porté par l'enveloppe, propre à recevoir les scories ainsi rejetées. Des tubulures d'entrée et de sortie 13 et 14, prévues sur l'enveloppe, permettent à de l'air de refroidissement de circuler dans l'intérieur 4a de cette dernière. La pression dans cet intérieur est avantageusement assez élevée pour empêcher que dès gaz provenant des'conduits 10 et 11y pénètrent.
Un tube d'amenée de combustible 15 est fixé au conduit 11 et s'étend axialement dans l'intérieur du passage 1 jusque dans la chambre de réaction 3. Ce tube est avantageuse- ment muni d'un système de refroidissement à eau. Il permet le pas- sage, vers des tuyères de sortie 15c, de combustible pulvérisé fluidifié.
Un prolongement 10a du conduit 10 (ce prolongement étant figuré sur le dessin par le trait 10a) communique avec des
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distributeurs 16 et 17 tandis qu'un prolongement 11a du conduit
11 communique avec des distributeurs 18 et 19. Le conduit
20 pour l'amenée¯d'air (ou autre gaz) froid est relié aux distributeurs 16 et 18 tandis que le conduit de sortie 21 pour les gaz refroidis est relié aux distributeurs 17 et 19.
En pratique, si l'on suppose, à titre d'exemple, que l'on met en oeuvre le procédé typique de la gazéification du charbon, lorsque le tube la tourne, de l'oxygène et de la vapeur pénètrent par le conduit 20, les distributeurs 16 et 19 étant fermés et les distributeurs 17 et 18 étant ouverts, ce mélange gazeux, en se déplaçait du conduit 11.vers la chambre de réaction 3, passe par le passage l'où il reçoit par radiation de la cha- leur provenant de la couche de scories fondue déjà constituée sur la paroi du tube la. Les gaz chauds provenant de la réaction avec le charbon amené par le tube 15 comprennent de l'hydrogène, du CO, du C02 et de la vapeur.
Ce mélange traverse le passage 2 en dégageant de la chaleur radiante vers la couche de scories fondue en même temps qu'éventuellement des cendres fondues viennent s'ajouter à cette couche. Quand les distributeurs sont inversés pour inverser la direction de l'écoulement, les gaz entrants prélèvent de la chaleur dans le passage 2 et les gaz sortants abandonnent de la chaleur dans le passage 1. La couche de scories appliquée par la force centrifuge atteint l'épaisseur maximum compatible avec la configuration des parois terminales 1b et 1c et notamment avec l'emplacement de la fente ld par laquelle s'écoule tout surplus de scories qui se trouve alors éliminé par l'effet centrifuge.
Dans cette réaction type, la scorie formée est de la cendre de charbon fondue mais le terme générique de scorie est utilisé ici dans son sens le plus large comme il l'était dans le susdit brevet No. provisoire 686.319 et désigne toute substance provenant de la réaction et propre à former un dép8t isolant
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sur 1a paroi tournante. S'il s'agissait d'une réaction¯qui ne produit aucune matière propre à constituer une couche isolante, on pourrait avantageusement introduire des cendres ou d'autres Ratières appropriées dans le passage d'entrée où ces matières fondraient sous l'effet de la chaleur et viendraient constitue r 1: couche.
Les gaz chauds sortants se trouveront ainsi refroidis suffisamment pour pouvoir être ensuite traités dans des appareil- lages classiques tandis que les gaz entrants prélèveront suffi- amment de chaleur à la couche fondue pour atteindre une tempéra- ture qui facilitera l'accomplissement de la réaxtion à tempé- rature élevée. En particulier, l'oxygène et la vapeur pourront être portés à une température bien au-dessus du maximum qui serait admissible pour de l'oxygène en contact avec des parois métalli- ques.
On conçoit que l'invention puisse être appliquée sous d'autres formes à diverses réactions ou procédés de chauffage. On remarquera que, par opposition avec ce qui était décrit dans le susdit brevet No. provisoire 686.319 où la chambre de réaction était à axe verticale l'exemple qui vient d'être donné pour la présente invention se réfère à une enceinte tournante à axe horizontal. Nais,bien entendu, la présente invention pourrait également être appliquée avec une chambre de réaction tournant autour d'un axe vertical.
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Improvements, additions to heat exchangers according to provisional patent No. 686,319 filed on
February 24, 1955, in the same name as the present patent, for "Improvements to combustion processes and devices", the walls of an enclosure for gases at high temperature are insulated from said gases by a thick layer of a heat-insulating material partially melted such as slag; this enclosure comprises rotating walls shaped so as to retain this material in the form of a thick layer when said walls are driven in rotation by an appropriate motor at a speed such that a centrifugal effect suitable for establishing and maintaining this layer is created.
The thickness of the latter can be several
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multiples of 2.5 cm, generally of the order of 30 cm. The internal face of said layer will be in the molten state while its external face will be in the solid state and will be at a temperature well below the limit temperature that the metal walls can withstand. It is thus possible to use gases at a temperature greater than 1200 i, possibly even possibly reaching 2000 or more.
The aforesaid Provisional Patent No. 686,319 describes an application of this principle to a combustion or gasification chamber of the cyclone type.
The present invention corresponds to the application of this same principle to a recovery heat exchanger, the layer playing the additional role of the recovery or regeneration mass, which absorbs, accumulates and releases heat. Since the layer can reach very high temperatures ,. one can benefit from a considerable rate of heat transfer by'radiation between the mass and a gas, such as steam or 00 ,,, 'having a high emission power
Thus, a gas recovery heat exchanger according to the invention comprises a duct, for the.
passage of gases, this duct comprising .a rotating wall shaped so as to retain against it inside the duct, a thick layer of a partially melted mass, this layer in fact delimiting the passage offered to the gases in the duct, and motor means to rotate this wall around the axis of the duct at a speed such that a specific centrifugal effect is created to establish and maintain this layer. Distribution means can be provided to force hot gases (to be cooled) and relatively cold gases (to be heated) to pass alternately through this rotating duct, exchanging heat therein in one or the other direction with the layer. .
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According to the aforesaid Provisional Patent No. 686,319, the gases leaving the reaction chamber may be (and in general are) at a temperature too high to be sent directly into a passage with uninsulated and uncooled metal walls; it is then necessary to cool these gases as they leave the reaction chamber.
It follows that an important feature of the present invention is the combination of a reaction chamber according to the aforesaid Provisional Patent No. 686,319 with a passage established according to the present invention leading to this reaction chamber and with another similar passage leaving. of said reaction chamber. The latter may be such that it can operate by being crossed by a gas flow in one or the other direction, each of the aforesaid two passages then serving alternately as an inlet to the reaction chamber.
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yr and exit out of this room. Distribution means enabling the direction of flow to be reversed are then provided at the outer ends of the aforesaid passages or beyond them.
These distribution means are thus located on the inlet for the relatively cold gases and on the outlet for the cooled gases. They are therefore not in contact with the hottest gases. Advantageously further, according to another characteristic of the invention, the aforesaid passenger and the reaction chamber are coaxial and they all turn together around their common axis.
The invention can in any case be understood with the aid of the additional description which follows as well as the appended drawing which shows, in axial section, a reaction chamber and the adjacent passages established in accordance with the invention.
A rotor formed by a tube la (this designation including passages 1 and 2 in alignment with the chamber of
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reaction 3 interposed between them) is mounted substantially horizontally, by means of ball bearings 5, so as to be able to rotate relative to a fixed casing 4. A toothed ring 6, fixed to the tube 1a, meshes with a pinion 7 driven by an electric motor 8.
Seals 9, of the labyrinth type, are provided between the casing and the rotor at each of the ends of the latter to prevent gas leaks to the interior 4a of the casing. The tube 1a has end walls 1b and 1c suitable for retaining a thick layer of slag, the wall 1c being convex outwardly as shown and having a slot 1d for the excess of slag to overflow. In line with the openings of the end walls 1b and 1c are located conduits 10 and 11 fixed to (or integral with) the casing.
A large clearance is provided between the end wall 1c and the outlet of the duct 11 in the casing, this clearance being intended to allow the excess slag to be rejected and to fall into a collector filled with. water, carried by the envelope, suitable for receiving the slag thus rejected. Inlet and outlet pipes 13 and 14, provided on the casing, allow cooling air to circulate in the interior 4a of the latter. The pressure in this interior is advantageously high enough to prevent any gas from the conduits 10 and 11 entering it.
A fuel supply tube 15 is fixed to the conduit 11 and extends axially in the interior of the passage 1 as far as the reaction chamber 3. This tube is advantageously provided with a water cooling system. It allows the passage of fluidized pulverized fuel to outlet nozzles 15c.
An extension 10a of the duct 10 (this extension being shown in the drawing by the line 10a) communicates with
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distributors 16 and 17 while an extension 11a of the duct
11 communicates with distributors 18 and 19. The conduit
20 for the cold air supply (or other gas) is connected to the distributors 16 and 18 while the outlet duct 21 for the cooled gases is connected to the distributors 17 and 19.
In practice, assuming, by way of example, that the typical process of carbon gasification is carried out, when the tube rotates it, oxygen and steam enter through line 20. , the distributors 16 and 19 being closed and the distributors 17 and 18 being open, this gaseous mixture, moving from the duct 11 towards the reaction chamber 3, passes through the passage where it receives by radiation of the heat. them from the layer of molten slag already formed on the wall of the tube. The hot gases from the reaction with the coal supplied through tube 15 include hydrogen, CO, CO2 and steam.
This mixture passes through passage 2, releasing radiant heat towards the layer of molten slag at the same time as possibly molten ash is added to this layer. When the distributors are reversed to reverse the direction of flow, the incoming gases take heat from passage 2 and the outgoing gases give up heat in passage 1. The slag layer applied by centrifugal force reaches the maximum thickness compatible with the configuration of the end walls 1b and 1c and in particular with the location of the slit ld through which any excess slag flows which is then eliminated by the centrifugal effect.
In this typical reaction, the slag formed is molten coal ash but the generic term slag is used here in its broadest sense as it was in the aforesaid Provisional Patent No. 686,319 and refers to any substance derived from the reaction and suitable to form an insulating deposit
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on the revolving wall. If it were a reaction which does not produce any material suitable for constituting an insulating layer, it is advantageously possible to introduce ashes or other suitable dobby in the entry passage where these materials would melt under the effect of heat and would come constitutes r 1: layer.
The hot exiting gases will thus be cooled sufficiently to be able to be subsequently treated in conventional apparatus, while the entering gases will take sufficient heat from the molten layer to reach a temperature which will facilitate the accomplishment of the reaction at high temperature. In particular, the oxygen and the vapor may be brought to a temperature well above the maximum which would be admissible for oxygen in contact with metal walls.
It is understood that the invention may be applied in other forms to various heating reactions or processes. It will be noted that, as opposed to what was described in the aforesaid provisional patent No. 686,319 where the reaction chamber was with a vertical axis, the example which has just been given for the present invention refers to a rotary enclosure with a horizontal axis. . But, of course, the present invention could also be applied with a reaction chamber rotating about a vertical axis.