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La présente invention concerne les appareils de chauf- fage en général. Plus particulièrement, elle se rapporte à un ap- pareil de chauffage vertical du type à combustion forcée qui com- porte une rangée circulaire de tubes verticaux d'échange de cha- leur.
On a constaté qu'avec ce type d'appareils de chauffage' ou de fours de ce genre général, il se crée des courants descen- dants de produits de combustion dans n'importe quelle zone verti- cale du four. Ces courants descendants sont provoqués par un gra- dient de température qui prend naissance quand la chaleur est transférée des produits de combustion aux tubes d'échange de cha- leur. De tels courants descendants ont tendance à refroidir anor- malement la flamme du brûleur ou autre source de chaleur.
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De ce fait, la flamme s'étouffe partiellement en raison de l'in- troduction de courants de gaz relativement froids qui sont envoyés contre la flamme, du fait de la remise en circulation précitée.
Un des procédés mis en oeuvre jusqu'ici pour pallier cet inconvé- nient a consisté à chauffer un four vertical par sa partie supé- rieure (flamme descendante) et à soutirer les gaz de combustion par sa partie inférieure. On évite ainsi l'effet d'étouffement des gaz remis en circulation, mais ce procédé n'est pas aussi efficace qu'il le pourrait, du fait que les produits de combustion ne peu- vent passer qu'une seule fois par les tubes d'échange de chaleur.
De ce fait, une fraction importante de la chaleur potentielle n'est pas transférée. En outre, le procédé de chauffage par la partie supérieure oblige à prévoir un système de conduits qui s'étend sur la totalité de la hauteur du four, afin de pouvoir utiliser un échange de chaleur préalable pour préchauffer l'air d'admission en- voyé aux brûleurs. Un tel système de conduits assez long, sans par- ler de la structure plus compliquée pour le montage d'un brûleur . à la partie supérieure du four, constitue une addition relative- ment coûteuse à la structure nécessaire.
En conséquence, la présente invention a pourobjet un appareil de chauffage perfectionné qui supprime les inconvénients et défauts précités des appareils de chauffage connus à ce jour.
Une caractéristique de l'invention réside dans la con- ception d'un four du type pour appareil de chauffage, qui comporte une chambre de combustion chauffée à l'une de ses extrémités et dont les gaz brûlés sont évacués par la même extrémité.
Une autre caractéristique de l'invention réside dans le fait qu'on a conçu un four vertical muni à sa partie inférieure d un brûleur du type sous pression, qui fait circuler les produits de combustion sur la totalité de la hauteur de la chambre de combus- tion et dont les gaz de combustion sont évacués par la partie in- férieurè de cette chambre.
Conformément à l'invention,l'appareil de chauffage
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vertical comporte : une chambre de combustion cylindrique dont 1 intérieur est complètement dégagé et qui est munie de tubes de chauffage disposés au voisinage de la surface intérieure de sa pa roi ; un ou plusieurs brûleurs verticaux qui sont montés dans la partie inférieure de cette chambre au voisinage de son centre ; uneouverture annulaire ménagée dan.s ladite partie inférieure près de la paroi de la chambre ; structure obturant entièrement la par- tie supérieure de la chambre; un dispositif pour refouler vers le haut les gaz de combustion chauds à partir des brûleurs au voisi- nage de l'axe de la chambre;
enfin, un dispositif destiné à extrai- re par aspiration les gaz de combustion relativement froids à par- tir du fond du.four en les faisant passer par ladite ouverture an- nulaire, grâce à quoi les tubes précités sont directement soumis à la chaleur de radiation des gaz de combustion chauds se dépla- çant vers le haut 'au voisinage dudit axe et sont également soumis à la chaleur de convection des gaz de combustion relativement froids qui circulent vers le bas près de la paroi susvisée.
Afin de-faire comprendre l'invention on va maintenant la, décrire en se référant au dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue en élévation illustrant le four principal en coupe transversale longitudinale; la figure 2 est à plus grande échelle une coupe trans- versale du four, faite par 2-2 de la figure 1 dans le sens des flèches ; la figure 3 est une vue en élévation d'un autre mode de réalisation de l'invention et elle illustre le four principale- ment en coupe transversale longitudinale ; la. figure 4 est à. plus grande échelle une coupe trans- versale, faite par 4-4 de la figure 3 dans le sens des flèches du mode de réalisation illustré sur la figure 3;
la figure 5 est une vue fragmentaire en élévation illus-. trant le four principalement en coupe transversale longitudinale et représentant une autre variante de l'invention utilisant les mê- mes moyens généraux. que celle de la figure 3, mais dans laquel-
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le on a prévu un élément,de préchauffage en plus d'un ventilateur pour contribuer à aspirer les gaz de combustion hors du four.
On va se référer aux figures 1 et 2. Une cheminée 11 raccordée au four sert à évacuer les gaz de combustion à l'atmos phère. Le four comprend une'structure verticale dont l'extrémité supérieure est fermée et qui comporte une enveloppe cylindrique extérieure 12 faite en acier ou autre matériau de construction.
Cette enveloppe est supportée par plusieurs profilés verticaux 13 de section en I qui forment l'ossature du four. On a prévu au moins une traverse de support 14 qui repose sur les profilés op- posés 13. Cette traverse constitue un support supérieur pour-di- vers éléments du four qui peuvent être bloqués ou boulonnés à son bord inférieur. Les profilés 13 s'étendent vers le bas et servent., de même que des montants 15, à maintenir le four au-dessus du ni- veau du sol.
L'enveloppe 12 du four peut être fixée aux profilés 13 de section en I, de toute manière appropriée (non représentée), par exemple par des éléments de.blocage ou des boulons. Une structure 18, à extrémité supérieure fermée, est fixée à demeure au garnis- sage interne de l'enveloppe 12, et elle entoure un déflecteur 19 en forme de cône inversé qui est disposé à sa partie centrale. Ce dé- flecteur est, de préférence, supporté à partir de la traverse 14 par un prolongement cylindrique vertical 20. Sa surface ne présen- te pas de solution de continuité, de sorte que les gaz de com- bustion ne trouvent pas d'issue à la partie supérieure du four.
Sur la périphérie de la structure supérieure 18 est prévu un support pour les extrémités supérieures d'une rangée cir- culaire de tubes verticaux 21 d'échange de chaleur. On n'a pas illustré en détail la structure de ce support, du fait au'elle est d'un type usuel. La chambre,de combustion est délimitée par une paroi latérale cylindrique 22 faite d'une matière réfractaire. On forme cette paroi latérale 22 sur la face interne de l'enveloppe 1 de la manière habituelle pour constituer un garnissage réfractai- re sur la fce interne de la chambre de combustion.
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A la partie inférieure de la chambre de combustion se trouve une structure de sole 25 supportée dans une structure péri- phérique annulaire 26 qui supporte les tubes et qui est fixée à 1 enveloppe extérieure 12 du four de toute manière appropriée (non représentée). Dans la partie centrale de la sole 25 sont disposés quatre brûleurs 27 qui sont orientés axialement vers le haut dans la chambre de combustion.
La structure de ces brûleurs est classique et l'on n'a pas illustré ses détails..On peut remarquer qu'ils sont construits de manière à constituer des brûleurs à vitesse de débit élevée ou brûleurs à injection, ce qui fait que les produits de combustion sont refoulés de manière que la circulation des gaz chauds s'éten- de sur la totalité de la hauteur de la chambre de combustion.
Sous la sole 25 du four est fixé un carter fermé 28 qui entoure et enferme la face latérale des brûleurs 27 au-dessous de la sole. Un conduit d'admission d'air 29 s'étend radialement à partir du carter 28. Ce conduit est directement raccordé au côté- refoulement d'un ventilateur 30 de tirage forcé. Dans ce raccorde- ment par le conduit 29 est monté un ensemble 31 d'échange de cha- leur destiné à un préchauffage. Grâce à cet agencement, l'air d'ad- mission destiné à l'alimentation des brûleurs 27 est envoyé sous pression afin de créer l'action requise de vitesse élevée nécessai- re. Une canalisation d'amenée de carburant 34 est raccordée à chaque brûleur 27, à sa partie inférieure. Ces canalisations sont raccor- dées à une source d'alimentation en carburant (non représentée) de toute manière appropriée.
On a prévu une ouverture annulaire 35 pour la sortie des gaz de combustion à la périphérie de la chambre de combustion près du niveau de la sole. Cette ouverture 35 est délimitée par le re- bord annulaire 37 d'une couronne 36 en matière réfractaire. Cette couronne est orientée vers le haut à partir de la sole 25, et le re, bord horizontal 37, vu en section transversale, s'étend radialement vers l'extérieur à partir de la couronne verticale 36 en direc- tion des tubes 21 près de leur partie inférieure;, mais elle
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laisse autour de ces derniers un espace annulaire appropuné pour le passage des gaz de combustion. De ce fait, la couronne 36 et le rebord 37 forment ensemble un collecteur annulaire 38 à la par- tie inférieure de la périphérie de la chambre de combustion.
Au collecteur 38 est raccordé un conduit 39 de sortie des gaz de com- bustion, par lequel les gaz sortent de la chambre de combustion e traversant l'échangeur de chaleur 31 et parviennent dans la che- minée 11 en vue de leur évacuation à l'atmosphère.
On peut voir sur la figure 2 qu'on utilise quatre brû- leurs 27. Toutefois, tout technicien comprendra qu'on pourrait utiliser un seul brûleur de dimensions appropriées au lieu .des quatre brûleurs plus petits illustrés.
Le mode de réalisation représenté sur les figures 3 et 4 est tout à fait similaire à celui qui est illustré sur les figures 1 et 2. La différence principale de ce mode de réalisation par rapport à celui des figures 1 et 2, réside dans l'utilisation . de tubes d'échange de chaleur 47 différents. Ces derniers compor- tent une partie supérieure lisse 47a et une partie inférieure munie de surfaces en saillie 47b Les éléments du four qui n'ont pas été modifiés par rapport aux éléments correspondants illustrés sur les figures 1 et 2 portent les mêmes références, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'en poursuivre la description ici.
Le mode de réalisation illustré sur les figures 3 et 4 comporte une paroi cylindrique intérieure relativement haute 48, qui est en matière réfractaire et s'étend verticalement vers le haut à partir de la sole 25. Cette paroi intérieure s'étend vers le haut sensiblement jusqu'au niveau de la portion la plus basse de la partie lisse 47a des tubes d'échange de chaleur.
De ce fait, les surfaces en saillie 47b des tubes 47 comblent une fraction considérable de l'espace radial compris entre la paroi 48 et la pa- roi latérale réfractaire 22 de la chambre de combustion. bas. surfaces en saillie 47b des tubes 47 s'arrêtent un peu au-dessus de la structure annulaire 26 supportant les tubes; de sorte qu'en réalité un espace 49 constituant un collecteur
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est formé à un endroit similaire à celui du collecteur 38 du mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2.
Grâce à la structure de four représentée sur les figu- res 3 et 4, le transfert de chaleur à la rangée circulaire de 'tu- bes 47 se fait sous forme d'un échange de chaleur par radiation auquel s'ajoutent certains effets de chaleur par convection sur la partie supérieure lisse 47a des tubes. Il se produit donc un échange de chaleur seulement par convection à la partie inférieure
47b des tubes 47, c'est-à-dire dans l'espace annulaire de sortie des gaz de combustion qui s'étend radialement entre la structure ou paroi annulaire 48 et la paroi latérale 22 de la chambre de combustion.
Cet échange de chaleur est favorisé par l'utilisation des surfaces en saillie ou ailettes 47b
Les gaz de combustion sont évacués (comme les gaz du premier mode de réalisation) par l'intermédiaire du conduit de sortie 39 des gaz de combustion. On remarquera que, dans cette variante, on n'a pas prévu d'ensemble échangeur de chaleur destiné à un échange de chaleur en vue du chauffage préalable. Dans cer- tains cas., on peut supprimer l'ensemble d'échange de chaleur des-. tiné au chauffage préalable.
La figure 5 représente une autre variante de l'inven- tion. On remarquera que la structure du four est la même que cel- le du mode de réalisation illustré sur les figures 3 et 4. En con- séquence, les mêmes références s'appliquent aux éléments simi- laires et il n'est pas nécessaire d'en donner une autre explication
Le mode de réalisation illustré sur la figure 5 com porte un élément supplémentaire constitué par un ventilateur de tirage forcé 51. On voit que celui-ci est monté sur la partie su- périeure du ventilateur d'admission 30 pour des raisons de commo dité. On remarquera que le ventilateur 51 est raccordé au conduit d'échappement 39 et qu'il contribue à évacuer les gaz de combus- tion du four par le conduit 39.
En utilisant le ventilateur sup- plémentaire 51 et le ventilateur d'admission de tirage forcé
30, on peut contrôler plus étroitement les conditions de
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chauffe du four pendant son fonctionnement, que si l'on n'utili- sait que le ventilateur de tirage forcé 30 disposé sur le côté de l'admission d'air. On peut ainsi régler ou contrôler séparément la valeur de la dépression sur le côté échappement du four. En même temps, la valeur de la pression d'admisson est réglée par le venti lateur 30.
Il doit être entendu que, bien qu'on n'ait représenté que trois modes de réalisation différents de l'invention, les tech- niciens comprendront qu'il peuvent concevoir aisément divers autres agencements. En outre, on peut combiner de diverses manières dif- férentes les éléments de-ces modes de réalisation sans sortir'du cadre de l'invention. Par exemple, on pourrait ajouter au four il- lustré sur les figures 1 et 2 un ventilateur monté dans le conduit d'échappement, ou bien on pourrait ne pas y utiliser d'échangeur de chaleur en vue du chauffage préalable. De manière similaire., le four illustré sur les figures 3 et 4 pourrait comporter un échan- geur de chaleur en vue du chauffage préalable mais ne pas compor- ter de ventilateur aspirant de tirage forcé, tel que le ventilateur 51.
FONCTIONNEMENT
On va d'abord se référer particulièrement à la figure 1 et décrire le fonctionnement d'un four conforme à la présente in- vention en soulignant les avantages qu'on peut en attendre. Le four. est chauffé par les quatre brûleurs verticaux à injection 27 qui émettent une flamme dirigée axialement vers le haut au voisinage de l'axe de la chambre de combustion. L'air d'admission destiné aux brûleurs est débité sous pression par le ventilateur 30 et il est envoyé par le conduit 29 en passant par l'ensemble d'échangeur de chaleur 31 assurant le chauffage préalable. Ensuite, après le mélange et la combustion de l'air d'admission et du carburant, les produits de combustion sont projetés vers le haut en suivant des trajets représentés d'une manière générale par les flèches en traits interrompus.
Etant donné que la partie supérieure de la
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chambre de combustion est entièrement close, les gaz chauds ne peu- vent pas s'échapper, mais ils sont ramenés vers le bas le long de la paroi latérale de la chambre de combustion au voisinage des tu- bes 21. Il se produirait partiellement un tel courant inverse ou une telle remise en circulation, même si les gaz de combustion devaient être évacués à la partie supérieure du four. Toutefois, dans un four conforme à la présente invention, ces gaz et ces pro- duits de combustion chauds, qui sont remis en circulation lorsque la chaleur est éliminée (de la manière indiquée), sont évacués à la partie inférieure de la chambre de combustion en passant par l'ouverture annulaire d'échappement 35 qui entoure la base des tu- bes 21.
Ces gaz de combustion sont alors évacués par le conduit 39 et passent, par l'ensemble échangeur de chaleur 31 de l'air d'ad- mission dans la cheminée 11 qui les évacue à l'atmosphère.
On souligne que le déflecteur 19 n'est pas absolument nécessaire. Toutefois, il sert à deux fins pendant l'utilisation- Premièrement l'inversion du sens de déplacement des produits de combustion est facilitée et les' tourbillons ou autres phénomènes qui pourraient perturber un écoule::lent régulier sont réduits au minimum. Deuxièmement, les produits de combustion échauffent le déflecteur 19 en le rencontrant, ce qui fait qu'il se comporte comme une.source de chaleur secondaire et qu'il renvoie par radia- tion la chaleur vers la partie lisse des tubes d'échange de cha- leur primaire, par exemple'les tubes 21 ou 47.
On doit particulièrement remarquer que, du fait que les gaz de combustion sont évacués à la partie inférieure du four, ils ne peuvent pas revenir en arrière dans le courant des gaz pro- jetés par les brûleurs. Pour cette raison, les flammes des brûleurs' ne sont pas soumises à une action d'étouffement nuisible. En ou- tre, on remarquera que le conduit 39 d'échappement des gaz de com bustion est disposé radialement très près du conduit.d'admission d'air 29, de sorte qu'il suffit d'un minimum de tuyauterie pour utiliser un échange de chaleur en vue du préchauffage entre les gaz de combustion et l'air d'admission.
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Il y a lieu de noter que la même action générale d'écou- lement des produits de combustion a lieu dans le mode de réalisa- tion conforme aux figures 3 et 4. La seule différence réside dans le fait que l'évacuation des gaz de combustion commence un peu plus haut au-dessus de la sole du four et sur une hauteur comprenant la longueur des surfaces en saillie 47b. En outre, un échange supplé- mentaire.de chaleur primaire se produit, entre les tubes d'échange de chaleur 47 et les produits de combustion, uniquement par con- vection.
On doit remarquer qu'on peut donner différentes formes à l'ouverture 35 de sortie des gaz de combustion sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, on pourrait prévoir des ouver- tures individuelles entourant respectivement les tubes d'échange de chaleur 21.
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