<B>Appareil destiné au chauffage de fluides.</B> La présente invention se rapporte à des appareils destinés à assurer le chauffage de fluides et susceptibles d'être agencés notam ment. soit comme chaudières ordinaires, assu rant l'échauffement. et la vaporisation d'un liquide ainsi que le surchauffage de la. vapeur produite, soit comme appareils chimiques ana logues aux appareils de cracking pour faire subir une transformation à un liquide ou à la vapeur produite par un liquide.
L'appareil suivant l'invention est destiné au chauffage de fluides sous pression, par exemple sous des pressions de 40 atmosphères ou plus, au moyen de gaz provenant. d'une combustion effectuée elle-même sous une pres sion ne différant que de 8 atmosphères au maximum de la pression des fluides; l'appareil est caractérisé en ce qu'il comporte un foyer où se produit ladite combustion et situé à l'in térieur d'au moins une enveloppe, et au moins un élément chauffant branché sur ledit, foyer et disposé, sur une partie au moins de sa lon gueur, à l'extérieur dudit. foyer, ledit élément chauffant. comportant un tube extérieur con tenant au moins un tube intérieur dont. la.
paroi est. plus mince que la. paroi du tube extérieur, puisqu'elles n'ont à résister qu'à la différence entre les pressions du fluide à chauffer et du gaz chauffant, le tube exté rieur et le tube intérieur délimitant ainsi des conduits contigus séparés par ladite paroi plus mince et servant l'un à la circulation du fluide à chauffer, l'autre à celle des gaz chauf fants. Le nombre des éléments chauffants atte nant à un même foyer peut varier suivant les applications: il peut y avoir un seul ou plu sieurs- de ces éléments, leur nombre pouvant atteindre par exemple deux ou trois dizaines.
Les éléments chauffants peuvent être cons titués par deux tubes concentriques, les gaz de combustion circulant dans le tube intérieur de chaque élément, les fluides à chauffer cir culant dans l'espace annulaire compris entre le tube intérieur et le tube extérieur de chaque élément.
Les éléments chauffants peuvent compor ter trois tubes concentriques; dans ce cas, il existe un grand nombre de dispositions pos sibles; dans celle qu'on envisage le plus géné ralement, le fluide à chauffer, souvent à l'état liquide, circule dans le tube central, c'est- à-dire le plus proche de l'axe de l'élément, les gaz de combustion circulent dans l'espace annulaire contigu à ce tube, et le fluide sor tant dudit tube et déjà partiellement chauffé ou vaporisé circule ensuite dans l'espace annu laire contigu au tube extérieur de l'élément.
Dans d'autres dispositions particulières, le tube central et l'espace annulaire contigu au tube extérieur peuvent recevoir, sur tout ou partie de leur longueur, soit un liquide diffé rent du liquide à traiter, soit. l'air comprimé destiné à l'alimentation du foyer. Que le ou les éléments chauffants soient à deux ou à trois tubes concentriques, on peut subdiviser l'élément, dans le sens de sa. lon gueur, par des cloisons transversales partielles 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 chaudière, une première section est.
affectée à. la vaporisation, une deuxième sec tion est affectée à la surchauffe, une troisième section, éventuellement, peut jouer le rôle d'un vaporisateur supplémentaire ou celui d'un économiseur échauffant l'eau d'alimenta tion, 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 élé ment chauffant comporte un tube extérieur renfermant plusieurs tubes intérieurs, en nombre généralement quelconque, non concen triques. Les tubes intérieurs sont parcourus par les gaz du foyer et l'espace compris entre l'extérieur des tubes intérieurs et l'intérieur (lu tube extérieur reçoit les produits à chauffer.
Les dessins annexés montrent, à titre d'exemple non limitatif, différentes formes d'exécution de l'invention.
La fig. 1 est une coupe verticale médiane faite le long de l'axe du foyer qui est ici cylin drique, montrant deux éléments chauffants, l'un à deux tubes, l'autre à trois tubes con- eentriques; l'agencement est relatif, à titre d'exemple, à un appareil du type cracking.
La fig. 2 est une coupe horizontale suivant la ligne II-II de la fig. 1 avec une projec tion du foyer.
La fig. 3 donc le détail d'un cloisonnement séparant deux sections successives d'un élé ment chauffant à deux tubes concentriques; dans 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 Lui 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 forme rectiligne malgré sa longueur.
Les fig. 7 et 8 donnent le détail d'un acces soire permettant le démontage du tube inté rieur 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 chauf fant.
La fi-. 10 est relative à un dispositif de nettoyage automatique de la surface active des éléments chauffants.
La fig. 11 est une coupe transversale d'un élément chauffant suivant une variante.
La fig. 12 est une coupe partielle corres pondante parallèle à l'axe.
La fig. 13 est le schéma d'une variante. Sur les fig. 1 et 2, une enveloppe cylin drique du foyer l est terminée, d'un côté, par une calotte sphérique 2 et, de l'autre, par un fond 3; la calotte sphérique porte le brûleur 4, les conduits d'air primaire 6 et d'air secon daire 7, la bougie d'allumage 5, les arrivées d'air de combustion 8. La calotte 2 est proté gée contre la chaleur du foyer par une enve loppe intérieure 11.
Entre la calotte 2 et l'enveloppe 11 circule, par exemple, l'air du foyer; un revêtement réfractaire 9 complète la protection. lie corps cylindrique du foyer 1 est muni d'une enveloppe intérieure 10; entre le corps du foyer et l'enveloppe inté rieure circule par exemple le liquide à chauf fer. On a. figuré en 12 l'évacuation des scories du foyer, à. l'état liquide.
L'élément. chauffant à trois tubes concen triques 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 tra verse tout le foyer, en sort. en 17 à travers un presse-étoupe et conduit le liquide à tra- vers 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 concentri ques, jusqu'à la chambre de réaction 21 dans laquelle il pénètre en 20. Les gaz chauds, de leur côté, entrent dans l'espace annulaire con tigu 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 com porte le tube intérieur 29 et le tube extérieur 30: le produit à chauffer entre dans l'espace annulaire en 24 (voir fig. 2) et sort de l'élé ment 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 liquide un mouvement fortement giratoire Le foyer est alimenté en 8 par de l'air comprimé pour fonctionner sous forte pres sion et les liquides à traiter arrivent en 16 et en 24 comprimés eux-mêmes à une pression ne différant de celle du foyer que d'au plus 8 atmosphères. Les parois extérieures du foyer 1, 2, 3 des réchauffeurs 15 et 30 et de la chambre de réaction 21 elle-même sont.
suffisamment épaisses pour résister à cette forte pression. Au contraire, les cloisons inté rieures 10,11,13,14 et. 29, qui n'ont à résister qu'a d'assez faibles pressions différentielles, sont. constituées par des enveloppes assez minces qui assurent une grande rapidité des échanges de chaleur.
Les fig. 3 à 13 concernent. divers types d'éléments chauffants susceptibles d'être uti lisés dans des appareils suivant l'invention.
Sur la fig. 3, relative à un élément chauf fant type chaudière, à deux tubes concentri ques, on voit le tube intérieur 29 qui offre un passage continu au gaz de la combustion; 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 circule 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 va peur saturée sort par le tuyau 34 et pénètre par l'orifice 35 et les ouvertures 36 dans l'es pace 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 permet tant de couper l'élément chauffant, entre la section vaporisatrice et la section de sur chauffe.
La solution de la fig. 3 est évidemment générale et peut être utilisée quels que soient les rôles assignés aux sections de l'élément chauffant.
La fig. 4 représente une des deux brides d'un joint permettant de couper un élément chauffant, aux fins de démontage, sans inter rompre ni le conduit central, qui est continu, ni le conduit annulaire, qui se poursuit, à tra vers 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: Si, par exemple, pour une chaudière suivant l'invention et pour une pression de service suffisamment élevée, par exemple pour une pression de 50 kg/cm2 ou toute pression supérieure, on adopte, pour le tube intérieur d'un élément. chauffant à deux tubes concentriques, un diamètre suffisam ment grand, soit par exemple 120 mm ou plus; si, en outre, on fait usage pour les gaz chauds d'une vitesse de circulation élevée, soit par exemple 80 m par seconde ou plus.
l'élément chauffant doit recevoir une longueur relativement considérable, pouvant atteindre 60 m ou phis, mais simultanément le coeffi cient 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 chauf fant unique, à réaliser une puissance corres pondant, 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 extrême ment simples ne demandant sensiblement au cun entretien et s'adaptant, en particulier, sans difficulté, à l'emploi du charbon pulvé risé.
De telles chaudières peuvent ne compor ter qu'un seul élément chauffant. On peut les réaliser comme des chaudières monotubulaires 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 généralement préférable d'y recourir.
Dans un appareil semblable, à cause de la forte densité des fluides effectuant des échanges de chaleur, et à cause de la grande vitesse de circulation des gaz chauffants, on arrive à des taux d'échange extrêmement élevés, par exemple de l'ordre de 800 000 calories par mètre carré de surface d'échange et par heure. Les tubes séparant les fluides étant soustraits à des contraintes mécaniques notables par la faible différence des pressions, leur métal peut supporter plus aisément la forte cou ; trainte thermique à laquelle il est soumis.
Pour réaliser des éléments chauffants de la longueur voulue avec le minimum d'encom brement., il est généralement avantageux de disposer ces éléments en spires, telles que re présentées à la fig. 5, superposées ou acco lées, 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 Dal' des éléments soudés les lins 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 exté rieur 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 détail sur les fig. 7 et 8. Pour que, malgré cette coupure, les joints suivant. les faces des brides 44 et 45 s'effectuent bien, la position correcte des deux demi-manchons est assurée au moyen de deux broches de centrage parfaitement ajustées, 46 et 47. On comprend alors aisé ment qu'on puisse démonter sans peine le manchon 43, -grâce à, sa section en deux moi tiés.
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 41.a, 411, 42a., 42b qu'on désirera. Polir 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 fig. 5, on peut, à l'occasion, recourir à des spires sans parties droites, c'est-à-dire à des spires circu laires ou hélicoïdales.
La fig. 6 est relative au cas où malgré sa longueur l'élément chauffant est conservé rec tiligne. Ce cas peut se présenter, en particu lier, pour des appareils de cracking. Il faut alors prendre des précautions particulières pour assurer la libre dilatation du tube cen tral 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 outre, mis en tension par un contre poids 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, polir assurer la. correcte dilatation du tube central, on donne à ce tube de préférence une longueur à. froid plus courte et calculée de telle sorte que le tube, unie fois dilaté, occupe sa position correcte.
Des cales peuvent être soudées au tube cen tral pour assurer son bon centrage.
De préférence, 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.
La fig. 9 montre comment, sur les éléments d'un appareil suivant l'invention, on peut éta- blir un réglage précis 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 fig. 9 repré sente un tronçon de surchauffeur; en 60 est piquée une dérivation sur le tube intérieur 29 (tube des gaz) d'un élément chauffant.; sur cette dérivation est installé un papillon de réglage, en fonte réfractaire, 61; cette déri vation débouche en 62 dans une section v apo- risatrice de l'élément. chauffant, laquelle com mence à. la cloison 63. La dérivation tout en tière et le papillon<B>61.</B> sont entourés d'une chemise d'eau grâce à un conduit 64 concen trique à la dérivation. L'eau à vaporiser pé nètre dans cette chemise par les orifices 65.
Après avoir parcouru la chemise, elle passe dans l'espace annulaire de la section vaporisa , trice par les lumières 66.
Dans les éléments rectilignes, on peut éta blir aisément un système de nettoyage auto matique de la surface active d'échange au contact avec le liquide à traiter. La fi-.<B>10</B> en indique le principe: le tube extérieur 30 d'un élément chauffant tourne autour de l'axe de l'élément., il porte un système de grattoirs élas tiques, tels que 69, qui grattent sur toute la surface extérieure du tube central 29.
Dans la variante clés fig. 11 et. 12, 70 est le tube extérieur de l'élément chauffant; 72, 73, 74 et 75 sont les tubes intérieurs, ici au nombre de quatre à titre d'exemple. Les tubes intérieurs peuvent être identiques ou non. Sur la. fig. 12 on voit., en 70, le tube exté rieur de l'élément chauffant, et en 73 et 74 deux des tubes intérieurs. 77 est une cloison qui laisse continue les conduits des gaz chauds et qui sépare, à gauche, un tronçon, par exem ple vaporisateur, de l'élément, et à droite un tronçon, par exemple surchauffeur.
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 eentral 70, eomme indiqué schématiquement en fig. 3. Cette disposition est de nature à améliorer les coefficients d'échange.