<Desc/Clms Page number 1>
Perfectionnements aux empilages de briqueso
Cette invention se rapporte à une disposition per- fectionnée d'empilages de briques pour appareils d'échange thermique et plus particulièrement à une disposition sus- ceptible d'améliorer sensiblement le rendement de la trans- mission de chaleur dans les empilages et d'augmenter la surface chauffante d'un appareil donné.
Des appareils d'échange thermique pour le chauffage de l'air de fours à vent soufflé ont été construits avec des empilages de différents modèles. L'empilage habituellement employé se compose de briques posées sur champ de façon à ménager des ouvertures carrées. Antérieurement on employait souvent des briques hexagonales percées d'ouvertures rondes.
D'autres formes spéciales ont été employées anciennement, généralement en vue de donner plus de rigidité aux colonnes et d'éviter le déplacement des briques sous la pression
<Desc/Clms Page number 2>
des parois dilatées des chambres de combustion, mais dans tous les cas les ouvertures de passage dans'l'empilage étaient de même section du sommet à la base et la surface chauffante était la même en toute section transversale de l'empilage à un niveau quelconque de l'appareil, dont la hauteur varie ordinairement entre vingt quatr.e et trente quatre mètres environ.
Cette construction uniforme présente l'inconvénient que les briques au sommet fournissent le gros du travail de l'échange de chaleur, aussi bien pendant la période de leur échauffement que quand elles cèdent leur chaleur au fluide chauffé. Les briques du sommet sont chauffées pres- que à la température de la chambre de combustion, c'est-à-di- re au rouge clair, tandis que les briques situées environ dix mètres plus bas sont chauffées au rouge sombre. En dessous de ce niveau, les briques restent noires et la moitié infé- rieure de l'empilage ne fournit que très peu de travail.
En d'autres mots,la température au sommet de l'empilage est habituellement de 1100 C environ, dix mètres plus bas elle est de 650 C environ et quinze mètres plus bas elle n'est que d'environ 430 C ou très voisine de la température à la cheminée qui est habituellement de 320 C environ.
Deux raisons rendent peu efficace le travail fourni par la partie inférieure'de l'empilage. Une des raisons est que l'échange de chaleur est d'autant plus rapide et plus pénétrant que la différence des températures des milieux é- changeant la chaleur est plus grande. En d'autres mots la transmission de chaleur est fonction de la pointe de chaleur, mais elle est aussi fonction de la vitesse des gaz. Si les briques d'empilage sont semblables sur toute la hauteur
<Desc/Clms Page number 3>
de l'empilage et si la section totale de passage est la même du sommet à la base, la vitesse des gaz chauds est beaucoup plus grande au sommet de l'empilage qu'à la base, de même la vitesse de l'air froid au sommet de l'empilage est beau- coup plus grande qu'à la base.
Si la température est de 11000C au sommet de l'empilage et de 320 C à sa base, le rapport des vitesses est approximativement de deux et de- mi à un. Dans le cas d'air froid, si on atteint des tempé- ratures de soufflage élevées, la différence est encore plus grande, le rapport des vitesses s'approchant de trois à un.
La présente invention fournit un type d'empilage qui permet de réduire les dimensions des ouvertures de l'empi- lage à la partie inférieure de l'appareil en comparaison de celles de sa partie supérieure, ce qui a pour résultat d'égaliser les vitessesdans toute mesure voulue. Comme une réduction continue des dimensions des carneaux,de couche en couche du sommet jusqu'à la base exigerait un trop grand nombre de briques de dimensions différentes, il est préfé- rable de n'opérer la réduction qu'en trois ou quatre fois.
La brique d'empilage préconisée est de forme octogonale et, de ses huit faces, quatre sont beaucoup plus larges que les quatre autres. Cette brique octogonale présente au centre une ouverture circulaire. Les quatre faces plus larges for- ment les parois des ouvertures carrées de l'empilage, comme le montre le dessin. Pour faciliter la fabrication, ces bri- ques peuvent être divisées verticalement., suivant un plan pas- sant par l'ouverture centrale, en deux briques distinctes.
Toutes ces briques peuvent cependant être fabriquées aisé- ment en un boudin continu d'argile refoulé à travers les ilières d'une machine ordinaire à briques ou à tuiles.
<Desc/Clms Page number 4>
On a déjà employé antérieurement des briques octo- gonales en ménageant entr'elles des ouvertures carrées, mais ces briques présentaient des faces sensiblement égales.
L'avantage qu'il y a à faire plus larges les faces formant les ouvertures carrées réside en ce que la surface des briques entre chaque paire d'ouvertures circulaires s'en trouve ré- duite. On remarquera qu'avec la forme octogonale des briques d'empilage, la partie centrale de la maçonnerie entre deux ouvertures circulaires est située à la distance maximum des parois des carneaux et est par suite la moins accessible au courant chaud et la moins utile à la transmission de chaleur.
En allongeant les parois des ouvertures carrées on réduit sensiblement ces surfaces. De ce fait le rendement de l'em- pilage est relativement amélioré en comparaison de celui des empilages construits avec des briques octogonales à faces égales comme on les utilisait auparavant.
En vue de réduire les sections transversales des ouvertures de l'empilage du sommet à la base, on peut employer des briques à parois moins épaisses dans la zône supérieure de l'empilage et des briques à parois plus fortes dans la zône inférieure, de façon à graduer la construction en dis- posant de préférence, comme c'est exposé ci-dessus, trois ou quatre zônes dans l'empilage, la zône inférieure de la co- lonne présentant des parois de 6,25 cm d'épaisseur, la zô- ne médiane des parois de 5 cm et la zône supérieure des parois de 3,75 cm, ce qui a pour résultat de ménager dans la z8ne supérieure des ouvertures de 13 cm, dans la zône médiane de 10,65 cm et dans la zône inférieure de 8 cm de diamètre.
Les larges faces des briques octogonales peuvent être courbes ou angulaires, donnant ainsi des ouvertures carrées à parois
<Desc/Clms Page number 5>
courbes ou angulaires. Ceci aboutit à la réduction de la sec- tion des ouvertures carrées. Ces dispositions présentent en- core l'avantage de consolider l'empilage à sa partie inférieu- re, l'épaisseur plus forte des parois rendant la construc- tion plus massive et plus rigide et facilitant la pose sur les voûtes inférieures grâce aux parois plus épaisses aux points de contact avec les voûtes.
Un autre moyen d'augmenter les vitesses à la partie inférieure par rapport à celles dans les zônes supérieures est l'insertion de briques de remplissage dans les zônes in- férieures en vue de produire la graduation désirée. On loge des briques de remplissage libres dans les ouvertures carrées et circulaires de la zône inférieure. Les extrémités de ces briques sont de préférence chanfreinées ou arrondies. Le chanfreinage des briques de remplissage pour les ouvertures carrées se fait sous les angles de 45 et les parties corres- pondantes des briques de remplissage pour les ouvertures cir- culaires sont arrondies de façon à épouser le contour des trous circulaires dans les briques octogonales.
L'avantage de donner une telle forme aux briques de remplissage réside en ce qu'elles sont mieux assemblées et rendent la structu- re plus stable.- Il est désirable d'accumuler la même quantité de chaleur par unité de surface des briques de remplissage et des parois de l'empilage. Si., par exemple l'épaisseur des parois de l'empilage est de 5 cm,celle de la brique de remplissage doit être de 5 cm également pour transmettre la même quantité de chaleur par unité de temps. Les faces de ces briques peuvent être de forme arrondie, triangulaire ou den- telée. Les deux faces des briques peuvent avoir des formes différentes et des briques superposées peuvent être retour-
<Desc/Clms Page number 6>
nées complètement de façon à exposer aux passages des faces de formes différentes.
Le courant sera brisé et de grandes surfaces seront mises en contact avec les gaz.
Les briques de remplissage doivent être disposées en quinconce dans les zônes verticales successives de l'empilage.
Ceci présente l'avantage d'obliger les gaz ainsi que l'air chaud à parcourir les passages en zigzag et à heurter les surfaces supérieures'des briques de remplissage, dans le cas des gaz, ou leurssurfacesinférieures, dans le cas de l'air. Le par- cours en zigzag et les heurts produisent des tourbillonnements du gaz et de l'air, et les remous amènent des chocs contre les parois latérales ce qui intensifie sensiblement la trans- mission de chaleur, suivant des lois bien établies. Dans la zône médiane on peut loger des briques de remplissage dans les ouvertures carréesseules'et ne pas en loger du tout dans la zône supérieure de l'empilage.
Suivant une autre forme d'exécution, on emploie des briques de remplissage libres de différentes épaisseurs logées dans les passages aux divers niveaux de l'empilage.
Dans la zône inférieure sont alors logées les briques les plus épaisses, dans la zone médiane des briques moins épaisses et la zône supérieure est de préférence dépourvue de briques de remplissage. Dans toutes les formes d'exécu- tion il est désirable de laisser libres les passages dans la partie supérieure parce que dans cette partie les passages ont tendance à être obstrués par les matières en suspension dans les gaz et qu'en cette région la plus chaude les bri- ques d'empilage et les corps solides tendent dans une cer- taine mesure à fondre et à couler en réduisant ainsi la sec- tion de passage effective pour les gaz et l'air.
Les briques de la couche inférieure sont de préférence
<Desc/Clms Page number 7>
supportées au moyen de barres métalliques faites par exemple en acier résistant à la chaleur. Ces barres reposent de pré- férence directement sur le sommet des voûtes ou traversent les murs et s'étendent librement à travers l'empilage, de la paroi de la chambre de combustion à la paroi latérale.
En vue de réduire le mouvement causé par la dilatation et la contraction, ces barres peuvent être faites en une ou plusieurs parties à joints entrelacés. Ce mode de support est nouveau et peut être appliqué aussi bien aux briques de rem- plissage qu'à celles d'empilage. Si on n'emploie des barres métalliques que pour supporter les briques de remplissage, elles peuvent reposer sur une couche inférieure des briques d'empilage qui ne comporte alors pas de briques de remplissa- ge.
La présente invention a pour buts: de fournir une forme perfectionnée de briques d'em- pilage et d'empilages de briques; de fournir des briques d'empilage et un empilage susceptibles d'améliorer sensiblement le rendement du chauf- fage ou de la transmission de chaleur comparé à celui des em- pilages actuels de construction courante; de fournir une brique d'empilage et un empilage qui augmenteront la surface chauffante d'un appareil de dimen- sions données; de fournir une brique d'empilage et un empilage de forme et de construction simples pouvant être économiquement fabriqués et installés.
D'autres buts ressortiront de la description ci-des- sous.
Certaines formesde réalisation de la présente inven-
<Desc/Clms Page number 8>
tion sont représentées à titre d'exemple sur les dessins an- nexés, dans lesquels:
Fig. 1 est une coupe horizontale partielle d'une for- me de construction;
Fig. 2 est une vue semblable d'une forme de construc- tion modifiée;
Fig. 3 est une vue en perspective d'une des briques;
Fig. 4 est une vue semblable à la Fig.l; montrant une autre modification;
Fig. 5 est une vue semblable à la Fig.l montrant encore une autre modification;
Fig. 6 est une vue partielle en plan, à échelle ré- duite, montrant la façon de supporter les briques ;
Fig. 7 est une coupe partielle suivant la ligne 7-7 de la Fig.6;
Fig. 8 est une coupe verticale partielle montrant la forme spéciale des faces de rencontre de certaines briques;
Figs. 9 à 15 sont des coupes horizontales partielles montrant d'autres formes d'empilage de briques libres ;
Fig.14 est une coupe verticale à travers la cons- truction montrée sur la Fig. 2.
Suivant la Fig. 3, la brique est de préférence de forme octogonale et présente une ouverture centrale 11 de section transversale circulaire qui la traverse de part en part. Les quatre faces 12 moins larges de la brique al-' ternant avec les faces plus larges 13. On remarquera que la largeur des faces 13 dépasse celle des faces 12 d'un tiers au moins de la largeur de celles-ci. La distance mésurée diamétralement entre deux faces 12 opposées est plus grande que celle entre deux faces 13 opposées.
<Desc/Clms Page number 9>
La brique représentée sur la Fig. 3 présente à sa face inférieure des encoches 14 destinées à recevoir la barre 15 dont le rôle sera expliqué en détails ci-après.
Il est entendu qu'une partie seulement des briques présentent des encoches 14, la plupart des briques en étant dépourvues et étant semblables aux deux extrémités.
Lors de l'empilement des briques, un certain nombre de briques 16 de la Fig. 3 sont posées ensemble, avec leurs faces étroites 12 en contact, comme le montrent clairement les Figs. 1 et 2. Cette disposition des briques écarte les unes des autres les faces plus larges 13 qui forment les pas- sages verticaux 17. Les dimensions des passages centraux 11 dans certaines briques utilisées dans les assises inférieures de la construction peuvent être réduites comme le montrent les lignes circulaires 18 représentées sur la Fig. 1 et les passages 17 peuvent être rétrécis de la même façon, comme c'est montré en 17'.
Dans la forme de construction représentée sur la Fig.2 les briques libres spéciales 19 sont logées dans les passa- ges 17, les extrémités 20 de ces briques ayant la forme vou- lue pour épouser exactement le contour des coins des passages dans lesquels elles sont posées diagonalement. Ces briques de remplissage ont une forme et des dimensions telles qu'el- les s'adaptent assez librement pour tolérer les écarts de dimensions arrivant habituellement lors de la fabrication.
Elles sont de préférence dimensionnées de façon à avoir la même épaisseur que les parois entourant les passages. La brique 19 peut être posée dans toute direction diagonale, comme le montre la Fig. 2, et dans la forme préférée de construction un certain nombre de briques successives de la
<Desc/Clms Page number 10>
colonne seront posées dans la même direction, puis un cer- tain nombre de briques superposées seront posées dans l'autre direction décalée par rapport à celle de la première série de briques. Ces briques servent à diviser les passages 17 et à réduire leur section de passage effective. On remarquera que l'épaisseur de la brique 19 peut être sensiblement la même que celle de la paroi entre les faces 13 et le passage central 11 de la brique 16.
De cette façon, les briques libres et celles formant le corps même de l'empilage servi- ront également bien à emmagasiner la chaleur des gaz chauds et à la céder au vent soufflé.
Les briques 21 sont pareillement logées dans les passages 11 ménagés dans les briques 16. Ces briques 21 peu- vent avoir leurs extrémités 22 arrondies pour épouser exacte- ment le contour du passage de section circulaire dans le- quel elles sont logées.
Il est entendu que dans la construction complète d'un appareil d'échange thermique utilisant la forme de construction représentée sur la Fig. 2, les briques 19 et 21 seront posées de préférence dans tous les passages à la par- tie inférieure de l'appareil. La section de passage effective offerte aux gaz sera ainsi réduite en cet endroit, où le chauds volume des gaz/est réduit au minimum, après quils ont cédé à l'empilage leur chaleur. De même, ces carneaux de section minimum recevront le vent soufflé relativement froid quand son volume est minimum, avant qu'il ne se dilate par suite de la chaleur empruntée à l'empilage. Dans une zône médiane de l'appareil, les briques peuvent n'être posées que dans une série de passages, c'est-à-dire dans les passages 11 ou 17.
Quand ce mode de construction est utilisé, les briques seront
<Desc/Clms Page number 11>
de préférence supprimées dans les passages 11 et posées dans les passages 17 seulement. Dans cette zône de l'appareil, les gaz chauds auront un volume partiellement réduit, tandis que l'air chaud se sera partiellement dilaté, et l'espace additionnel provenant de l'enlèvement d'une partie des briques fournira une section suffisante pour maintenir approximativement uniforme la vitesse des courants de gaz et d'air chaud. Dans la zône supérieure de l'appareil, des briques ne seront logées dans aucune des séries de passage.
Ici les gaz aussi bien que l'air chaud sont à leur températu- re maximum et exigent la plus grande section de passage si leur vitesse doit être maintenue.
Dans la forme de construction suivant la Fig. 2, les briques libres sont montrées plus épaisses à la partie infé- rieure de l'empilage qu'à une partie intermédiaire de celui- ci. Dans cette exécution, ces briques seront logées dans tous les passages verticaux aussi bien dans la zône inférieure que dans les zônes intermédiaires. La variation de l'épais- seur des briques libres tiendra, cependant, compte de la réduction de section des passages désirée plus importante à la zône inférieure et moins importante à la zône inter- médiaire.
Il est entendu que, si on le désire, des briques de plus de deux dimensions peuvent être employées de sorte qu'il y aura plus de deux zônes avec des briques d'épais- seur diminuant à mesure que les zônes s'approchent de la zô- ne supérieure, laquelle présentera de préférence des passa- ges dépourvus de briques libres.
L'exécution que montre la Fig.l tient compte dans une certaine mesure de la réduction désirée de la section en comportant des briques à passage intérieur 11 dont les
<Desc/Clms Page number 12>
dimensions diminuent à mesure que les briques se rapprochent du pied de l'appareil. Il est entendu :que les passages 11 ne sont pas rétrécis à l'intérieur de chaque brique et qu'il n'y a pas de petites variations continues, mais que normalement des briques dont les sections de passage sont différentes seront employées pour les différentes zones su- perposées de l'appareil. De même, les sections des passages 17 seront réduites comme le montre la Fig.l.
Dans l'exécution représentée sur la Fig. 4, les bri- ques 24 comportent d'étroites faces de contact 25 semblables aux faces 12 des briques 16 montrées sur la Fig. 3. Les faces 26 de ces briques pénètrent dans les passages 27 et réduisent leur section de passage effective tout en augmentant la sur- face de contact avec les gaz qui les parcourent. Les passages centraux 28 dans les briques 24 présentent des faces dente- lées, en vue d'augmenter la surface de contant avec les gaz.
La fig. 5 montre une forme d'exécution tout-à-fait semblable à celle de la Fig. 4, sauf que les faces 30 des bri- ques 31 sont plus arrondies que les faces 26 correspondantes des briques 24. Les passages 32 sont ainsi de plus grande section que les passages 27. Les passages 33 s'étendant à travers les briques 31 ont des surfaces dentelées désignées par 34. Ces dentelures 34 sont plus aplities que les dente- lures 29 et la section des passages 33 est plus grande que celle des passages 28.
Il doit être entendu que les.formes typiques re- présentées sur les Fig. 4 et 5 peuvent être utilisées seules ou en combinai.son avec les formes représentées sur la Fig.2.
Par exemple la forme de la Fig. 4 présentant la moindre section de passage peut être utilisée pour la partie infé- rieure d'un appareil, la forme de la Fig. 5 peut être utili-
<Desc/Clms Page number 13>
sée pour une zône intermédiaire, et la forme de construction représentée sur la Fig. 2 peut servir pour la partie supé- rieure de l'appareil. Il doit aussi être entendu que, dans ce cas, on ne logera pas de briques libres dans les passages de l'appareil.
La fig.8 représente les surfaces de rencontre de briques superposées décalées de 90 l'une par rapport à l'autre. Afin d'éviter la grande réduction de la section de passage du fluide, qui se produirait en ce point si les bri- ques étaient du type habituel, les surfaces de rencontre des briques sont coupées comme c'est montre en 45. Etant coupées sauf en leur partie médiane où elles se touchent, les briques laissent libre passage au gaz. Il est entendu qu'une seule forme de briques spéciales est nécessaire dans ce but, car deux briques adjacentes sont identiques de forme, l'une étant seulement retournée par rapport à l'autre.
Dans l'exécution représentée sur la Fig. 9, les briques libres 46 présentent des parties concaves 47 et des parties convexes 48 qui augmentent la surface de contact pour la transmission de chaleur et ménagent des passages sans coins étroits qui ne sont, dans une certaine mesure, que des espaces perdus. Les briques 49 de la FigolO ont la même forme générale que celles de la Figo9, mais un des côtés 50 est dentelé, ce qui augmente la surface de contact et contribue à la production des remous qui amé- liorent le,contact et la transmission de chaleur. Les bri- ques peuvent être alternativement ou de place en place re- tournées de 180 , de façon que dans une même pile les faces soient tantôt lisses, tantôt dentelées.
La Fig.11 montre dans les passages 11 des briques
<Desc/Clms Page number 14>
libres 51 à contour angulaire. Les briques inférieures 53 sont représentées comme ayant des faces angulaires faisant plus fortement saillie dans les passage. Des briques sem- blables 54 sont logées dans les passages 17 et des briques plus épaisses 55 sont montrées en dessous des briques 54. Bien que des briques de deux épaisseurs seulement aient été re- présentées sur la Figure, il est entendu qu'un grand nombre d'épaisseurs différentes de briques de même allure générale peuvent être illtilisées, si on le désire. Les briques 55 de la Fig. 12 présentent des parties convexes 56, mais pas de parties concaves comme celles représentées sur la Fig. 9.
Sur la Fig. 13 les briques 19 logées dans les passages 17 sont semblables à celles de la Fig. 2, et de même, les briques 22 placées dans les passages 11 sont semblables à celles de la Fig 2. Cependant, au lieu de poser un certain nombre de bri- ques dans un sens et puis de décaler d'autres briques de 90 , dans cette exécution les briques sont légèrement décalées l'une par rapport à l'autre de façon à former un passage graduellement tordu pour le courant de gaz. Bien entendu toutes les formes représentées le sont à titre d'exemple et beaucoup d'autres formes de briques peuvent être utili- sées.
Les briques libres montrées sur les dessins sont supportées dans les passages de préférence au moyen de tiges ou de barres 15 en fer ou en acier, représentées en coupe sur la Fig. 3 et aussi sur la Fig. 2. Ces barres peuvent traverser des blocs spéciaux pourvus d'encoches 14 et placés à la partie inférieure de l'appareil. Dans la forme d'exécution préférée la couche inférieure de briques 16 ne comporte pas de briques libres et les barres 15 repo- sent sur cette couche inférieure tout en étant logées dans
<Desc/Clms Page number 15>
les encoches 14 à la base de la couche suivante de briques.
D'autres séries de tiges 15 peuvent être disposées à diffé- rents niveaux de la construction de façon que les briques libres ne soient pas toutes supportées directement par la base.
En vue d'augmenter la stabilité de la structure, des briques 16 partielles,c'est-à-dire de hauteur réduite, seront prévues. Grâce à l'emploi de telles briques à la partie inférieure de la structure., les briques peuvent être empilées de façon à ce que les joints horizontaux entre bri- ques superposées soient situés dans des plans différents dans des colonnes de briques adjacentes. Par cette alternance des joints,, la structure sera rendue plus stable, car aucu- ne couche horizontale de briques ne pourra se déplacer par rapport aux couches supérieures ou inférieures. L'alternance des joints horizontaux facilite également l'érectionde l'empi- lage.
La façon de supporter les'briques inférieures est re- présentée sur les Fig. 6 et 7. La partie centrale de l'appareil est désignée par 36 et le revêtement extérieur par 37. Les voûtes 38 de support s'étendent radialement de la partie cen- trale jusqu'à la paroi 39 en briques. Sur ces voûtes reposent un certain nombre de poutres métalliques 40 de support. Ces poutres 40 se composent de plusieurs sections à joints imbri- qués 41. Autant que possible les sections et les joints imbriqués sont de telle longueur que les extrémités superpo- sées de deux barres adjacentes reposent entièrement sur une voûte 38 supportant les briques. Comme le montre la partie inférieure de la Fig. 6, les briques 16 reposent directement surles pièces métalliques 40.
Ces barres sont dimensionnées
<Desc/Clms Page number 16>
et espacées de façon à laisser entièrement libres les passa- ges verticaux 11 et 17. On remarquera que les briques spécia- les 16, comme le montre la figure, ne seront pas découpées pour remplir les parties irrégulières de la structure,, mais qu'on y disposera de préférence des briques 42 de forme rec- tangulaire habituelle.
Bien qu'on ait décrit certaines formes préférées de briques et d'empilages permettent d'atteindre le but con- sistant à égaliser les vitesses des gaz échangeant de la cha- leur dans l'empilage, il existe beaucoup d'autres formes de briques et d'empilages permettant d'atteindre ce but, et tous les changements et modifications ultérieurs sont considérés comme tombant dans les limites des revendications ci-dessous.
La construction sert également à augmenter la surfa- ce de chauffe effective totale aussi bien qu'à égaliser les vitesses d'écoulement et de plus elle fournit une structure plus robuste et plus stable que les types habituels de cons- truction. Les briques et les constructions sont de formes simples et permettent la fabrication et l'installation écono- miques.
-:- REVENDICATIONS -:- -----------------------------
1) Empilage de briques se composant de briques formant des couches superposées, présentant des passages continus s'étendant verticalement à travers l'empilage, et des corps indépendants logés dans ces passages en vue d'en réduire la section effective de passage offerte aux gaz.
<Desc / Clms Page number 1>
Brick stacking improvements
This invention relates to an improved arrangement of stacks of bricks for heat exchange apparatus and more particularly to an arrangement capable of substantially improving the efficiency of heat transfer in the stacks and of increasing the efficiency of heat transfer in the stacks. the heating surface of a given device.
Heat exchange devices for heating the air of blast furnaces were built with stacks of different models. The piling usually employed consists of bricks laid on the field in such a way as to leave square openings. Previously, hexagonal bricks with round openings were often used.
Other special shapes were used in the past, generally in order to give more rigidity to the columns and to avoid the displacement of the bricks under pressure.
<Desc / Clms Page number 2>
expanded walls of the combustion chambers, but in all cases the passage openings in the stack were of the same section from top to bottom and the heating surface was the same in any cross section of the stack at any level of the apparatus, the height of which usually varies between approximately twenty-four meters and thirty-four meters.
This uniform construction has the disadvantage that the bricks at the top do most of the work of heat exchange, both during the period of their heating up and when they give up their heat to the heated fluid. The bricks at the top are heated to near the temperature of the combustion chamber, ie to light red, while the bricks located about ten meters below are heated to dark red. Below this level, the bricks remain black and the bottom half of the stack provides very little work.
In other words, the temperature at the top of the stack is usually around 1100 C, ten meters lower it is around 650 C and fifteen meters lower it is only around 430 C or very close to the temperature at the chimney which is usually around 320 C.
Two reasons make the work done by the lower part of the stack inefficient. One of the reasons is that the heat exchange is all the faster and more penetrating the greater the difference in the temperatures of the heat-changing media. In other words, heat transmission is a function of the heat peak, but it is also a function of the speed of the gases. If the stacking bricks are the same over the entire height
<Desc / Clms Page number 3>
of the stack and if the total passage section is the same from top to bottom, the speed of hot gases is much greater at the top of the stack than at the bottom, as is the speed of cold air at the top of the stack is much larger than at the bottom.
If the temperature is 11000C at the top of the stack and 320C at its base, the speed ratio is approximately two and half to one. In the case of cold air, if high blowing temperatures are reached, the difference is even greater, the speed ratio approaching three to one.
The present invention provides a type of stacking which enables the dimensions of the stack openings at the bottom of the apparatus to be reduced as compared to those at its top, which results in equalization of speeds in the apparatus. any desired measure. As a continuous reduction in the size of the flues from layer to layer from top to bottom would require too many bricks of different sizes, it is preferable to only make the reduction three or four times.
The recommended stacking brick is octagonal in shape and, of its eight faces, four are much wider than the other four. This octagonal brick has a circular opening in the center. The four larger faces form the walls of the square openings in the stack, as shown in the drawing. To facilitate manufacture, these bricks can be divided vertically, along a plane passing through the central opening, into two distinct bricks.
All of these bricks, however, can easily be made into a continuous bead of clay forced through the channels of an ordinary brick or tile machine.
<Desc / Clms Page number 4>
Octagonal bricks have already been used previously, leaving square openings between them, but these bricks had substantially equal faces.
The advantage of making the faces forming the square openings wider is that the area of the bricks between each pair of circular openings is reduced. It will be noted that with the octagonal shape of the stacking bricks, the central part of the masonry between two circular openings is located at the maximum distance from the walls of the flues and is therefore the least accessible to the hot current and the least useful for the heat transmission.
By lengthening the walls of the square openings, these areas are significantly reduced. As a result, the stacking efficiency is relatively improved compared to that of stacks constructed with octagonal bricks with equal faces as they were used before.
In order to reduce the cross sections of the openings of the pile from the top to the base, bricks with thinner walls can be used in the upper zone of the pile and bricks with heavier walls in the lower zone, so to graduate the construction by placing preferably, as explained above, three or four zones in the stack, the lower zone of the column having walls of 6.25 cm thick, the median area of the walls of 5 cm and the upper area of the walls of 3.75 cm, which results in leaving openings in the upper area of 13 cm, in the median area of 10.65 cm and in the lower area 8 cm in diameter.
The wide faces of the octagonal bricks can be curved or angular, thus giving square openings with walls.
<Desc / Clms Page number 5>
curved or angular. This results in the reduction of the cross section of the square openings. These arrangements still have the advantage of consolidating the stacking at its lower part, the greater thickness of the walls making the construction more massive and more rigid and facilitating installation on the lower vaults thanks to the larger walls. thick at the points of contact with the vaults.
Another way to increase the speeds in the lower part over those in the upper zones is to insert infill bricks in the lower zones in order to produce the desired graduation. Free filling bricks are housed in the square and circular openings in the lower area. The ends of these bricks are preferably chamfered or rounded. The chamfering of the infill bricks for the square openings is made at the angles of 45 and the corresponding parts of the infill bricks for the circular openings are rounded so as to follow the contour of the circular holes in the octagonal bricks.
The advantage of giving such a shape to the infill bricks is that they are better assembled and make the structure more stable. It is desirable to accumulate the same amount of heat per unit area of the infill bricks. and the walls of the stack. If, for example, the wall thickness of the stack is 5 cm, that of the infill brick should be 5 cm also to transmit the same amount of heat per unit time. The faces of these bricks may be rounded, triangular or serrated. The two faces of the bricks can have different shapes and stacked bricks can be turned back-
<Desc / Clms Page number 6>
born completely so as to expose to the passages faces of different shapes.
The current will be broken and large surfaces will come into contact with the gases.
The filling bricks must be staggered in the successive vertical zones of the stack.
This has the advantage of forcing the gases as well as the hot air to travel through the zigzag passages and strike the upper surfaces of the filling bricks, in the case of gases, or their lower surfaces, in the case of air. . The zigzag course and the collisions produce vortices of the gas and the air, and the eddies bring shocks against the side walls which appreciably intensifies the heat transmission, according to well-established laws. In the middle zone, it is possible to accommodate filling bricks in the square openings only 'and not to accommodate any at all in the upper zone of the stack.
According to another embodiment, free filling bricks of different thicknesses are used which are housed in the passages at the various levels of the stack.
The thicker bricks are then housed in the lower zone, in the middle zone thinner bricks and the upper zone is preferably devoid of infill bricks. In all embodiments it is desirable to leave the passages in the upper part free because in this part the passages tend to be obstructed by suspended matter in the gases and in this hottest region. stacking bricks and solids tend to some extent to melt and sink thereby reducing the effective passage area for gases and air.
The bricks of the lower layer are preferably
<Desc / Clms Page number 7>
supported by metal bars made, for example, of heat resistant steel. These bars preferably rest directly on the top of the arches or pass through the walls and extend freely through the stack, from the wall of the combustion chamber to the side wall.
In order to reduce the movement caused by expansion and contraction, these bars can be made in one or more parts with interwoven joints. This method of support is new and can be applied to both infill and stack bricks. If metal bars are only used to support the infill bricks, they can rest on a lower layer of the stacking bricks which then does not include infill bricks.
The present invention aims to: provide an improved form of stacking bricks and brick stacks; to provide stacking bricks and stacking capable of significantly improving the efficiency of heating or heat transmission compared to that of current pilings of current construction; to provide a stacking brick and stack which will increase the heating surface of an appliance of given dimensions; to provide a stacking brick and stack of simple shape and construction which can be economically manufactured and installed.
Other objects will become apparent from the description below.
Certain embodiments of the present invention
<Desc / Clms Page number 8>
tion are shown by way of example in the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 is a partial horizontal section through a form of construction;
Fig. 2 is a similar view of a modified form of construction;
Fig. 3 is a perspective view of one of the bricks;
Fig. 4 is a view similar to Fig.l; showing another modification;
Fig. 5 is a view similar to Fig. 1 showing yet another modification;
Fig. 6 is a partial plan view, on a reduced scale, showing the way of supporting the bricks;
Fig. 7 is a partial section taken on line 7-7 of Fig.6;
Fig. 8 is a partial vertical section showing the special shape of the meeting faces of certain bricks;
Figs. 9 to 15 are partial horizontal sections showing other forms of stacking of loose bricks;
Fig. 14 is a vertical section through the construction shown in Fig. 2.
According to FIG. 3, the brick is preferably octagonal in shape and has a central opening 11 of circular cross section which passes right through it. The four less wide faces 12 of the brick alternating with the wider faces 13. It will be noted that the width of the faces 13 exceeds that of the faces 12 by at least one third of the width thereof. The distance measured diametrically between two opposite faces 12 is greater than that between two opposite faces 13.
<Desc / Clms Page number 9>
The brick shown in FIG. 3 has at its lower face notches 14 intended to receive the bar 15, the role of which will be explained in detail below.
It is understood that only part of the bricks have notches 14, most of the bricks being devoid of and being similar at both ends.
When stacking the bricks, a number of bricks 16 of FIG. 3 are placed together, with their narrow faces 12 in contact, as clearly shown in Figs. 1 and 2. This arrangement of the bricks separates the wider faces 13 which form the vertical passages 17 from each other. The dimensions of the central passages 11 in certain bricks used in the lower courses of the construction can be reduced as shown. the circular lines 18 shown in FIG. 1 and the passages 17 can be narrowed in the same way, as shown at 17 '.
In the form of construction shown in Fig. 2 the special free bricks 19 are housed in the passages 17, the ends 20 of these bricks having the desired shape to exactly follow the contour of the corners of the passages in which they are. laid diagonally. These filler bricks have a shape and dimensions such that they adapt freely enough to tolerate the dimensional deviations usually occurring during manufacture.
They are preferably dimensioned so as to have the same thickness as the walls surrounding the passages. Brick 19 can be laid in any diagonal direction, as shown in Fig. 2, and in the preferred form of construction a number of successive bricks of the
<Desc / Clms Page number 10>
column will be laid in the same direction, then a number of stacked bricks will be laid in the other direction offset from that of the first set of bricks. These bricks serve to divide the passages 17 and to reduce their effective passage section. It will be noted that the thickness of the brick 19 can be substantially the same as that of the wall between the faces 13 and the central passage 11 of the brick 16.
In this way, the loose bricks and those forming the body of the stack will also serve well to store the heat of the hot gases and to give it up to the blown wind.
The bricks 21 are similarly housed in the passages 11 formed in the bricks 16. These bricks 21 may have their ends 22 rounded to exactly match the contour of the passage of circular section in which they are housed.
It is understood that in the complete construction of a heat exchange apparatus using the form of construction shown in FIG. 2, the bricks 19 and 21 will preferably be laid in all the passages in the lower part of the apparatus. The effective passage section offered to the gases will thus be reduced at this point, where the hot volume of the gases / is reduced to a minimum, after they have given up their heat to the stack. Likewise, these minimum section flues will receive the relatively cold blown wind when its volume is minimum, before it expands as a result of the heat borrowed from the stack. In a middle zone of the apparatus, the bricks can be laid only in a series of passages, that is to say in passages 11 or 17.
When this mode of construction is used, the bricks will be
<Desc / Clms Page number 11>
preferably deleted in the passages 11 and placed in the passages 17 only. In this area of the apparatus, the hot gases will have a partially reduced volume, while the hot air will have partially expanded, and the additional space resulting from the removal of part of the bricks will provide sufficient section to maintain approximately uniform the speed of gas and hot air streams. In the upper area of the device, bricks will not be housed in any of the passage series.
Here the gases as well as the hot air are at their maximum temperature and require the largest passage section if their speed is to be maintained.
In the form of construction according to FIG. 2, the loose bricks are shown to be thicker at the lower part of the stack than at an intermediate part of it. In this execution, these bricks will be housed in all the vertical passages both in the lower area and in the intermediate areas. The variation in the thickness of the loose bricks will, however, take into account the desired reduction in cross-section of the passages which is greater in the lower zone and less important in the intermediate zone.
It is understood that, if desired, bricks of more than two dimensions can be employed so that there will be more than two zones with bricks of thickness decreasing as the zones approach the wall. upper zone, which will preferably have passages without free bricks.
The execution shown in Fig.l takes into account to a certain extent the desired reduction of the cross-section by including bricks with internal passage 11 whose
<Desc / Clms Page number 12>
dimensions decrease as the bricks approach the foot of the appliance. It is understood: that the passages 11 are not narrowed inside each brick and that there are no small continuous variations, but that normally bricks with different passage sections will be used for the different ones. superimposed areas of the device. Likewise, the sections of the passages 17 will be reduced as shown in Fig.l.
In the execution shown in FIG. 4, the bricks 24 have narrow contact faces 25 similar to the faces 12 of the bricks 16 shown in FIG. 3. The faces 26 of these bricks penetrate into the passages 27 and reduce their effective passage section while increasing the area of contact with the gases which pass through them. The central passages 28 in the bricks 24 have toothed faces, in order to increase the contant surface with the gases.
Fig. 5 shows an embodiment quite similar to that of FIG. 4, except that the faces 30 of the bricks 31 are more rounded than the corresponding faces 26 of the bricks 24. The passages 32 are thus of greater section than the passages 27. The passages 33 extending through the bricks 31 have serrated surfaces designated by 34. These serrations 34 are more flattened than the serrations 29 and the section of the passages 33 is greater than that of the passages 28.
It should be understood that the typical shapes shown in Figs. 4 and 5 can be used alone or in combination with the shapes shown in Fig.2.
For example the shape of FIG. 4 having the smallest passage section can be used for the lower part of an apparatus, the form of FIG. 5 can be used
<Desc / Clms Page number 13>
sée for an intermediate zone, and the form of construction shown in FIG. 2 can be used for the upper part of the appliance. It must also be understood that, in this case, no loose bricks will be accommodated in the passages of the apparatus.
Fig. 8 shows the meeting surfaces of superimposed bricks offset by 90 from each other. In order to avoid the great reduction in the fluid passage section, which would occur at this point if the bricks were of the usual type, the meeting surfaces of the bricks are cut as shown at 45. Being cut except in their middle part where they touch each other, the bricks give free passage to gas. It is understood that only one shape of special bricks is needed for this purpose, since two adjacent bricks are identical in shape, one only being turned over with respect to the other.
In the execution shown in FIG. 9, the free bricks 46 have concave parts 47 and convex parts 48 which increase the contact surface for heat transmission and provide passages without narrow corners which are, to a certain extent, only wasted spaces. The bricks 49 of FigolO have the same general shape as those of Figo9, but one of the sides 50 is serrated, which increases the contact surface and contributes to the production of eddies which improve the contact and the transmission of water. heat. The bricks can be alternately or from place to place turned 180 °, so that in the same stack the faces are sometimes smooth, sometimes notched.
Fig. 11 shows in the passages 11 of the bricks
<Desc / Clms Page number 14>
free 51 with angular contour. The lower bricks 53 are shown as having angular faces projecting more strongly into the passages. Similar bricks 54 are housed in the passages 17 and thicker bricks 55 are shown below the bricks 54. Although bricks of only two thicknesses have been shown in the Figure, it is understood that a large a number of different thicknesses of bricks of the same general appearance can be used, if desired. The bricks 55 of FIG. 12 have convex parts 56, but no concave parts like those shown in FIG. 9.
In Fig. 13 the bricks 19 housed in the passages 17 are similar to those of FIG. 2, and likewise, the bricks 22 placed in the passages 11 are similar to those in Fig 2. However, instead of laying a number of bricks in one direction and then shifting other bricks by 90, in this execution the bricks are slightly offset from each other so as to form a gradually twisted passage for the gas stream. Of course, all the shapes shown are by way of example and many other shapes of bricks can be used.
The loose bricks shown in the drawings are supported in the passages preferably by means of rods or bars of iron or steel, shown in section in FIG. 3 and also in FIG. 2. These bars can pass through special blocks provided with notches 14 and placed at the bottom of the device. In the preferred embodiment, the lower layer of bricks 16 does not include loose bricks and the bars 15 rest on this lower layer while being housed in.
<Desc / Clms Page number 15>
the notches 14 at the base of the next layer of bricks.
Other sets of rods 15 can be arranged at different levels of the construction so that not all loose bricks are directly supported by the base.
In order to increase the stability of the structure, partial bricks 16, that is to say of reduced height, will be provided. By using such bricks in the lower part of the structure, the bricks can be stacked so that the horizontal joints between superimposed bricks are located in different planes in adjacent brick columns. By this alternation of joints, the structure will be made more stable, because no horizontal layer of bricks will be able to move in relation to the upper or lower layers. The alternation of horizontal joints also facilitates erection of the stack.
The way of supporting the lower bricks is shown in Figs. 6 and 7. The central part of the apparatus is designated 36 and the outer skin 37. The support arches 38 extend radially from the central part to the brick wall 39. On these arches rest a number of metal support beams 40. These beams 40 consist of several interlocking joint sections 41. As far as possible the interlocking sections and joints are of such length that the superposed ends of two adjacent bars rest entirely on an arch 38 supporting the bricks. As can be seen from the lower part of FIG. 6, the bricks 16 rest directly on the metal parts 40.
These bars are dimensioned
<Desc / Clms Page number 16>
and spaced so as to leave the vertical passages 11 and 17 entirely free. Note that the special bricks 16, as shown in the figure, will not be cut to fill the irregular parts of the structure, but that bricks 42 of the usual rectangular shape will preferably be placed there.
Although some preferred forms of bricks have been described and stacked which achieve the goal of equalizing the velocities of the heat exchanging gases in the stack, there are many other forms of brick. and stacks to achieve this object, and all subsequent changes and modifications are considered to be within the scope of the claims below.
The construction also serves to increase the total effective heating area as well as to equalize flow velocities and moreover it provides a more robust and stable structure than usual types of construction. Bricks and constructions are simple in shape and allow economical fabrication and installation.
-: - CLAIMS -: - -----------------------------
1) Stack of bricks consisting of bricks forming superimposed layers, having continuous passages extending vertically through the stack, and independent bodies housed in these passages in order to reduce the effective section of passage offered to the gases .