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"ECHANGEUR METALLIQUE DE CHALEUR ENTRE FLUIDES"
L'objet de la présente invention consiste à établir un échangeur métallique de chaleur entre fluides ou courants pour régimes à haute température, notamment un appareil de réchauffage d'air ou réchauffair à haute température dont les organes sont construits, assemblés et disposés de telle manière qu'ils ne se détériorent pas à des températures élevées aux- quelles les échangeurs métalliques de chaleur usuelle résis- tent pas.
Les réchauffairs métalliques connus établis en fonte ou en acier ne conviennent que pour des températures inférieures à 350 à 400 C.
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Les réchauffairs métalliques adaptés aux hautes températu- res ne sont pas encore, jusqu'à présent, entrés dans le domaine de la pratique, pour les différents motifs suivants : a) En premier lieu, les aciers utilisés habituellement ne présentent pas une résistance suffisante à l'oxydation et à la corrosion très vives par les fumées ou vapeurs à haute tem- pérature, ni une résistance mécanique suffisante aux coups de feu particulièrement destructeurs se produisant inévitablement dans toute chaufferie industrielle.
Il a fallu que, tout récem- ment, certains aciers spéciaux soient devenus de production industrielle courante, pour permettre la réalisation ration- nelle de ce problème. b) Ensuite, aux températures élevées, la transmission par radiation, de la chaleur au métal devient plus importante que la transmission par convection, et le jeu des dilatations très grandes et très inégales par suite des surchauffes locales, amène rapidement la mise hors service par distorsion des appa- reils conçus pour les basses températures. c) Enfin, la masse des réchauffeurs métalliques connus n'est pas assez importante pour constituer le volant de cha- leur indispensable dans la grande majorité des cas.
DESCRIPTION GENERALE.
L'invention comporte un ensemble de particularités per- mettant d'obvier à ces divers inconvénients; elle réalise un type d'échangeur métallique de chaleur entre fluides ou cou- rants, qui est pratiquement utilisable à des températures de l'ordre de 1000 0. (température du métal). a) Pour réaliser ce but, l'invention prévoit un emploi judicieux d'aciers spéciaux, indispensables à la sécurité de marche de l'appareil, et un mode de construction économique approprié,,à partir de tôles laminées brutes, ce qui ramène à un minimum le capital à immobiliser et par suite la durée
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d'amortissement de l'appareil.
b) L'installation de l'appareil est conçue de manière à tenir parfaitement compte des particularités des régimes à haute température, particulièrement de l'importance de la ra- diation et des dilatations. Elle prévoit une transmission uni- forme de la chaleur sur toute la surface métallique et permet la libre dilatation dans tous les sens des éléments constitutifs de l'appareil, en assurant ainsi la bonne conservation de ce dernier. c) En outre, l'installation est pourvue du volant de cha- leur nécessaire à la stabilité du régime de température; ce volant de chaleur, formé par des empilages de briques ou ana- logues, sera de grandeur appropriée aux données de chaque cas particulier.
Suivant le cas, ce régulateur sera disposé dans le circuit du fluide chaud, dans le circuit du fluide réchauffé ou bien simultanément dans les deux circuits.
EXEMPLE DE REALISATION.
A titre d'exemple, les dessins annexés représentent lins- tallation d'un réchauffair à haute température avec régulateur de température, pour volume d'air réglable et température va- riable des fumées , gaz ou vapeurs.
Dans ces dessins,
Figure 1 montre une vue en coupe longitudinale verticale suivant la ligne B-B de la Fig. 2.
Fig. 2 montre une vue en coupe horizontale suivant la ligne C-C de la Fig. 3.
Fig 3 montre une vue en coupe transversale suivant la ligne A-A de la Fig. 1.
Dans l'exemple montré aux dessins, les fumées venant de la chaufferie entrent suivant la flèche a dans la chambre 5 contenant l'empilage de briques ou analogues. En suivant
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les flèches b et c les fumées pénètrent dans les logettes 4, 4', échauffent l'air circulant dans les collecteurs 2,2' et les tubes 1, l'. Finalement, elles sont évacuées par la chemi- née (flèche d)
Dans l'exemple représenté, le réchauffair proprement dit se compose de deux éléments parallèles dont chacun comporte un faisceau de tubes horizontaux 1, l'et deux collecteurs ver- ticaux 2, 2', quoique l'appareil pourrait également se réali- ser avec des collecteurs horizontaux et des tubes verticaux.
Chaque élément est suspendu, par exemple, par un des abouts de chaque collecteur et par une plaque 9, 9' soudée à la partie médiane des tubes et pourvue d'une tige de suspension 10, 10'..
Le réchauffair suivant l'invention est entièrement soudé afin d'assurer une étanchéité parfaite et une sûreté complète pendant la marche sous forte pression. Dans ces conditions, il est nécessaire de tenir compte de l'éventualité d'une dilata- tion inégale et même irrégulière des divers éléments tubulai- res assemblés sur les mêmes collecteurs, ainsi que des collec- teurs eux-mêmes. Afin d'éviter le flambage ou la torsion des tubes par suite de ces dilatations inégales, l'invention pré- voit des moyens appropriés qui absorbent les différences de dilatation des tubes métalliques. Ces moyens consistent spé- cialement en l'assemblage des tubes à une face plane, de gran- deur convenable, du collecteur, qui présente, en coupe trans- versale, la forme d'une ogive à sommet arrondi (Fig. 2).
La face plane du collecteur en tôle absorbe facilement et sans le moindre danger de dérangement, les dilatations inégales des tubes 1. En cas de besoin, le profil d'assemblage peut être modifié d'une manière appropriée afin d'absorber sans diffi- cultés des différences de dilatation anormales de tubes voi- sins.
En vue de permettre la libre dilatation de l'ensemble des tubes 1, 1'au moins, la suspension des collecteurs 2,2' est
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articulée ou élastique et montée sur billes. L'étanchéité de la chambre de fumée est assurée par un joint hydraulique 3, 3 Dans le cas où cette suspension est prévue pour un des collec- teurs seulement, c'est le collecteur d'arrivée d'air froid qui est le mieux désigné. Ce collecteur sera alors simplement monté sur ressorts, sans roulement à billes.
En ce qui concerne le raccordement des collecteurs à leurs tuyauteries respectives, les collecteurs sont pourvus d'une suspension spéciale sur billes, et principalement de rac- cords parfaitement élastiques.
En ce qui concerne la suspension mobile, c'est le collec- teur d'air froid qui est le mieux désigné lorsque cette sus- pension spéciale n'est prévue que pour un des collecteurs.
Dans certains cas, il peut être utile de réunir les tubes par des plats soudés 11, 11' qui facilitent également le nettoyage des tubes par battage.
Chaque élément du réchauffair est placé dans une logette 4 prévue dans la maçonnerie. Cette disposition tient compte de la transmission prépondérante de chaleur par radiation, et permet d'obtenir des radiations du même ordre de grandeur sur les différentes surfaces métalliques, en tenant compte de l'é- chauffement de l'air à l'intérieur du réchauffair et du refroi- dissement de la fumée à l'extérieur de ce dernier.
Comme la suspension spéciale décrite ci-dessus permet de ramener au centre de la logette l'appareil qui s'en serait écarté soit par changement de régime, déformation permanente ou autres causes, on conçoit que la radiation sera toujours uni- forme sur toute l'étendue de la surface de l'appareil.
L'invention permet en outre de remédier à l'inconvénient résultant du fait que les tubes supérieurs se trouvent dans une zone de température différente de celle des tubes nfé rieurs, et partant se dilatent différemment.
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A cette fin, l'invention prévoit, à l'entrée et à la sortie des logettes, un dispositif de répartition approprié pour le courant des fumées. Ce dispositif peut être constitué soit par un diaphragme de profil approprié, formé par une pla que métallique ou organe réfractaire disposé à l'entrée et à la sortie de la logette, soit par des collecteurs dont la sec- tion transversale varie dans le sens de la hauteur.
De plus, l'épaisseur de la maçonnerie couvrant les lo- gettes est réglable, offrant ainsi une faculté de refroidis- sement des tubes supérieurs, tandis que la zone des tubes in- férieurs reste exposée à la chaleur transmise par radiation et par convection, de la voûte de la chambre d'empilage, dispo- sée en-dessous.
Malgré toutes les précautions prises, il se produit encore des écarts de dilatation pendant la marche, lesquels écarts sont absorbés sans aucune résistance, par le mo de d'as- semblage et la suspension spéciale décrite ci-dessus.
L'installation suivant l'invention comprend ensuite un empilage de briques ou autres éléments de remplissage, dis- posé dans une chambre contigüe aux logettes 4, 4' et unique- ment dans le circuit des fumées. Dans l'exemple représenté, cette chambre 5 est située en-dessous des logettes 4,4'.
Cet empilage constitue premièrement un volant de chaleur fonctionnant comme régulateur de température et secondement, il protège d'une manière très sûre les éléments métalliques contre les coups de feu même très violents, se produisant iné- vitablement dans toute chaufferie industrielle.
REGLAGE DE LA TEMPERATURE DE L'AIR. ET BY-PASSAGE DU RECHAUF LA,?-.
Afin de pouvoir répartir à volonté les fumées en une proportion quelconque entre le circuit empilage - réchauffair
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et l'accès direct à la cheminée d'évacuation (by-pass), (flèches e f) l'invention prévoit deux registres en ré- fractaire 6,6;' disposés de part et d'autre de l'empilage.
En cas de besoin, on peut régler également la quantité de fumée admise dans l'une quelconque des logettes 4, 4', en utilisant les moyens de réglage habituels, notamment en dia- phragemet de manière appropriée les sections d'entrée et de sortie, soit individuellement, soit simultanément.
REGLAGE DU VOLUME D'AIR.
Le volume d'air passant par chaque élément du réchauf- fair, peut être réglé à volonté par diaphragme ou autres pro- cédés de réglage habituels.
Dans l'installation suivant l'invention, on applique en général le principe du contre-courant. Dans certains cas, toutefois, il y aura avantage à recourir aux courants paral- lèles, en dépit de la diminution du rendement qui en résulte.
Cette chute de rendement est, dans ces cas, largement compen- sée par la réduction sensible de l'écart entre les températu- res et les dilatations du métal au collecteur d'entréeét au collecteur de sortie, ainsi que par une protection plus efficace contre les coups de feu, ce qui assurera, dans ces cas particuliers, la bonne conservation de l'appareil et son amortissement normal.
DISPOSITIF DE SECURITE.
Lors de l'arrêt voulu ou accidentel du soufflage d'air froid, le réchauffair reste exposé, sans refroidissement, à la radiation des parois de la maçonnerie, et est porté rapide- ment à une température notablement supérieure à la température de régime, ce qui peut entraîner la destruction des organes métalliques.
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Suivant l'invention, on obvie à cet inconvénient, par exemple au moyen d'un dispositif de sûreté à électro-aimant 7, branché sur l'interrupteur du moteur du ventilateur. L'électro- aimant soutient un clapet 8 jusqu'au moment où l'interruption du courant du moteur provoquer la chute du dit clapet 8.
Un courant d'air froid extérieur (voir flèche g, Fig.l), est ainsi amené, par tirage naturel, à l'intérieur des loget- tes 4, 4' , assurant ainsi le refroidissement progressif du réchauffair métallique, sans refroidir d'une manière directe l'empilage chaud.
Dans d'autres cas, le clapet 8 pourrait être actionné sous l'action de la chute de la pression ou de la vitesse de circulation de l'air froid dans le réchauffair en réglant de cette manière une admission déterminée d'air froid dans le cir- cuit des gaz chauds. Une application simple de ce principe consiste en un piston pneumatique commandant le dit clapet et actionné par la pression de l'air circulant dans le réchauffair.
Il est bien entendu que ce refroidissement peut également être obtenu par injection d'eau, sous forme de vapeur, eau pul- vérisée ou analogue, tant à l'extérieur qu'à l'intérieur des appareils échangeurs. L'admission d'eau peut se faire par exemple à l'aide de dispositifs électriques, pneumatiques, ther. miques ou autres, fonctionnant automatiquement à l'interven- tion d'arrêt de courant électrique, de perte de pression de fluide ou d'élévation de température au- delà d'une limite dé- terminée.
APPAREILLAGE DE CONTROLE ETC..
L'installation est en plus pourvue de l'appareillage usuel de contrôle, ainsi que de certains aménagements propres aux fours et récupérateurs réfractaires.