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"APPAREIL A CHAUFFER LE VENT OU DISPOSITIF ANALOGUE POUR L'ECHANGE DE LA CHALEUR DANS LEQUEL L'UNE AU MOINS DES MATIERES UTILISEES EST UN GAZ"
Depuis qu'on sait fabriquer à un prix relative- ment modique des métaux résistant aux hautes températures et incombustibles à ces températures, on ne construit plus les appareils à chauffer le vent pour les hauts- fourneaux ou les dispositifs analogues pour l'échange de la chaleur fonctionnant à température élevée,exclusivement en pierres réfractaires,et on n'applique plus le procédé de régénération, mais on construit ces appareils ou dispo" sitifs en métal comme les appareils échangeurs de chaleur
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destinés à fonctionner à des températures plus basses.
Comme la transmission de la chaleur du gaz de chauffage à la paroi ou de la paroi à la matière à chauffer est re- lativement faible dans le cas des gaz, on donne, le plus souvent, à ces appareils des surfaces de chauffe très grandes. Par conséquent,, ces appareils sont encore tou- jours très coûteux, d'autant plus qu'il faut utiliser, pour leur construction, du matériel résistant aux temné- ratures élevées. Il est vrai qu'on sait qu'en aug- mentant la densité et la vitesse d'écoulement des fluides dégageant et absorbant de la chaleur, la transmission de chaleur est accrue. Mais une élevas tion de la pression (de la densité) et de la vitesse offre de grosses difficultés.
Il faut en effet des installations spéciales, tel qu'un compresseur avec les machines d'entraînement correspondantes, des conduites de gaz résistant à la pression, etc.. Mais il faut aussi une grande dépense d'énergie pour l'en- trainement du compresseur. Cette énergie d'entrai.. nement peut mettre en péril l'économie de l'ensemble de l'installation et par conséquent annuler les avan- tages obtenus par la diminution des surfaces de chauf- fe apportée par l'augmentation de la pression et de la vitesse.
L'augmentation de la pression et de la vites- se du gaz de chauffage seul ou des deux fluides ne donne des avantages et ne paie les dispositifs spé- ciaux nécessaires à cet effet que si l'augmentation de pression et de vitesse est importante et si la commande du compresseur nécessaire se fait au moyen
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d'un moteur qui reçoit son énergie en entier ou pour la plus grande partie des gaz de chauffage mêmes.
L'utilisation de métaux résistant aux tempéw ratures élevées, pour la construction des surfaces de chauffe, interdit l'utilisation de gaz de chauf- fage à températures élevées qui se produisent lors de la combustion des mélanges habituels. On est donc obligé de travailler avec des excès d'air assez importants pour abaisser la température initiale du courant des gaz de chauffage. Mais on diminue ainsi de façon sensible le rendement de l'installation.
Pour éviter cette diminution du rendement, il faut refroidir les gaz de chauffage au moyen d'un autre dispositif approprié absorbant la chaleur avant que les gaz de chauffage pénètrent dans l'appareil à chauffer le vent ou dans le dispositif échangeur de chaleur. On peut envisager comme dispositif appro prié de ce genre des générateurs de vapeur. Si l'on utilise, comme générateur de vapeur, des générateurs chauffés sous pression et travaillant avec de gran- des vitesses d'écoulement pour les gaz de chauffage, les dispositifs nécessaires pour engendrer les vi- fesses élevées dans l'appareil à chauffer le vent ou le dispositif échangeur de chaleur,existent déjà.
L'objet de la présente invention consiste en un appareil à chauffer le vent ou un dispositif analogue pour l'échange de la chaleur, en amont du- quel on monte un générateur de vapeur dans lequel les gaz de chauffage passent le long des surfaces de chauffe avec une vitesse élevée, le mouvement des
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gaz de chauffage dans le générateur de vapeur et dans l'appareil à chauffer le vent étant obtenu au moyen du même compresseur, ce compresseur étant en- trainé par une turbine à Gaz dont le fluide moteur est constitué par le gaz de chauffage.
La Fig. 1 représenté le schéma d'une instal lation de ce genre. 1 désigne un four qui sert uni- quement à produire les gaz de chauffage, ou un autre appareil fournissant les gaz de chauffage comme sous- produit d'une opération chimique ou thermique quel- conque. Ce four ou appareil est sous une pression plus élevée maintenue au moyen du compresseur 2.
Le compresseur 2 fournit par exemple l'air de com- bustion. Les produits chauds de la combustion pénè- trent ensuite dans l'appareil 3 pour l'échange de la chaleur, que ces produits traversent avec une grande vitesse et dans lequel ils abandonnent la plus grande partie de leur chaleur sur des surfaces relativement petites, en raison de leur grande densité et de leur vitesse élevée. La plus grande partie de la chute de pression est utilisée, au contraire, dans la turbine à gaz suivante 4 et transformée en travail pour l'en- traînement du compresseur 2. Si les gaz sortant de la turbine à gaz contiennent encore des quantités de chaleur assez grandes, on peut prévoir un autre ap- pareil pour l'échange de la chaleur 5.
Le fluide à chauffer, l'air par exemple dans le cas des appareils à chauffer le vent ou les appareils analogues, entre froid en 6 dans le premier appareil d'échange de la chaleur et il quitte chaud le deuxième appareil d'é- change de la chaleur en 7. Si la puissance d'en-
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traînement de la turbine à gaz ne suffit pas entiè- rement pour produire la puissance de compression, on prévoit encore un moteur additionnel 8 qui peut aussi être utilisé pour le démarrage ou le réglage de l'ins- tallation. Le moteur additionnel est une turbine à vapeur, un moteur électrique ou encore un moteur à combustion interne.
Dans beaucoup de cas, le fluide à chauffer devra être à une certaine surpression, comme c'est le cas, par exemple, du vent dans les appareils à chauf- fer le vent des installations de hauts"fourneaux.
Il faut, pour produire cette surpression, un compresseur : la soufflante pour hauts-fourneaux, qui exige une puissance d'entraînement assez grande.
Cette puissance d'entraînement peut alors être four- nie par une turbine à vapeur dont la vapeur est pro- duite dans une chaudière qu'il est très avantageux de monter en amont des appareils à chauffer le vent (appareils échangeurs de la chaleur). Pour produire les gaz de chauffage, on utilise alors l'appareil de chauffe d'une chaudière à vapeur. L'étage supérieur de température des gaz de chauffage est utilisé dans le générateur de vapeur, de sorte que les gaz de chauffage arrivent au premier appareil échangeur de la chaleur, à l'état déjà sensiblement refroidi.
Par ces dispositions, il est possible de travailler avec des mélanges de fluide combustible très riches en chaleur, donc avec un petit excès d'air, sans qu'on nuise aux surfaces de chauffe de l'appareil d'échange de la chaleur par des températures trop élevées, car même les métaux les plus résistants à
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la chaleur sont incapables de résister de façon du rable à la pleine température de combustion de mé- langes combustibles riches.
Sur la Fig. 2 est représentée schématiquement une installation de ce genre. 10 désigne une chau- dière à vapeur, dont la chambre de combustion est alimentée en gaz et en air sous pression au moyen des deux ventilateurs 11 et 12. Le mélange brûle sous une pression supérieure et les produits de la combustion abandonnent leur chaleur d'abord, dans la chaudière à vapeur, à l'eau d'alimentation entrant en 13, qui se transforme en vapeur. Les gaz en par- tie refroidis pénètrent ensuite dans l'appareil 14 à chauffer le vent, où ils abandonnent une nouvelle quantité de chaleurt puis ils arrivent encore chauds dans la turbine à gaz 15.
Après la turbine à gaz, ils traversent un deuxième appareil à chauffer le vent 16 et arrivent enfin en plein air s'ils ne contiennent plus suffisamment de chaleur utilisable pour le réchauffage d'eau d'alimentation ou une transmission de chaleur analogue à faible température.
La turbine à gaz 15 entraîne les deux compres seurs 11 et 12. Cette turbine à gaz est complétée par la turbine à vapeur 17 qui reçoit ordinairement sa vapeur de la chaudière 10, et, au moment de la mise en marche, d'une autre source quelconque. La produc- tion principale de la chaudière 10 est utilisée pour l'entraînement de la soufflante de haute-fourneaux 18 et de la turbine à vapeur 19. La soufflante fournit le vent pour le haut-fourneau 20, le chauffage du
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vent est obtenu au moyen des deux réchauffeurs 16 et 14 parcourus successivement.
La division de l'appareil à chauffer le vent en plusieurs éléments, dont une partie est disposée avant la turbine à gaz et l'autre après cette turbi- ne, permet que chacune de ces parties, ainsi que la turbine à gaz, soient alimentées aux températures les plus favorables à leur construction et à leur fonctionnement. Les matériaux de construction peu- vent résister à des températures beaucoup plus éle- vées, lorsqu'ils sont soumis à des fatigues réduites, comme dans le cas par exemple d'un appareil fixe pour l'échange de la chaleur, que dans le rotor, par exemple, de la turbine à gaz, où se produisent de grandes forces centrifuges et de flexion.
Par consé- quent, on peut utiliser les mêmes matériaux ou des matériaux analogues résistant aux températures éle- vées pour la construction du premier appareil pour le chauffage du vent que pour les aubes de la turbine à gaz, quoique le premier appareil à chauffer le vent travaille dans une région de températures sensible- ment plus élevée que la turbine à gaz. Pour l'appa- reil à chauffer le vent monté après la turbine à gaz, on peut envisager, au contraire, l'emploi de matériaux moins coûteux, par exemple l'acier ordinai- re ou le fer forgé.
Dans l'installation représentée par la Fig. 2, le groupe compresseur pour la préparation du fluide de chauffage et de la vapeur est séparé du groupe compresseur pour la préparation du vent. Cette sé- paration est avantageuse parce qu'elle garantit
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l'indépendance de la production de vapeur. Mais on pourrait également penser à faire fournir l'air de combustion comprimé par la soufflante (soufflante de hauts-fourneaux), ce qui permet de supprimer le com- presseur pour l'air de compression. Ce couplage est possible dans le cas où la consommation de vapeur, le chauffage du vent et le débit du vent sont soumis aux mêmes variations.
Le principe de la présente invention repré- sentée par le système de l'installation décrite, pour le chauffage du vent et l'échange de la chaleur, consiste dans l'utilisation du gaz de chauffage sous une pression élevée et avec des vitesses d'écoulement élevées, dans le but d'obtenir de petites surfaces de chauffe et de petites sections pour les canalisa- tions pour le gaz de chauffage et, par conséquent, de donner des dimensions aussi réduites que possible aux appareils pour l'échange de la chaleur qui ne travaillent plus d'après le procédé de régénération, mais qui sont construits en métal pour constituer des transmetteurs de chaleur à circuit continu.
Pour pouvoir maintenir la pression, il faut accumu ler le gaz de chauffage. Pour l'accumulation, on uti- lise les tuyères d'une turbine à gaz dans lesquel- les le gaz de chauffage accumulé et encore chaud est transformé en fluide moteur. L'énergie nécessaire à la compression est récupérée entièrement ou pour la plus grande partie par la turbine à gaz, de sorte que l'économie d'encombrement et de poids de l'é- changeur de chaleur, obtenue par la compression, n'est pas annulée par les dépenses nécessaires au travail
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à fournir par le compresseur. Les pressions à envi- sager pour la compression sont comprises entre 2 et 3 atmosphères absolues.
Les vitesses des gaz de chauffage dans les échangeurs de chaleur sont au moins de 60 mètres par seconde, la chaudière à vapeur montée en amont des échangeurs de chaleur est cons- tituée avantageusement par une chaudière dite "Velox" qui fonctionne avec les vitesses d'écoulement des gaz de chauffage habituelles pour ces chaudières et qui sont voisines de 200 mètres par seconde.
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"WIND HEATING APPARATUS OR SIMILAR HEAT EXCHANGE DEVICE IN WHICH AT LEAST ONE OF THE MATERIALS USED IS A GAS"
Since we have known how to manufacture at a relatively low price metals resistant to high temperatures and incombustible at these temperatures, we no longer build wind-heating devices for blast furnaces or similar devices for the exchange of heat. heat operating at high temperature, exclusively in refractory stones, and the regeneration process is no longer applied, but these devices or devices are constructed in metal, such as heat exchanger devices
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intended for operation at lower temperatures.
Since the heat transfer from the heating gas to the wall or from the wall to the material to be heated is relatively low in the case of gases, these devices are usually given very large heating surfaces. Therefore, these devices are still very expensive, especially since it is necessary to use, for their construction, material resistant to high temperatures. It is true that by increasing the density and the flow rate of fluids which give off and absorb heat, the transmission of heat is increased. But a rise in pressure (density) and speed presents great difficulties.
Special installations are needed, such as a compressor with the corresponding drive machines, pressure-resistant gas lines, etc. But a great deal of energy is also required for the drive. compressor. This drive energy can jeopardize the economy of the entire installation and consequently cancel out the advantages obtained by the reduction in heating surfaces provided by the increase in pressure and speed.
The increase in the pressure and speed of the heating gas alone or of both fluids only gives advantages and pays for the special devices necessary for this purpose if the increase in pressure and speed is large and if the required compressor is controlled by means of
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of an engine which receives its energy entirely or for the greater part from the heating gases themselves.
The use of metals resistant to high temperatures, for the construction of the heating surfaces, prohibits the use of heating gases at high temperatures which are produced during the combustion of the usual mixtures. We are therefore obliged to work with sufficiently large excess air to lower the initial temperature of the heating gas stream. However, the efficiency of the installation is thus significantly reduced.
To avoid this reduction in efficiency, the heating gases must be cooled by means of another suitable heat-absorbing device before the heating gases enter the blast heater or the heat exchanger device. Steam generators can be considered as an appropriate device of this type. If one uses, as a steam generator, generators heated under pressure and working with high flow velocities for the heating gases, the devices necessary to generate the high speeds in the apparatus for heating the gas. wind or heat exchanger device, already exist.
The object of the present invention is an apparatus for heating the wind or a similar device for the exchange of heat, upstream of which is mounted a steam generator in which the heating gases pass along the surfaces of the heat. heats up with high speed, the movement of
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heating gas in the steam generator and in the heating apparatus, the wind being obtained by means of the same compressor, this compressor being driven by a gas turbine, the driving fluid of which consists of the heating gas.
Fig. 1 shows the diagram of an installation of this kind. 1 denotes a furnace which serves only to produce the heating gases, or another apparatus providing the heating gases as a by-product of any chemical or thermal operation. This oven or appliance is under a higher pressure maintained by means of the compressor 2.
Compressor 2 supplies, for example, the combustion air. The hot products of combustion then enter the heat exchange apparatus 3, which these products pass through with great speed and in which they give up most of their heat on relatively small surfaces, in due to their high density and high speed. The greater part of the pressure drop is used, on the contrary, in the next gas turbine 4 and transformed into work for the drive of the compressor 2. If the gases leaving the gas turbine still contain quantities of large enough heat, it is possible to provide another device for the heat exchange 5.
The fluid to be heated, the air for example in the case of wind heaters or similar devices, enters cold at 6 in the first heat exchange device and leaves the second exchange device hot. of heat in 7. If the power of
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The dragging of the gas turbine is not entirely sufficient to produce the compression power, an additional motor 8 is provided which can also be used for starting or adjusting the installation. The additional engine is a steam turbine, an electric motor or even an internal combustion engine.
In many cases, the fluid to be heated will have to be at a certain overpressure, as is the case, for example, of wind in blast furnace installations.
To produce this overpressure, a compressor is needed: the blower for blast furnaces, which requires a fairly large drive power.
This drive power can then be supplied by a steam turbine, the steam of which is produced in a boiler which is very advantageous to install upstream of the wind heating devices (heat exchanger devices). To produce the heating gases, the heater of a steam boiler is then used. The upper temperature stage of the heating gases is used in the steam generator, so that the heating gases arrive at the first heat exchange apparatus in the already substantially cooled state.
By these arrangements, it is possible to work with mixtures of combustible fluid very rich in heat, therefore with a small excess of air, without harming the heating surfaces of the heat exchange device by too high temperatures, because even the most resistant metals
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heat are incapable of resisting the full combustion temperature of rich fuel mixtures reliably.
In Fig. 2 is shown schematically an installation of this type. 10 denotes a steam boiler, the combustion chamber of which is supplied with gas and pressurized air by means of the two fans 11 and 12. The mixture burns under a higher pressure and the products of combustion give up their heat of combustion. first, in the steam boiler, feed water entering 13, which turns into steam. The partly cooled gases then enter the apparatus 14 to heat the wind, where they give up a new quantity of heat and then they arrive still hot in the gas turbine 15.
After the gas turbine they pass through a second wind heater 16 and finally arrive in the open air if they no longer contain enough usable heat for feed water reheating or similar low temperature heat transfer .
The gas turbine 15 drives the two compressors 11 and 12. This gas turbine is completed by the steam turbine 17 which usually receives its steam from the boiler 10, and, at the time of start-up, from another. any source. The main output of the boiler 10 is used to drive the blast furnace blower 18 and the steam turbine 19. The blower supplies the wind for the blast furnace 20, heating the blast furnace.
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wind is obtained by means of the two heaters 16 and 14 traversed successively.
The division of the device for heating the wind into several elements, one part of which is placed before the gas turbine and the other after this turbine, allows each of these parts, as well as the gas turbine, to be powered. at the most favorable temperatures for their construction and operation. The building materials can withstand much higher temperatures, when subjected to reduced fatigue, as in the case for example of a stationary device for heat exchange, than in the rotor , for example, of the gas turbine, where large centrifugal and bending forces occur.
Therefore, the same or similar materials resistant to high temperatures can be used for the construction of the first apparatus for heating the wind as for the blades of the gas turbine, although the first apparatus for heating the wind. works in a region of significantly higher temperatures than the gas turbine. For the wind heater mounted after the gas turbine, on the contrary, it is possible to envisage the use of less expensive materials, for example ordinary steel or wrought iron.
In the installation shown in FIG. 2, the compressor group for the preparation of heating fluid and steam is separated from the compressor group for the preparation of wind. This separation is advantageous because it guarantees
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independence of steam production. But one could also think of having the compressed combustion air supplied by the blower (blower of blast furnaces), which makes it possible to eliminate the compressor for the compression air. This coupling is possible in the case where the consumption of steam, the heating of the wind and the flow of the wind are subject to the same variations.
The principle of the present invention, represented by the system of the installation described, for heating the wind and exchanging heat, consists in the use of the heating gas under high pressure and with speeds of. high flow, with the aim of obtaining small heating surfaces and small cross-sections for the piping for the heating gas and, consequently, to give as small dimensions as possible to the apparatus for the heat exchange which no longer work according to the regeneration process, but which are made of metal to constitute continuous circuit heat transmitters.
In order to maintain the pressure, the heating gas must be accumulated. For the accumulation, use is made of the nozzles of a gas turbine in which the accumulated and still hot heating gas is transformed into working fluid. The energy required for the compression is recovered entirely or for the most part by the gas turbine, so that the saving in size and weight of the heat exchanger, obtained by the compression, does not is not canceled by the expenses necessary for work
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to be supplied by the compressor. The pressures to be considered for compression are between 2 and 3 atmospheres absolute.
The speeds of the heating gases in the heat exchangers are at least 60 meters per second, the steam boiler mounted upstream of the heat exchangers is advantageously constituted by a so-called "Velox" boiler which operates with the speeds of flow of the usual heating gases for these boilers and which are close to 200 meters per second.