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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.