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Appareil de chauffage tubulaire servant à porter des gaz à des températures élevées.
L'invention a pour objet un appareil de chauffage tubulaire servant à porter des gaz à des températures élevées.
Lorsqu'un gaz, par exemple de l'air, doit être chauffé à de hautes températures, par exemple à 5000, dans des appareils à tubes léchées par des gaz de combustion, il est nécessaire d'utiliser pour les éléments de l'appareil de chauffage des matériàux hautement réfractaires. Si, pour des raisons se rapportant au rendement, on ne peut prévoir aucun refroidissement, ou seulement un refroidissement artificiel insuffisant des organes, les supports nécessaires, par exemple pour les tubes, les parois, etc., ont cependant à transmettre des efforts et des charges relativement
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importants.
Mais, comme les efforts admissibles pour les aciers, et d'ailleurs pour tous les autres matériaux spéciaux, destinés à la construction de ces appareils de chauffage, diminuent très rapidement aux températeures de 5000 et plus, il est nécessaire, pour transmettre le poids des faisceaux de tubes, des enveloppes isolantes, etc., d'employer de grandes quantités de matériaux, de sorte que les frais de construction deviennent très élevés et que l'ensemble de l'appareil de chauffage devient irrationel.
Une autre difficulté, non négligeable, dans la construction des appareils de chauffage pour l'obtention de températures de gaz élevées, résulte du fait qu'il se produit de grandes différences de dilatation par la chaleur, aussi bien au début de la période de chauffage que pendant le fonotionnement normal, ou encore en cas de variations de charge, par suite des grandes différences de température entre les différents organes, souvent voisins. Dans le cas, où l'appareil de chauffage possède par exemple un foyer central, l'intérieur est très chaud, tandis que les parties extérieures sont bien moins chaudes. Par suite des dilatations par la chaleur inévitables dans ces cas, il se produit alors des tensions intempestives qui ont souvent pour conséquence des efforts supplémentaires considérables des organes déjà affai blis par la chaleur.
Sous ce rapport, les conditions sont bien moins favorables dans un appareil de chauffage non refroidi pour gaz que dans un générateur de vapeur. En milieu liquide, par exemple dans l'eau, la transmission de la chaleur s'effectue bien mieux que dans un gaz de sorte que, par exemple dans une chaudière à vapeur, l'eau ou la vapeur refroidissent relativement bien les organes chauffés et abaissent les températures d'une manière satisfaisante.
Afin de pouvoir surmonter ces difficultés accrues dans un appareil de chauffage pour gaz chauffé par des gaz de combustion, si celui-ci est destiné à porter les gaz à des températures finales élevées - d'une manière économique avec un
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minimum de dépense de matériaux de construction, les tubes formant un serpentin à éléments verticaux sont, suivant l'invention disposés autour de l'axe d'un foyer et d'une chambre à fumées, et seule, l'extrémité supérieure des dits éléments est encastrée dans une plaque-support en matière réfractaire. Cette plaque-support est de son côté suspendue par des tiges de traction à un bâti extérieur, de manière à rester librement mobile.
Dans un appareil de chauffage pour gaz suivant 1'invention, les serpentins tubulaires, portés par la plaque-support, peuvent se dilater librement vers le bas de sorte que les dilatations produites par la chaleur peuvent se produire sans obstacle.
En conséquence, la plaque-support des tubes disposés symétriquement dans le foyer, autour de eon axe, ne risque pas de subir de grands efforts de traction ou de compression. Même les tiges de traction qui relient la plaque-support au bâti extérieur ne subissent que des efforts de traction. Ces organes n'exigent donc que relativement peu de matière et celle-ci ne supporte pas ou peu d'efforts.
Le bâti, situé tout-à-fait en dehors de la zone des hautes températures et par conséquent relativement froid, et portant tous les organes intérieurs, n'a pas besoin d'être construit en matériaux spéciaux de prix élevé. Dans la construction de l'appareil de chauffage suivant l'invention, l'emploi de la matière résistante réfractaire et de prix élevé est donc réduit à une quantité minimum. Ces avantages peuvent être accentués, si les tiges de traction sont articulées aux traverses du bâti extérieur et si, en outre, l'enveloppe isolante entourant le foyer et la chambre des fùmées, et sa chemise en tôle sont fixées sur la plaquesupport.
Le dessin annexé montre schématiquement un mode d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe verticale de l'appareil de chauffage à tubes pour gaz suivant la ligne I-I de la fig. 2.
La fig. 2 montre dans sa moitié gauche une coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1 et dans sa moitié droite
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une vue en plan de l'appareil de chauffage.
Les figs. 3 et 4 montrent en coupe deux modes d'exécution d'un détail.
L'appareil de chauffage représenté comporte un foyer central avec chambre à fumées 1, dans lequel s'élève une cheminée cylindrique 2, 3 en tôle, servant à conduire les gaz de combustion. Dans la partie inférieure de cette cheminée est disposé un brûleur 4. Le foyer 1 est entouré d'une enveloppe isolante 5 de forme cylindrique et constituée par de la laine de laitier, des feuilles d'aluminium, de la laine de verre, etc., serrés entre deux cylindres de tôle 6. Le corps cylindrique 5,6 repose sur une plaque dé base 7 qui elle-même repose sur le socle 8 de l'appareil de chauffage. A l'intérieur du foyer 1 on a disposé radialement autour de son axe une série de tubes 9 formant chacun un serpentin à éléments verticaux reliés entre eux par des éléments courbes de déviation 12.
Les différents serpentins 9 sont raccordés en bas à un collecteur annulaire 10 qui leur distribue le gaz à surchauffer, et en haut à un collecteur annulaire 11 recevant le gaz surchauffé, le raccordement avec ce dernier étant effectué par des éléments courbes 121
Les éléments rectilignes et les éléments courbes de déviation d'un serpentin quelconque se trouvent stués pratiquement dans un môme plan radial par rapport à la chambre centrale 1.
Les serpentins 9 sont simplement encastrés par la partie supérieure des éléments verticaux dans une plaque-support 13, faite de matériaux réfractaires possédant encore une résistance suffi- sante aux températures élevéesui peuvent se présenter ; peut être faite par exemple en acier au chrome-nickel. Cette plaquesupport 13 est elle-même suspendue par des tiges de traction 14 à un bâti extérieur comportant deux poutres 16 disposées l'une par rapport à l'autre à angle droit, et des étriers-supports 15 fixés sur ces poutres. Ces étriers permettent une liaison articulée entre les tiges de traction 14 et les poutres 16. Le collec-
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teur annulaire 11 est également suspendu par des tiges de traction 17 articulées sur des étriers-supports 18.
Les poutres 16 du bâti reposent sur des montants 20 qui sont reliés par des goussetsl à la plaque de base 7, et sont reliés entre eux par des anneaux raidisseurs 22. Afin d'immobiliser la plaque 13 radialement, si c'est nécessaire, elle est également articulée à des boulons de serrage 23 prenant appui sur les montants 20. Entre la plaque- support 13 et le bâti extérieur est prévue une enveloppe isolante 231
Le gaz à chauffer, par exemple de l'air, est amené par une tuyauterie 24 au collecteur 10 et est distribué par celui- ci aux différents serpentins 9 dans lesquels il circule suivant la direction indiquée par les flèches A ; après avoir été chauffé au degré nécessaire, cet air passe dans le collecteur 11 d'où il s'écoule finalement par la tuyauterie 25 vers le lieu d'utilisa- tion.
Les gaz de combustion, qui servent à chauffer le gaz circu- lant dans les serpentins 9, circulent suivant la direction indiquée par les flèches B à travers le foyer et la chambre à fumées 1, et ils s'échappent de l'appareil de chauffage par le canal 26. Les serpentins 9, qui, comme il a été dit, ne sont encastrés dans la plaque-support 13 que par l'extrémité supérieure des éléments verticaux, peuvent se dilater librement vers le bas lorsqu'ils s'échauffent, de sorte qu'ils ne provoquent dans cette plaque- support aucune tension pouvant nuire à sa résistance.
Comme le montre la fig. 3, on peut également encastrer les éléments verticaux des serpentins dans la plaque-support 13, en vissant dans cette plaque des manchons 27 dont on relie l'ex- trémité supérieure libre par une soudure 29 à un élément vertical 28 traversant le)dit manchon avec un certain jeu (non représenté).
On évite ainsi de souder directement un tube mince sur la plaque- support épaisse, ce qui entraînerait la déformation de cette dernière. Cette liaison est du reste élastique et elle empêche les coincements entre la plaque et le tube sous l'influence des dilatations causées par la chaleur.
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Comme le montre la fig. 4 on peut prévoir dans la plaque-support 13 des évidements cylindriques destinés à recevoir chacun un manchon 30 dont l'extrémité supérieure libre est reliée à un élément de tube 33 par une soudure 32. Si c'est nécessaire, le manchon peut être légèrement relié à la plaque 13 par une soudure par points 31. Mais, étant donné le poids des serpentins, il sera dans la plupart des cas inutile de prévoir aucune liaison entre le manchon et la plaque-support. Les modes de liaison d'après les figs. 3 et 4 forment d'ailleurs un obstacle à une transmission considérable de chaleur entre la plaque-support et les serpentins.
Au lieu de faire reposer sur la plaque de base l'enveloppe isolante qui entoure le foyer et la chambre des fumées, on peut également la suspendre à la plaque-support, avec les en- veloppes en tôle qui l'entourent ; dansce cas, elle se dilate librement non pas vers le haut, comme dans le cas de la fig. l, mais vers le bas. Dans certaines conditions, il peut être avantageux de ne pas faire la plaque-support d'une seule pièce, mais de la composer de plusieurs segments séparés.
Les appareils de chauffage tubulaire de ce genre conviennent en particulier à l'application dans des installations thermiques de force motrice, dans lesquelles un fluide de travail à l'état gazeux, de préférence de l'air, circule constamment en circuit fermé; ce fluide, chauffé dans un appareil de chauffage tubulaire, par un apport extérieur de chaleur, va se détendre dans au moins une turbine en cédant en même temps du travail, et est ensuite recomprimé à une haute pression dans au moins un turbocompresseur.
L'invention est applicable à toutes les formes de section horizontale de l'appareil de chauffage, du foyer et de la plaque-support des serpentins.
En outre, peu importe pour son application le sens de circulation du gaz à chauffer dans les serpentins et la manière dont les gaz de combustion viennent lécher ces serpentins.
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Tubular heating device for bringing gases to high temperatures.
The object of the invention is a tubular heating device for bringing gases to high temperatures.
When a gas, for example air, is to be heated to high temperatures, for example to 5000, in devices with tubes licked by flue gases, it is necessary to use for the elements of the device for heating highly refractory materials. If, for reasons relating to efficiency, no cooling can be provided, or only insufficient artificial cooling of the components, the necessary supports, for example for tubes, walls, etc., nevertheless have to transmit stresses and strains. relatively charges
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important.
But, as the permissible forces for steels, and besides for all other special materials, intended for the construction of these heaters, decrease very rapidly at temperatures of 5000 and more, it is necessary, to transmit the weight of tube bundles, insulation jackets, etc., to employ large amounts of material, so that the construction costs become very high and the whole heater becomes irrational.
Another, not insignificant difficulty in the construction of heaters for obtaining high gas temperatures results from the fact that large differences in heat expansion occur, both at the start of the heating period. than during normal functioning, or even in the event of load variations, as a result of large temperature differences between the various, often neighboring components. If the heater has a central fireplace, for example, the interior is very hot, while the exterior parts are much cooler. As a result of the thermal expansions inevitable in these cases, unwanted tensions occur which often result in considerable additional efforts on the organs already weakened by the heat.
In this respect, conditions are much less favorable in an uncooled gas heater than in a steam generator. In a liquid medium, for example in water, the heat transmission takes place much better than in a gas so that, for example in a steam boiler, water or steam cool the heated parts relatively well and lower temperatures satisfactorily.
In order to be able to overcome these increased difficulties in a gas heater heated by flue gases, if this is intended to bring the gases to high final temperatures - in an economical manner with a
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minimum expenditure of construction materials, the tubes forming a coil with vertical elements are, according to the invention arranged around the axis of a hearth and a smoke chamber, and only the upper end of said elements is embedded in a support plate made of refractory material. This support plate is for its part suspended by traction rods to an external frame, so as to remain freely movable.
In a gas heater according to the invention, the tubular coils, carried by the support plate, can expand freely downwardly so that the expansions produced by heat can occur without hindrance.
Consequently, the support plate of the tubes arranged symmetrically in the hearth, around its axis, does not run the risk of undergoing great tensile or compressive forces. Even the tension rods which connect the support plate to the outer frame only undergo tensile forces. These organs therefore require relatively little material and the material does not support much or little effort.
The frame, located completely outside the high temperature zone and therefore relatively cold, and bearing all the interior components, does not need to be constructed of special expensive materials. In the construction of the heater according to the invention, the use of the high cost, refractory strength material is therefore reduced to a minimum amount. These advantages can be accentuated if the traction rods are articulated to the crosspieces of the outer frame and if, in addition, the insulating envelope surrounding the hearth and the smoke chamber, and its sheet metal jacket are fixed on the support plate.
The appended drawing shows schematically an embodiment of the object of the invention.
Fig. 1 is a vertical section of the gas tube heater taken along line I-I of FIG. 2.
Fig. 2 shows in its left half a section along line II-II of FIG. 1 and in its right half
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a plan view of the heater.
Figs. 3 and 4 show in section two embodiments of a detail.
The heating device shown has a central fireplace with smoke chamber 1, in which rises a cylindrical chimney 2, 3 made of sheet metal, serving to conduct the combustion gases. In the lower part of this chimney is placed a burner 4. The hearth 1 is surrounded by an insulating casing 5 of cylindrical shape and consisting of slag wool, aluminum sheets, glass wool, etc. , clamped between two sheet metal cylinders 6. The cylindrical body 5,6 rests on a base plate 7 which itself rests on the base 8 of the heater. Inside the hearth 1, a series of tubes 9 have been arranged radially around its axis, each forming a coil with vertical elements connected to each other by curved deflection elements 12.
The various coils 9 are connected at the bottom to an annular manifold 10 which distributes the gas to be superheated to them, and at the top to an annular manifold 11 receiving the superheated gas, the connection with the latter being made by curved elements 121
The rectilinear elements and the curved deflection elements of any coil are found practically in a same radial plane with respect to the central chamber 1.
The coils 9 are simply embedded by the upper part of the vertical elements in a support plate 13, made of refractory materials still having sufficient resistance to the high temperatures which may arise; can be made for example of chromium-nickel steel. This support plate 13 is itself suspended by tension rods 14 from an external frame comprising two beams 16 arranged relative to each other at right angles, and support brackets 15 fixed to these beams. These brackets allow an articulated connection between the traction rods 14 and the beams 16. The collector
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annular torus 11 is also suspended by traction rods 17 articulated on brackets 18.
The beams 16 of the frame rest on uprights 20 which are connected by gussetsl to the base plate 7, and are connected to one another by stiffening rings 22. In order to immobilize the plate 13 radially, if necessary, it is also articulated to tightening bolts 23 bearing on the uprights 20. Between the support plate 13 and the outer frame is provided an insulating envelope 231
The gas to be heated, for example air, is brought by a pipe 24 to the manifold 10 and is distributed by the latter to the various coils 9 in which it circulates in the direction indicated by the arrows A; after being heated to the necessary degree, this air passes into manifold 11 from where it finally flows through piping 25 to the place of use.
The combustion gases, which serve to heat the gas circulating in the coils 9, circulate in the direction indicated by the arrows B through the hearth and the smoke chamber 1, and they escape from the heater by the channel 26. The coils 9, which, as has been said, are only embedded in the support plate 13 by the upper end of the vertical elements, can expand freely downwards when they heat up, so that they do not cause any tension in this support plate that could impair its resistance.
As shown in fig. 3, it is also possible to embed the vertical elements of the coils in the support plate 13, by screwing sleeves 27 into this plate, the free upper end of which is connected by a weld 29 to a vertical element 28 passing through the said sleeve. with some play (not shown).
This avoids directly welding a thin tube to the thick support plate, which would cause the latter to deform. This connection is moreover elastic and it prevents jamming between the plate and the tube under the influence of expansion caused by heat.
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As shown in fig. 4 may be provided in the support plate 13 of cylindrical recesses each intended to receive a sleeve 30, the free upper end of which is connected to a tube element 33 by a weld 32. If necessary, the sleeve can be slightly connected to the plate 13 by a spot weld 31. However, given the weight of the coils, it will in most cases be unnecessary to provide any connection between the sleeve and the support plate. The connection modes according to figs. 3 and 4 moreover form an obstacle to a considerable transmission of heat between the support plate and the coils.
Instead of resting on the base plate the insulating envelope which surrounds the hearth and the smoke chamber, it can also be suspended from the support plate, with the sheet metal envelopes which surround it; in this case, it expands freely not upwards, as in the case of fig. l, but down. Under certain conditions, it may be advantageous not to make the support plate in one piece, but to compose it of several separate segments.
Tubular heaters of this kind are particularly suitable for application in thermal motive power installations, in which a working fluid in the gaseous state, preferably air, circulates constantly in a closed circuit; this fluid, heated in a tubular heater, by an external supply of heat, will expand in at least one turbine while giving up work at the same time, and is then recompressed to high pressure in at least one turbocharger.
The invention is applicable to all forms of horizontal section of the heater, the fireplace and the support plate of the coils.
In addition, it does not matter for its application the direction of circulation of the gas to be heated in the coils and the way in which the combustion gases come to lick these coils.