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"RECHAUFFEUR D'AIR (ECHANGEUR DE CHALEUR) METALLIQUE POUR HAUTS-FOURNEAUX, EXPLOITE EN LIAISON AVEC UNE TURBINE A GAZ"
Il est connu, d'utiliser, pour les hauts-fourneaux, des réchauffeurs d'air en métal, exécutés en aciers résistant aux hautes températures (récupérateurs en acier), exploités en combinaison avec un générateur de vapeur monté en amont du courant de gaz de chauffe à température de combustion élevée, et en combinaison avec une turbine à gaz. Les gaz de chauffet qui ont une température d'environ 1400 à 1450 C sont refroi- dis dans le générateur de vapeur jusqu'aux environs de 800 .
Ensuite, on les utilise, dans la partie à plus haute tempéra*, ture de l'appareil à air chaud qui est faite en métal
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très résistant à la chaleur, pour le réchauffage du vent du haut-fourneau, qui circule à contre-courant, ce qui les refroidit jusqu'à une température finale d'environ 400 à 500 .
Ensuite, les gaz de chauffe passent dans la turbine à gaz montée entre la partie à haute température et la partie à basse température de l'appareil à air chaud, après quoi ils entrent à environ 300 à 4000 dans l'étage à basse température, où en circulant à contre courant ils abandonnent, également pour le réchauffage de l'air, le reste de la chaleur qu'ils contiennent. La turbine à gaz sert à entraîner les compres" seurs qui élèvent la pression du gaz et de l'air à environ 2 à 2,5 atmosphères absolues dans le générateur de vapeur.
Cette pression sert à imprimer aux gaz de chauffe des vitesses élevées dans le générateur de vapeur et dans l'étage supérieur, ou à haute température, de l'appareil à air 'chaud, à actionner la turbine à gaz, et à donner également des vitesses élevées aux gaz de chauffe dans l'étage inférieur.
I,'air à réchauffer est lui-même envoyé à grande Vitesse par la soufflante du haut-fourneau sous une pression de le5 à, 2,0 atm. absolues à travers l'appareil à air chaud. La transmission de chaleur est par conséquent intense aussi bien dans l'appareil à air chaud que dans le générateur de vapeur, notamment du fait de la pression élevée qui y règne et de la grande vitesse des gaz de chauffe, de sorte qu'il ne faut que des surf aces de chauffe réduites pour la chaudière et l'appareil à air chaud. La vapeur produite dans la chaudière sert à la commande de la turbine à vapeur pour la soufflante du haut-fourneau.
Le dispositif connu qui vient d'être décrit (cas A) présente des inconvénients du point de vue de la construction et de la technique de l'exploitation, étant donné qu'il
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faut établir et desservir pour l'appaieil à air chaud une installation spéciale et complète de production de vapeur, qui n'a rien à voir avec le fonctionnement de l'appareil à air chaud proprement dit, et qui ne fait au contraire que compliquer ce denier. Mais l'inconvénient le plus grave est d'ordre économique. Avec la commande à vapeur de la soufflante, le rendement thermique n'arrive qu'à la moitié environ de celui de la commande de la soufflante par un mo- teur à gaz, comme on l'utilise dans la grande majorité des cas.
Si l'on table sur un gaz de haut-fourneau fournissant
1000 grandes calories par mètre cube, un excès d'air de 20%, et un réchauffage de l'air chaud de 50 à 700 , le rendement économique total, exprimé par le rapport entre la quantité de chaleur utilisée pour la commande à vapeur de la soufflante et pour le réchauffage de l'air chaud, et la quantité totale de chaleur dépensée, ressort à environ 37%. La puissance nécessaire à la transmission de chaleur dans le générateur de vapeur est dépensée inutilement. et par conséquent de façon anti-économique. D'autre part, la faible température de 8000 à l'entrée de l'appareil à air chaud présente l'inconvé- nient que l'écart de température entre le gaz de chauffe et 1 air chaud est faible, ce qui nécessite des surfaces de chauffe'relativement grande;.
D'après la présente invention, on supprime ces inconvénients en supprimant le générateur de vapeur. Le nou- veau dispositif consiste à disposer, à la place du générateur de vapeurdans la zone des gaz de chauffe comportant des températures de combustion élevées, d'une part l'étage supé rieur WO, en métal très résistant à la chaleur, de l'appareil à air chaud, d'autre part, d'une manière connue, un étage inférieur WU, en métal ordinaire, de l'appareil à air chaud,
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et à insérer, entre l'étage supérieur et l'étage inférieur, une turbine à gaz d. entraînant les compresseurs a et ! pour le gaz et l'air, qui portent ces derniers à la pression élevée de 2 à 2,5 atmosphères absolues.
La soufflante du haut- fourneau est commandée par un moteur à gaz (cas B).
A titre d'autre effet nouveau, la turbine à gaz peut servir non seulement à la commande des compresseurs e et mais aussi à la commande de la soufflante g fournissant le vent du haut-fourneau. Dans ce cas,, il faudrait comprimer le gaz et l'air au moyen de e et f à la pression considérablement plus élevée d'environ 10 atmosphères absolues. Pour éviter une pression aussi élevée dans WO et dans la turbine à gaz, il est plus avantageux d'utiliser également une pression de 2 à 2,5 atmosphères absolues, et une dépression, vers la turbine à gaz, d'environ 0,2 atmosphère absolue.
Le travail de compression nécessaire pour ramener de 0,2 à 1 atmosphère absolue (pression extérieure), la pression des gaz d'échappe- ment refroidis par injection d'eau après WU, s'effectue au moyen du compresseur de gaz d'échappement h, également commandé par la turbine à gaz (cas C).
Les gaz de chauffe, ayant des températures de combustion t1 de 1400 à 1450 C, pénètrent en 1 dans l'étage supérieur WO de l'appareil à air chaud, où ils abandonnent leur chaleur en abaissant leur température jusqu'à t3 pour réchauffer le vent de la température t à la température HW du vent chaud, ils traversent ensuite la turbine à gaz (entrée k, sortie 1), avec une chute de température de à t4, puis l'étage inférieur WU de l'appareil à air chaud, dans lequel ils continuent d'abandonner leur chaleur en abaissant leur température juaqu'à t5 = 100 à 1500, ou moins, pour le réchauffage du vent froid KW jusqu'à la température t, et ils s'échappent en m à la cheminée.
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Dans le cas B, il faut que t3 soit compris entre 400 et 500 et t4 entre 300 et 400 , et, dans le cas C, que soit égal à 850 , et t1 à 350 .
Les valeurs indiquées pour la pression, la déprestion et les températures t3 et t4 ont été calculées pour les conditions de gaz et températures du vent indiquées pour le cas A, et ne représentent que des valeurs approchées qui varient en outre suivant les conditions d'exploitation du moment.
Dans ce qui va suivre vont être indiqués les dispositifs en partie connus, et en partie nouveaux, qu'on uti- lise aux températures de 1400 à 1450 et davantage qui se produisent dans les gaz de chauffe des appareils à air chaud, aussi bien lorsque le vent est à de basses températures (inférieures à environ 700 ) qu'à des températures allant jusqu'à 900 pour maintenir les températures des parois en métaux réfractaires entre des limites telles que ces métaux résistent. L'expérience a montré qu'il en est ainsi jusqu'à 1100 .
D'après les formules connues qui servent à calculer les températures des parois, ces températures diminuent d'autant plus que k/al est plus grand et que k/a2 est plus petit. En conséquence, on donne à a2 (coefficient de transmission de la chaleur à l'air) une valeur aussi grande que possible par rapport à a1 (coefficient de transmission de la chaleur par les gaz de chauffe). Pour le calcul et la compa- raison des températures des parois, on fait en général k/a1 = 0,425, et k/a2 = 0,575, valeurs qu'on utilise également dans les récupérateurs connus en acier destinés aux fours d'aciéries et aux autres fours.
Par un choix convenable de
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la pression et de la vitesse des fluides qui abandonnent et de ceux qui absorbent la chaleur (gaz de chauffe et vent), on a la possibilité d'augmenter ou de diminuer ces valeurs, et par conséquent d'influencer la valeur des températures des parois.
L'appareil à air chaud se compose, d'après ce qui a été dit ci-dessus, de l'étage supérieur WO et de l'étage inférieur WU. D'après la fig. 3, WO est constitué, comme cele est connu par le cas A ci-dessus décrit, par une partie h, et WU par une partie c.
Dans les récupérateurs en acier pour fours d'a- ciéries et autres, ces derniers sont formés d'une manière connue, de deux parties, savoir : unerécupérateur préalable et pouvant être remplacé, et un récupérateur principal. Dans certains appareils on introduit dans le récupérateur préalable une partie du volume d'air à contre-courant (comme en a sur la fig. 1), et dans d'autres appareils on l'introduit suivant un courant parallèle à celui des gaz de chauffe (comme en a sur la fi. 2).
Les deux dispositions servent à abaisser la température des gaz de chauffe et par conséquent les tempéw ratures des parois à l'entrée dans le récupérateur principal, tandis que dans la dernière disposition on vise en outre à main* tenir les températures des parois à une valeur aussi faible que possible à l'entrée des gaz de chauffe dans le récupérateur monté en amont. Ces récupérateurs en acier se construisent pour des températures des gaz de chauffe allant jusqu'à 1200 C. et pour des températures d'air allant jusqu'à 900 . Ces dispositifs connus seront également utilisés, convenablement adaptés, pour le nouveau dispositif de la présente invention.
D'après les fig. 1, 2 et 4, WO est constitué d'une
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manière connue par une partie d'amont a et par une partie d'aval h, WU se composant d'une seule partie c.
On voit sur la fig. 3 un montage 3 nouveau dans lequel la totalité du vent froid KW est introduite en c, puis parvient en 12 pour être réchauffée, suivant un courant parallèle aux gaz de chauffe n, jusqu'à la température HW de ces gaz, et pour être amenée ensuite dans la conduite du vent chaud (également désignée par HW). La totalité du vent traverse ensuite h en parallèle avec les gaz de chauffe,, puis c en contre-courant (courants parallèles et contre-courant sans division du vent).
Le montage du dispositif de la fig. 3 peut également être effectué d'une manière connue (cas A) par l'introduction de la totalité du vent froid KW en c, d'où ce vent parvient également en b, mais est porté à la température HW par-circulation à contre-courant par rapport aux gaz de chauffe. Par conséquent., dans ce cas c'est la totalité du vent qu'on introduit en b et c à contre-courant par rapport aux gaz de chauffe (montage 3a à contre-courant sans division du vent).
Dans le montage de la figure 1, le vent froid KW est introduit séparément en c et a. La partie c du vent traverse h à contre-courant par rapport aux gaz de chauffe, pour s'écouler vers la conduite HW du vent chaude où les deux parties du vent se réunis'sent. Le vent circule donc à contrecourant dans tous les compartiments (contre-courant, vent divisé en a et c). Dans le montage de la figure 2, le vent est partagé entre les zones fi et c et est conduit de c vers h de la même manière que dans le montage fig. 1, avec cette différence qu'en a il circule en parallèle avec les gaz de chauffe, tandis qu'en h et c il circule à contre-courant par rapport à ces gaz (courant parallèle et contre-courant, vent divisé en a et c).
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Dans le nouveau montage suivant figure 4, la tota" lité du vent froid KW pénètre en c. Une partie du vent passe par la zone h en parallèle avec les gaz de chauffe, l'autre partie passe par a à contre-courant vers HW en vue de la réunion des deux parties du vent (courant parallèle et contrecourant, vent divisé en a et Dans le nouveau montage, tout le reste demeurant par ailleurs le même que dans le montage de la figure 4, la partie du vent qui passe en a peut également être conduite à contre-courant (montage 4a, contrecourant, vent divisé en a et h).
Dans ce cas également, l'introduction vers a (ou dans le montage 3) d'une partie du vent froid et d'une partie ou de la totalité du vent réchauffé au préalable jusqu'à une température basse t a pour but de maintenir à une valeur aussi faible que possible les températures w1 des parois, malgré les températures élevées t1 des gaz de chauffe,de les ramener à t2 (ou t3 dans le montage 3), pour maintenir également dans des limites acceptables les températures w2 des parois, malgré les températures HW du vent chaud qui y règnent.
Le calcul de la température W1 de la paroi dans le cas des montages 3a et 1, avec t1 = 1420 , et HW = 700 , donne: w1 = 1420 - 0,425. (1420 - 700) = 1115 , (limite = 1100 ).
Ces deux montages ne peuvent donc être utilisés qu'avec des températures inférieures à 700 pour l'air chaud .
Le montage 3 ne peut être utilisé que dans les cas où t3 fournit encore une différence de température suffisante par rapport à HW, comme par exemple dans le cas C avec HW = 700
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ou moins. t3 est dans ce cas, égal au maximum à 850 environ.
Ce montage présente l'avantage que la division en WO est supprimée.
Pour des températures de l'air chaud supérieures à 7000 et inférieures à 900 , ce n'est que par les montages 2, 4 et 4a qu'on peut maintenir les températures de la paroi à des limites acceptables.
On peut influencer ces conditions en procédant, suivant un rapport choisi à volonté,, à la répartition de l'air entre la partie a montée en amont dans l'étage supérieur, et l'étage inférieur c, ou entre les deux parties a et b de l'étage supérieur,
On peut énoncer le principe général suivant : c'est avec la circulation à contre-courant que l'on obtient les surfaces de chauffe les plus petites, et les températures des parois sont maximum. Plus on rompt avec la circulation à contre-courant, donc plus la quantité de vent en a est grande, au détriment de c et b, plus il faut de grandes surfaces de chauffe, mais plus les températures des parois sont réduites, et inversement.
Par conséquent, on s'efforcera dans tous les cas d'obtenir en premier lieu des températures aussi faibles que possible pour les parois, mais par ailleurs il ne faut pas non plus perdre de vue, naturellement, l'étendue de la surface de chauffe.
Il en résulte tout naturellement que,, par comparaison avec le montage 2, et pour des températures identiques w2 pour les parois, c' est avec les montages 4 et 4a qu'il faut les surfaces de chauffe les plus petites, parce que dans ce cas c'est toujours la totalité du vent froid (100%) qu'on introduit en c. et que par conséquent on est assuré de s'écar-
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ter le moins de la circulation à contre-courant.
Des calcula ont montré que pour la valeur la plus faible possible de w2 ( laquelle est limitée par l'écart de température entre 12,et HW), la surface de chauffe est de beaucoup la plus faible, w2 est, comme il a été dit ci-dessus, la température essentielle,parce que dans la plupart des cas w1 est inférieur et n'est jamais supérieur à w2, comme le montrent les calculs..
D'après le principe établi plus haut, on est en mesure, en choisissant à volonté la répartition du vent entre a et c, comme aussi entre a et h, de maintenir, avec des températures de 1400 à 1450 et davantage pour les gaz de chauffe, et des températures de 700 à 900 pour l'air chaud, et avec des surfaces de chauffe qui ne sont pas exagérées, entre les limites acceptables de 800 à 1000 les températures des parois dans tous les cas qui peuvent se présenter* Les montages 2,4 et 4a peuvent naturellement être utilisés également quand les températures de l'air chaud sont plus faibles (inférieures à 700 ) avec cet avantage que les températures des parois peuvent alors être maintenues aux valeurs les plus faibles (acier résistant à la chaleur, mais de qualité moindre,
avec des frais d'installation moindres ou une durée plus longue).
Ainsi qu'on l'a dit à propos du cas A, on utilise également dans le nouveau dispositif la pression élevée et les grandes vitesses du côté des gaz chauds et du côté du vent afin d'obtenir une transmission intense de la chaleur (surfaces de chauffe réduites). L'avantage par rapport au cas A consiste en ce que, dans ce cas, la pression élevée et les vitesses , élevées du côté des gaz de chauffe, qu'on opplique dans le cas A pour le générateur de vapeur, sont utilisées, dans le nouveau dispositif, dans l'étage supérieur de l'appareil à air chaud. Cela correspond, dans cet étage, à une transmission
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plus intense de la chaleur ou à une économie de force ou de chaleur.
Les principaux progrès réalisés par le nouveau dispositif sont les suivants :
Suppression de la totalité de l'installation de la chaudière à vapeur. D'après les calculs, dans le cas B, le rendement global représenté par le rapport entre la chaleur fournie à la soufflante pour le vent du haut-fourneau, plus la chaleur de chauffage du vent, et la chaleur totale dépensée, est d'environ 57%. Pour le cas C, ce rendement, représenté par le rapport entre la chaleur fournie à la soufflante et à la commande de la turbine à gaz, plus la chaleur de chauffage du vent, et la quantité totale de chaleur dépensée, est d'en- viron 525, les conditions pour les gaz et l'air chaud étant identiques à celles du cas A.
L'économie de gaz est donc par rapport au cas A d'environ 35% dans le cas B et d'environ 29% dans le cas C.
Les quantités de gaz qu'il faut pour la commande de la turbine à gaz, rapportées à un mètre cube d'air chaud, ces quantités de gaz étant réduites à 0 et à une atmosphère absolue, sont, d'après le calcul, d'environ 0,61 m3 pour le cas A, de 0,29 m3 pour le cas B, et de 0,43 m3 pour le cas C.
Dans le cas B, l'importance de l'ensemble des machines nécessaires représente environ 1,7 à 2,9 fois ce qu'il faut dans le cas A, quand la soufflante entraînée par le moteur à gaz existe déjà, ce qui est presque toujours le cas dans les installations de haut-fourneaux existantes*,
Dans le cas C, l'importance des machines nécessaires est environ double de celles qui sont nécessaires dans le cas A.
Mais en revanche on profite, en plus de l'économie de gaz précitées de l'uniformité des machines nécessaires pour l'en-
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semble du fonctionnement du haut fourneau, du montage de la turbine à gaz et du compresseur centrifuge sur un seul arbre, avec cet autre avantage que la comnande des souffleries centrifuges par la turbine à gaz, à laquelle on travaille depuis longtemps et qui existe déjà dans les aciéries, se trouve réalisée.
On obtient des surfaces totales de chauffe considérablement plus faibles dans les appareils à air chaud grâce à l'écart de température sensiblement plus grand entre le gaz chaud et l'air, et en outre par l'utilisation d'une pres- sion et de vitesses élevées, pour une transmission plus intense de la chaleur du côté des gaz chauds dans l'étage supérieur de l'appareil à air chaud, eu lieu du générateur de vapeur* On peut renoncer en totalité ou en partie aux deux effets* et appliquer par suite une pression d'autant plus faible et des vitesses plus faibles pour les gaz de chauffe, ce qui correspond à une économie supplémentaire de force et par conséquent de gaz et à une économie sur l'ensemble des machines mises en oeuvre.
Par l'utilisation du compresseur h des gaz d'échappe- ment dans le cas C, il se produit du côté des gaz de chauffe, dans l'étape inférieur, une forte dépression, de sorte qu'on obtient dans ce cas la transmission intense de chaleur par les vitesses élevées des gaz de chauffe engendrées par la dépression.
L'utilisation du compresseur des gaz d'échappement est également rendue possible dans le cas B par le fait qu'on comprime les gaz et l'air non pas jusqu'à deux à 2,5 atmosphères absolues,, mais jusqu'à une pression plus faible, d'environ 1,5 à 2,0 atmosphères absolues,' et par le fait qu'on remplace la faible pression ou la chute de pression plus
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faible dans la turbine à gaz par la production d'une dépression correspondante au moyen du compresseur d'échappement.
On obtient par ce moyen l'avantage qu'au moyen de la turbine à gaz on peut produire la même puissance avec une pression plus faible du côté des gaz de chauffe dans l'étage supérieur de l'appareil à air chaud, ce qui assure une meilleure conservation de cet étage supérieur aux températures élevées des parois,
Les nouveaux montages 3, 4 et 4,% peuvent également être utilisés, avec les mêmes avantages que ci-dessus, sans turbine à gaz intermédiaire, dans les appareils à air chaud métalliques pour hauts fourneaux.
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"METAL AIR HEATER (HEAT EXCHANGER) FOR HIGH RANGE, OPERATED IN CONNECTION WITH A GAS TURBINE"
It is known to use, for blast furnaces, metal air heaters, made of steels resistant to high temperatures (steel recuperators), operated in combination with a steam generator mounted upstream of the gas stream. heater at high combustion temperature, and in combination with a gas turbine. The heater gases which have a temperature of around 1400 to 1450 C are cooled in the steam generator to around 800.
Then they are used in the higher temperature part of the hot air appliance which is made of metal.
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very heat resistant, for reheating the blast furnace wind, which circulates against the current, which cools them down to a final temperature of around 400 to 500.
Then the heating gases pass through the gas turbine mounted between the high temperature part and the low temperature part of the hot air device, after which they enter at about 300 to 4000 in the low temperature stage, where by circulating against the current they abandon, also for the reheating of the air, the rest of the heat which they contain. The gas turbine is used to drive the compressors which raise the pressure of gas and air to about 2 to 2.5 atmospheres absolute in the steam generator.
This pressure serves to impart high velocities to the heating gases in the steam generator and in the upper stage, or at high temperature, of the hot air apparatus, to actuate the gas turbine, and also to give high speeds to the heating gases in the lower stage.
The air to be heated is itself sent at high speed by the blower of the blast furnace under a pressure of 1.5 to 2.0 atm. absolute through the hot air device. The heat transmission is therefore intense both in the hot air appliance and in the steam generator, in particular due to the high pressure which prevails there and the high speed of the heating gases, so that it does not Reduced heating surfaces are required for the boiler and the hot air appliance. The steam produced in the boiler is used to control the steam turbine for the blower of the blast furnace.
The known device which has just been described (case A) has drawbacks from the point of view of construction and of operating technique, given that it
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It is necessary to establish and serve for the hot air apparatus a special and complete installation for the production of steam, which has nothing to do with the operation of the hot air apparatus itself, and which, on the contrary, only complicates this denier. But the most serious drawback is economic. With steam control of the blower, the thermal efficiency is only about half that of controlling the blower with a gas engine, as is used in the vast majority of cases.
If we count on a blast furnace gas supplying
1000 large calories per cubic meter, an excess of air of 20%, and a heating of the hot air of 50 to 700, the total economic efficiency, expressed as the ratio of the quantity of heat used for the steam control of the blower and for the warm air reheating, and the total amount of heat expended, is about 37%. The power required for heat transfer in the steam generator is spent unnecessarily. and therefore in an uneconomical way. On the other hand, the low temperature of 8000 at the inlet of the hot air appliance has the disadvantage that the temperature difference between the heating gas and the hot air is small, which requires surfaces. relatively large heater ;.
According to the present invention, these drawbacks are eliminated by eliminating the steam generator. The new device consists in placing, instead of the steam generator in the heating gas zone with high combustion temperatures, on the one hand the upper stage WO, made of very heat-resistant metal, 'hot air appliance, on the other hand, in a known manner, a lower stage WU, made of ordinary metal, of the hot air appliance,
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and inserting, between the upper stage and the lower stage, a gas turbine d. driving the compressors a and! for gas and air, which bring the latter to high pressure from 2 to 2.5 atmospheres absolute.
The blower of the blast furnace is controlled by a gas engine (case B).
As another new effect, the gas turbine can be used not only to control the compressors e and also to control the fan g supplying the blast furnace wind. In this case, the gas and air would have to be compressed by means of e and f to the considerably higher pressure of about 10 atmospheres absolute. To avoid such a high pressure in WO and in the gas turbine, it is more advantageous to also use a pressure of 2 to 2.5 atmospheres absolute, and a vacuum, towards the gas turbine, of about 0.2 absolute atmosphere.
The compression work necessary to reduce the pressure of the exhaust gas cooled by water injection after WU from 0.2 to 1 atmosphere absolute (external pressure) is carried out by means of the exhaust gas compressor h, also controlled by the gas turbine (case C).
The heating gases, having combustion temperatures t1 from 1400 to 1450 C, enter at 1 the upper stage WO of the hot air appliance, where they give up their heat by lowering their temperature to t3 to heat the wind from temperature t to temperature HW of hot wind, they then pass through the gas turbine (input k, output 1), with a temperature drop from to t4, then the lower stage WU of the hot air device , in which they continue to give up their heat by lowering their temperature until t5 = 100 to 1500, or less, for the reheating of the cold wind KW to the temperature t, and they escape in m to the chimney .
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In case B, t3 must be between 400 and 500 and t4 between 300 and 400, and, in case C, it must be equal to 850, and t1 to 350.
The values indicated for the pressure, the deprestion and the temperatures t3 and t4 have been calculated for the gas conditions and wind temperatures indicated for the case A, and only represent approximate values which also vary according to the operating conditions. from the moment.
In what follows will be indicated the partly known and partly new devices which are used at temperatures from 1400 to 1450 and higher which occur in the firing gases of hot air appliances, as well as when the wind is at low temperatures (below about 700) only at temperatures up to 900 to keep the temperatures of the refractory metal walls between limits such that these metals resist. Experience has shown this to be the case until 1100.
According to the known formulas which are used to calculate the temperatures of the walls, these temperatures decrease all the more as k / al is greater and that k / a2 is smaller. Consequently, a2 (coefficient of heat transmission to air) is given as large a value as possible with respect to a1 (coefficient of heat transmission by the heating gases). For the calculation and comparison of wall temperatures, in general k / a1 = 0.425, and k / a2 = 0.575 are made, values that are also used in known steel recuperators intended for steel furnaces and steelworks. other ovens.
By a suitable choice of
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the pressure and speed of the fluids that give up and those that absorb the heat (heating gas and wind), we have the possibility of increasing or decreasing these values, and consequently of influencing the value of the temperatures of the walls .
The hot air apparatus consists, according to what has been said above, of the upper stage WO and the lower stage WU. According to fig. 3, WO is formed, as is known from the case A described above, by a part h, and WU by a part c.
In steel recuperators for ironworks and the like, the latter are formed in a known manner of two parts, namely: a pre-recuperator which can be replaced, and a main recuperator. In some devices, part of the volume of air is introduced into the preliminary recuperator against the current (as in Fig. 1), and in other devices it is introduced in a current parallel to that of the gas. heater (as in fi. 2).
The two provisions serve to lower the temperature of the heating gases and consequently the temperatures of the walls at the entrance to the main recuperator, while in the last provision the aim is also to maintain the temperatures of the walls at a value. as low as possible when the heating gases enter the upstream recuperator. These steel recuperators are built for heating gas temperatures of up to 1200 C. and for air temperatures of up to 900. These known devices will also be used, suitably adapted, for the new device of the present invention.
According to fig. 1, 2 and 4, WO consists of a
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known manner by an upstream part a and by a downstream part h, WU consisting of a single part c.
We see in fig. 3 a new assembly 3 in which all of the cold wind KW is introduced at c, then arrives at 12 to be reheated, following a current parallel to the heating gases n, up to the temperature HW of these gases, and to be brought then in the hot blast pipe (also referred to as HW). The totality of the wind then crosses h in parallel with the heating gases ,, then c in countercurrent (parallel currents and countercurrent without division of the wind).
The assembly of the device of FIG. 3 can also be carried out in a known manner (case A) by introducing all of the cold wind KW in c, from which this wind also arrives at b, but is brought to the temperature HW by counter-circulation -current with respect to the heating gases. Consequently., In this case it is the totality of the wind which is introduced in b and c against the current with respect to the heating gases (assembly 3a against the current without division of the wind).
In the assembly of figure 1, the cold wind KW is introduced separately at c and a. The part c of the wind crosses h against the current of the heating gases, to flow to the HW hot wind pipe where the two parts of the wind meet. The wind therefore circulates against the current in all the compartments (upstream, wind divided into a and c). In the assembly of FIG. 2, the wind is shared between zones fi and c and is conducted from c to h in the same way as in the assembly fig. 1, with the difference that in a it circulates in parallel with the heating gases, while in h and c it circulates against the current with respect to these gases (parallel current and counter-current, wind divided into a and vs).
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In the new assembly according to figure 4, the whole of the cold wind KW penetrates in c. Part of the wind passes through zone h in parallel with the heating gases, the other part passes through a against the current towards HW in view of the union of the two parts of the wind (parallel and countercurrent current, wind divided into a and In the new assembly, everything else remaining otherwise the same as in the assembly of figure 4, the part of the wind which passes in a can also be driven against the current (assembly 4a, countercurrent, wind divided into a and h).
In this case also, the introduction towards a (or in assembly 3) of part of the cold wind and of part or all of the wind preheated to a low temperature ta is intended to maintain at a value as low as possible for the temperatures w1 of the walls, despite the high temperatures t1 of the heating gases, to reduce them to t2 (or t3 in assembly 3), in order also to keep the temperatures w2 of the walls within acceptable limits, despite warm wind temperatures HW prevailing there.
Calculation of the wall temperature W1 in the case of assemblies 3a and 1, with t1 = 1420, and HW = 700, gives: w1 = 1420 - 0.425. (1420 - 700) = 1115, (limit = 1100).
These two assemblies can therefore only be used with temperatures below 700 for hot air.
Circuit 3 can only be used in cases where t3 still provides a sufficient temperature difference compared to HW, for example in case C with HW = 700
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or less. t3 is in this case, equal to the maximum to approximately 850.
This arrangement has the advantage that the division into WO is eliminated.
For hot air temperatures above 7000 and below 900, it is only with arrangements 2, 4 and 4a that the wall temperatures can be kept within acceptable limits.
These conditions can be influenced by proceeding, according to a ratio chosen at will, to the distribution of the air between the part a mounted upstream in the upper stage, and the lower stage c, or between the two parts a and b from the upper floor,
The following general principle can be stated: it is with counter-current circulation that the smallest heating surfaces are obtained, and the temperatures of the walls are maximum. The more one breaks with the counter-current circulation, therefore the greater the quantity of wind in a, to the detriment of c and b, the more large heating surfaces are needed, but the more the wall temperatures are reduced, and vice versa.
In all cases, therefore, efforts will be made in the first instance to obtain as low temperatures as possible for the walls, but on the other hand one must not lose sight of the extent of the heating surface either. .
It follows quite naturally that ,, by comparison with the assembly 2, and for identical temperatures w2 for the walls, it is with the assemblies 4 and 4a that the smallest heating surfaces are required, because in this case it is always the totality of the cold wind (100%) that is introduced in c. and that consequently we are sure to deviate
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the least amount of cross-flow.
Calculations have shown that for the lowest possible value of w2 (which is limited by the temperature difference between 12, and HW), the heating surface is much smaller, w2 is, as has been said above, the essential temperature, because in most cases w1 is lower and never higher than w2, as the calculations show.
According to the principle established above, we are able, by choosing at will the distribution of the wind between a and c, as also between a and h, to maintain, with temperatures of 1400 to 1450 and more for the gases of heating, and temperatures of 700 to 900 for hot air, and with heating surfaces which are not exaggerated, between the acceptable limits of 800 to 1000 the temperatures of the walls in all the cases which may arise * The assemblies 2,4 and 4a can of course also be used when the hot air temperatures are lower (below 700) with the advantage that the wall temperatures can then be kept at the lowest values (heat resistant steel, but of lower quality,
with lower installation costs or longer duration).
As has been said in connection with case A, the high pressure and high speeds on the hot gas side and on the wind side are also used in the new device in order to obtain an intense transmission of heat (surfaces reduced heating). The advantage over case A is that, in this case, the high pressure and the high speeds on the heating gas side, which in the case A for the steam generator, are used, are used, in the new device, in the upper stage of the hot air appliance. This corresponds, in this floor, to a transmission
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more intense heat or to a saving of force or heat.
The main advances made by the new system are as follows:
Removal of the entire installation of the steam boiler. According to the calculations, in case B, the overall efficiency represented by the ratio of the heat supplied to the blower to the blast furnace wind, plus the heating heat of the wind, and the total heat expended, is about 57%. For case C, this efficiency, represented by the ratio between the heat supplied to the blower and to the control of the gas turbine, plus the heating heat of the wind, and the total quantity of heat expended, is of- around 525, the conditions for gases and hot air being identical to those of case A.
The gas saving is therefore compared to case A of about 35% in case B and of about 29% in case C.
The quantities of gas required for the control of the gas turbine, related to a cubic meter of hot air, these quantities of gas being reduced to 0 and to an absolute atmosphere, are, according to the calculation, d 'about 0.61 m3 for case A, 0.29 m3 for case B, and 0.43 m3 for case C.
In case B, the size of the set of necessary machines is about 1.7 to 2.9 times what is needed in case A, when the blower driven by the gas engine already exists, which is almost always the case in existing blast furnace installations *,
In case C, the size of the machines needed is approximately double that of those needed in case A.
On the other hand, however, in addition to the aforementioned savings in gas, the uniformity of the machines necessary for
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appears from the operation of the blast furnace, the mounting of the gas turbine and the centrifugal compressor on a single shaft, with this advantage other than the control of the centrifugal blowers by the gas turbine, which has been worked on for a long time and which already exists in steelworks, is carried out.
Significantly smaller total heating surfaces are obtained in hot air units by virtue of the significantly greater temperature difference between hot gas and air, and in addition by the use of pressure and high speeds, for more intense heat transmission from the hot gas side to the upper stage of the hot air appliance, instead of the steam generator * Both effects can be totally or partially waived * and applied consequently a pressure which is all the lower and lower speeds for the heating gases, which corresponds to an additional saving of force and consequently of gas and to a saving on all the machines used.
By using the exhaust gas compressor h in case C, a strong negative pressure occurs on the heating gas side, in the lower stage, so that the transmission is obtained in this case. intense heat by the high speeds of the heating gases generated by the depression.
The use of the exhaust gas compressor is also made possible in case B by the fact that the gases and the air are compressed not to two to 2.5 atmospheres absolute, but to one. lower pressure, from about 1.5 to 2.0 atmospheres absolute, 'and by replacing the low pressure or the more pressure drop.
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low in the gas turbine by producing a corresponding vacuum by means of the exhaust compressor.
By this means the advantage is obtained that by means of the gas turbine the same power can be produced with a lower pressure on the heating gas side in the upper stage of the hot air appliance, which ensures better conservation of this upper floor at high wall temperatures,
The new assemblies 3, 4 and 4,% can also be used, with the same advantages as above, without an intermediate gas turbine, in metallic hot air units for blast furnaces.