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Appareil de chauffe pour gaz.
La présente invention se rapporte à un appareil de chauffe pour gaz, en particulier pour installations thermiques de force motrice dans lesquelles au moins la majeure partie d'un fluide de travail gazeux, de préférence de l'air, décrit -un circuit fermé et doit être indirectement chauffée par apport de chaleur extérieure
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Dans des installations de ce genre le fluide de travail doit être porté à une température de 600 C. et plus. D'autre part, il faudrait que la chute de pression que le fluide de travail subit en traversant l'appareil fût aussi faible que possible, car elle influence d'une manière éminemment défavorable le rendement global de l'installation.
C'est pourquoi il n'est pas possible de choisir pour l'écoulement du fluide de travail à l'intërieur de l'appareil une vitesse aussi grande qu'une bonne transmission de la chaleur le fait paraître désirable. Cela crée le risque que la température maximum admise pour les matériaux de construction soit dépassée au moins dans la partie de l'appareil qui est chauffée par rayonne- ment.
Pour l'obtention d'un bon rendement d'installation de l'espèce envisagée ici il est en outre nécessaire que la chaleur des gaz de foyer soit utilisée aussi complètement que possible ; il faudrait donc que les gaz de fumée aient une température aussi peu élevée que possible à leur sortie de l'appareil.
Afin de tenir compte de ces diverses conditions et afin également de créer un appareil de chauffe pour gaz exigeant pour transmettre une quantité de chaleur déterminée une surface chauffan- te relativement petite tout en assurant cependant une grande sécu- rité contre un echauffement excessif des materiaux de construction, dans un appareil de chauffe suivant l'invention le fluide de travail à chauffer traverse en deux courants parallèles deux parties de l'appareil chauffées l'une par rayonnement et l'autre par contact, dans le même sens que les gaz de combustion dans la partie chauffée principalement par rayonnement et à contresens dans celle qui l'est par contact.
Diverses formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées schématiquement à titre (3'exemple aux dessins annexés.
La fig. 1 montre un appareil de chauffe pour gaz ôans lequel le fluide de travail est déjà porté à sa température-finale dans la partie de l'appareil chauffée par rayonnement.
La fig. 2 montre un appareil de chauffe pour gaz dans lequel l'ensemble de la surface chauffée par contact est divisée en deux parties toutes deux disposées dans un même carneau vertical.
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La fig. 3 montre un appareil de chauffe pour gaz dans lequel la surface chauffée par contact est de même divisée en deux parties disposées l'une dans un carneau vertical et l'autre dans un canal horizontal reliant ce dernier à la chambre de combustion.
La fig. 4 montre une forme d'exécution analogue à celle de la fig.3, sauf que la partie de la surface chauffée par contact et réalisée sous forme d'un faisceau tubulaire disposé dans le canal de liaison horizontal est traversé par le fluide de travail dans le sens d'écoulement des gaz de combustion.
La fig. 5 montre un appareil de chauffe pour gaz dans lequel la surface chauffée par contact est divisée en trois parties dont deux, traversées par le fluide de travail à contresens de la direction d'écoulement des gaz de combustion sont disposées dans deux carneaux verticaux, tandis qu'une partie, que le fluide de travail traverse dans le sens d'écoulement des gaz de combustion, est disposée dans un canal de liaison hori- zontal.
1 désigne sur la fig.1 le foyer d'un appareil de chauffe pour gaz A chauffé à l'huile et appartenant à une ins- tallation thermique de force motrice, non figurée, dans laquelle de l'air, servant de fluide de travail, décrit un circuit fermé au cours duquel il est porté à une pression relativement élevée dans au moins un compresseur, après quoi il est indirectement chauffé par apport de chaleur extérieure dans le chauffe-gaz A et ensuite détendu dans au moins une turbine fournissant de la puissance aussi bien au compresseur qu'à un récepteur de puis- sance utile. 3 désigne un brûleur auquel l'air comburant est amené par une conduite 2 et le combustible par une conduite 4.
La chambre de combustion 1 est revêtue de tubes 5 traversés par l'air à chauffer du circuit. Une partie de la chaleur contenue dans les gaz de combustion est transmise dans cette chambre 1 aux tubes 5 principalement par rayonnement, une autre partie leur étant toutefois également fournie par contact.Du foyer 1 les gaz de combustion se rendent dans une seconde chambre 11 dans laquelle estdisposé un système de tubes 7 auquel les gaz de combustion cèdent de la chaleur par contact.
L'air à chauffer dans l'appareil A est amené par une conduite 12 et se divise
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au point 6 en deux courants parallèles dont l'un traverse dans le sens d'écoulement des gaz de combustion la partie tubulaire 5 chauffée principalement par rayonnement, l'autre courant traver= sant à contresens de ces gaz la partie tubulaire 7 chauffée par contact. Les courants parallèles ainsi chauffés se réunissent au point 13 pour passer de là dans une conduite 14 constituant une autre partie constitutive du circuit que doit parcourir l'air chauffé comme il vient d'être dit.
Les gaz de combustion qui s'échappent de la chambre 11, c'est-à-dire ce qu'on appelle ordi- nairement les fumées, ont ensuite à traverser encore un préchauf- feur 8 dans lequel l'air comburant destiné au brûleur 3 est pré- chauffé en traversant un système tubulaire 9. Les fumées fortement refroidies se rendent finalement dans l'atmosphère par une cheminée 10.
Pour qu'on puisse se faire une idée des phénomènes qui se déroulent dans le chauffe-gaz A ainsi décrit il convient de rappeler que dans la partie tubulaire 5 chauffée principalement par rayonnement l'air à échauffer peut être porté par les gaz de combustion qui s'écoulent dans le même sens que lui par exemple de 300 à 600 C, et également de 300 à 600 C. dans la partie tubu- laire 7, chauffée par contact par les gaz de combustion qui s'écou- lent en sens contraire, cependant que la température des gaz de combustion tombe dans le foyer 1 par exemple de 1000 à environ 900 ou 950 C., dans la chambre 11 de 950 à environ 550 C., et dans le préchauffeur d'air 8 d'environ 550 à 250 .
Abstraction faite de ce que, dans le chauffe-gaz décrit, on peut obtenir pour une dépense de matériaux de construction rela- tivement faible un bon échange de chaleur, l'appareil présente cet autre avantage que la chute de pression dont il faut s'accommoder dans les parties tubulaires 5 et 7, à égale vitesse de l'air, est sensiblement moindre que si l'air à échauffer devait traverser à la suite l'une de l'autre ces parties 5 et 7. Il s'ensuit que, pour la même chute de pression que précédemment dans le chauffe-gaz, on peut choisir une vitesse d'écoulement sensiblement supérieure, ce qui assure l'échange de chaleur favorable et corrélativement la sécurité de fonctionnement souhaitée, surtout dans la partie chauf- fée par rayonnement.
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Un choix approprié des dimensions des tubes permet d'obtenir un taux d'alimentation désiré pour les deux parties tubulaires 5 et 7, l'air étant alors de préférence porté prati- quement à la même température.
Comme une certaine chute, de pression dans les tubes est nécessaire pour l'obtention d'un taux d'alimentation uniforme de parties tubulaires branchées en parallèle, .il y a intérêt à ce que le diamètre des tubes de la partie 5 aille en diminuant dans le sens de l'écoulement. La portion de tube de section minimum située du côté de la sortie du fluide de travail à chauffer pro- duit alors la chute de pression nécessaire pour l'uniformité de l'alimentation des tubes branchés en parallèle de la partie 5.
En même temps, grâce à la vitesse élevée du fluide de travail, l'absorption de chaleur à l'intérieur des tubes de la partie 5 est assurée malgré la faible différence de température entre le fluide de travail ( air ) et la température de paroi tubulaire maximum admissible. On peut agir complémentairement sur l'apport de chaleur au moyen d'organes régulateurs permettant de régler la quantité d'air qui traverse les parties 5 et 7.
Dans le cas des formes d'exécution décrites ci-après on accroît encore la sécurité du fonctionnement en amenant le fluide de travail sortant de la partie de l'appareil chauffée principalement par rayonnement, en même temps que celui qui sort de la partie chauffée par contact, à parcourir en outre la région la plus chaude de cette dernière partie de l'appareil, de sorte que le fluide de travail n'a pas à être chauffé jusqu'à sa tempé- rature finale dans la partie du chauffe-gaz chauffée par rayonne- ment
Sur la fig. 2, 15 désigne un foyer chauffé au moyen d'une grille 16. Le fluide de travail à chauffer afflue par une conduite 17 et est amené par des conduites 18 et 19 à des distri- buteurs 20 et 21.
Le fluide de travail qui traverse les tubes 22 chauffés principalement par rayonnement se rassemble dans des collecteurs 23 et se rend par une conduite 24 dans un second collecteur 25. Quant au fluide de travail arrivant du distri- buteur 20, il s'écoule à travers un système tubulaire constituant la partie d'une surface chauffée par contact située dans la zone des températures les plus basses et afflue également au collec- teur 25.
De là, la masse entière be fluide de travail traverse un système tubulaire 27 constituant la seconde partie de ladite
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surface chauffée par contact et dans lequel ce fluide de travail est porté à sa température finale, après quoi il se rend à un collecteur 28 et de là à un consommateur non représenté, par ' exemple une turbine à gaze
Dans le cas de la forme d'exécution suivant la fig.3 la partie 29 de la surface chauffée par contact que parcourt la masse entière du fluide de travail à chauffer et qui se trouve dans la zone des températures les plus élevées est située dans un canal horizontal 30 qui relie la chambre de combustion 31 à un premier carneau vertical 320.33 désigne un second carneau vertical qui fait suite au carneau 32.
La partie 34 de la sur- face chauffée par contact disposée dans la zone des températures les plus basses est située dans le carneau vertical 32, et tout comme la partie 29 de l'appareil, réalisée sous forme d'un faisceau tubulaire, la dite partie 34 est parcourue à contresens des gaz de combustion. Entre les deux parties 29 et 34 du chauffe-gaz sont en outre intercalés un collecteur 35 et un distributeur 36.
Le faisceau chauffant 29 est raccordé à ce distributeur 36 et à un collecteur 37, de sorte qu'on peut facilement le démonter, et cela sans qu'on ait en même temps à démonter la partie 34 du chauffe-gaz, constituée par un faisceau tubulaire. On tourne ainsi la difficulté que présente la suspension de faisceaux chauf- fants dans des carneaux de chauffe-gaz de l'espèce envisagée ici, car il est malaisé de trouver pour cette suspension un matériau présentant les hautes caractéristiques nécessaires quant à la résistance à un effort permanent et 9 son inaltérabilité au feu.
En particulier, la suspension de la partie du faisceau chauffant qui entre en contact avec les gaz encore très chauds provenant du foyer présente sous ce rapport des difficultés de construction considérables.
Du fait que désormais le faisceau chauffant situé dans la zone ces températures les plus élevées et appartenant à la partie de l'appareil chauffée par contact est monté à l'intérieur d'un canal horizontal entre le foyer et un carneau vertical, on peut soit faire reposer ce faisceau directement sur le revête- ment de maçonnerie, soit encore, comme on l'a représenté, le sus- pendre à un collecteur et à un distributeur distincts, de sorte qu'on peut facilement le démonter par le hauta Comme c'est préci- sément ce faisceau appartenant à la partie de l'appareil chauffée
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par contact qui est exposé le plus rapidement à une certaine corrosion par le feu et qui par conséquent doit subir de temps en temps une révision,
ces facilités apportées à son démontage constituent un avantage appréciable On peut faciliter encore le démontage en réalisant certaines parties du canal de communi- cation horizontal sous forme de plaques de couverture 38 ( fig.3).
La forme d'exécution représentée à la fig. 4 se diffé- rencie de celle qui vient d'être décrite simplement en ce que le faisceau chauffant 39 monté dans le canal de liaison horizontal 40 - faisceau dans lequel le fluide de travail provenant de la partie 41 de l'appareil chauffée par rayonnement et de la partie 42 chauffée par contact doit être porté à sa température finale et faisceau situé dans la zone des températures les moins élevées- est parcouru par ledit fluide de travail non pas à contresens des gaz brûlés comme dans le cas de la fig.3 mais dans le même sens.
Il en résulte cet avantage que les régions du faisceau chauffant 39 qui entrent en contact avec les gaz de combustion les plus chauds sont traversées par du fluide de travail qui est d'un grand nombre de degrés plus froid que celui qui s'écoule de ce faisceau. Par exemple, la température du fluide de travail peut être de 500 C. dans le distributeur 43 et de 600 C. dans le col- lecteur 44.
Enfin la fige 5 montre une forme d'exécution dans la- quelle la surface chauffée par contact est divisée en trois par- ties 45, 46 et 47.La partie 47 qui se trouve dans la zone des températures les moins élevées est logée dans un second carneau 48 et se trouve entre les surfaces chauffantes 49 et 50 d'un préchauffeur d'air comburant. Comme foyer on a représenté un four d'incinération d'ordures 51, 52.
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Gas heater.
The present invention relates to a heating device for gas, in particular for thermal power plants in which at least the major part of a gaseous working fluid, preferably air, describes a closed circuit and must be indirectly heated by external heat input
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In installations of this kind, the working fluid must be brought to a temperature of 600 C. and more. On the other hand, the pressure drop that the working fluid undergoes when passing through the device should be as low as possible, since it influences in an eminently unfavorable manner the overall efficiency of the installation.
This is why it is not possible to choose for the flow of the working fluid inside the apparatus a speed as high as good heat transmission makes it appear desirable. This creates the risk that the maximum permissible temperature for building materials is exceeded at least in the part of the device which is heated by radiation.
In order to obtain a good installation efficiency of the species envisaged here, it is also necessary that the heat of the combustion gases be used as completely as possible; the flue gases should therefore have as low a temperature as possible when they leave the appliance.
In order to take account of these various conditions and also in order to create a gas heater requiring a relatively small heating surface to transmit a determined quantity of heat, while at the same time ensuring great safety against excessive heating of the heating materials. construction, in a heating device according to the invention the working fluid to be heated passes through two parallel streams two parts of the device heated, one by radiation and the other by contact, in the same direction as the combustion gases in the part heated mainly by radiation and in the opposite direction in that which is heated by contact.
Various embodiments of the object of the invention are shown schematically by way of example (3'example in the accompanying drawings.
Fig. 1 shows a gas heater in which the working fluid is already brought to its final temperature in the part of the apparatus heated by radiation.
Fig. 2 shows a gas heater in which the entire contact heated surface is divided into two parts, both arranged in the same vertical flue.
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Fig. 3 shows a gas heater in which the contact-heated surface is likewise divided into two parts arranged one in a vertical flue and the other in a horizontal channel connecting the latter to the combustion chamber.
Fig. 4 shows an embodiment similar to that of FIG. 3, except that the part of the surface heated by contact and produced in the form of a tube bundle arranged in the horizontal connecting channel is traversed by the working fluid in the direction of flow of the combustion gases.
Fig. 5 shows a gas heater in which the contact-heated surface is divided into three parts, two of which, crossed by the working fluid against the direction of flow of the combustion gases, are arranged in two vertical flues, while one part, which the working fluid passes through in the direction of flow of the combustion gases, is arranged in a horizontal connecting channel.
1 indicates in fig. 1 the hearth of a heating appliance for gas A heated with oil and belonging to a thermal installation of motive force, not shown, in which air, serving as working fluid , describes a closed circuit during which it is brought to a relatively high pressure in at least one compressor, after which it is indirectly heated by supplying external heat in the gas heater A and then expanded in at least one turbine supplying power both to the compressor and to a useful power receiver. 3 designates a burner to which the combustion air is supplied via a pipe 2 and the fuel via a pipe 4.
The combustion chamber 1 is lined with tubes 5 through which the air to be heated from the circuit passes. Part of the heat contained in the combustion gases is transmitted in this chamber 1 to the tubes 5 mainly by radiation, another part being however also supplied to them by contact. From the hearth 1 the combustion gases flow into a second chamber 11 in which estdisposis a system of tubes 7 to which the combustion gases give up heat by contact.
The air to be heated in the apparatus A is brought through a pipe 12 and is divided
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at point 6 in two parallel streams, one of which passes in the direction of flow of the combustion gases through the tubular part 5 heated mainly by radiation, the other flow through the tubular part 7 heated by contact against the flow of these gases . The parallel currents thus heated meet at point 13 to pass from there into a pipe 14 constituting another constituent part of the circuit through which the heated air must pass, as has just been said.
The combustion gases which escape from chamber 11, that is to say what is usually called the fumes, then have to pass through a further preheater 8 in which the combustion air intended for the burner 3 is preheated by passing through a tubular system 9. The strongly cooled fumes finally enter the atmosphere through a chimney 10.
In order to get an idea of the phenomena which take place in the gas heater A thus described, it should be remembered that in the tubular part 5 heated mainly by radiation the air to be heated can be carried by the combustion gases which flow in the same direction as it, for example from 300 to 600 C, and also from 300 to 600 C. in the tubular part 7, heated by contact by the combustion gases which flow in the opposite direction , while the temperature of the combustion gases falls in the furnace 1 for example from 1000 to about 900 or 950 C., in the chamber 11 from 950 to about 550 C., and in the air preheater 8 from about 550 to 250.
Apart from the fact that, in the gas heater described, a good heat exchange can be obtained at a relatively low cost of construction materials, the apparatus has this advantage other than the pressure drop which must be observed. to accommodate in the tubular parts 5 and 7, at equal air speed, is appreciably less than if the air to be heated were to cross these parts 5 and 7 one after the other. It follows that , for the same pressure drop as previously in the gas heater, a substantially higher flow speed can be chosen, which ensures favorable heat exchange and correspondingly the desired operating safety, especially in the heated part by radiation.
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An appropriate choice of the dimensions of the tubes makes it possible to obtain a desired feed rate for the two tubular parts 5 and 7, the air then preferably being brought to substantially the same temperature.
As a certain drop in pressure in the tubes is necessary to obtain a uniform feed rate of tubular parts connected in parallel, it is advantageous that the diameter of the tubes of the part 5 decreases. in the direction of flow. The portion of tube of minimum section located on the outlet side of the working fluid to be heated then produces the pressure drop necessary for the uniformity of the supply of the tubes connected in parallel with part 5.
At the same time, thanks to the high speed of the working fluid, the heat absorption inside the tubes of part 5 is ensured despite the small temperature difference between the working fluid (air) and the wall temperature maximum admissible tubular. It is also possible to act on the heat input by means of regulating members making it possible to regulate the quantity of air which passes through parts 5 and 7.
In the case of the embodiments described below, the operational safety is further increased by supplying the working fluid leaving the part of the device heated mainly by radiation, at the same time as that which leaves the part heated by radiation. contact, in addition to cover the hottest region of this latter part of the apparatus, so that the working fluid does not have to be heated to its final temperature in the heated part of the gas heater by radiation
In fig. 2, 15 designates a hearth heated by means of a grate 16. The working fluid to be heated flows through a line 17 and is fed through lines 18 and 19 to distributors 20 and 21.
The working fluid which passes through the tubes 22 heated mainly by radiation collects in collectors 23 and passes through a pipe 24 into a second collector 25. As for the working fluid arriving from the distributor 20, it flows through. a tubular system constituting part of a contact heated surface located in the zone of the lowest temperatures and also flows to the manifold 25.
From there, the entire mass of the working fluid passes through a tubular system 27 constituting the second part of said
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surface heated by contact and in which this working fluid is brought to its final temperature, after which it passes to a manifold 28 and from there to a consumer not shown, for example a gauze turbine
In the case of the embodiment according to fig. 3, part 29 of the contact heated surface traversed by the entire mass of the working fluid to be heated and which is in the zone of the highest temperatures is located in a horizontal channel 30 which connects the combustion chamber 31 to a first vertical flue 320.33 designates a second vertical flue which follows the flue 32.
The part 34 of the contact heated surface disposed in the lowest temperature zone is located in the vertical flue 32, and like the part 29 of the apparatus, made in the form of a tube bundle, the said part. part 34 is traversed against the flow of the combustion gases. Between the two parts 29 and 34 of the gas heater are further interposed a manifold 35 and a distributor 36.
The heating bundle 29 is connected to this distributor 36 and to a manifold 37, so that it can easily be dismantled, and this without having at the same time to dismantle the part 34 of the gas heater, consisting of a bundle. tubular. This circumvents the difficulty presented by the suspension of heating bundles in gas heater flues of the kind envisaged here, since it is difficult to find for this suspension a material having the high characteristics necessary as regards resistance to a permanent force and 9 its inalterability to fire.
In particular, the suspension of the part of the heating bundle which comes into contact with the still very hot gases coming from the hearth presents in this respect considerable construction difficulties.
Since the heating bundle located in the zone of these highest temperatures and belonging to the part of the appliance heated by contact is now mounted inside a horizontal channel between the hearth and a vertical flue, one can either rest this bundle directly on the masonry cladding, or again, as shown, suspend it from a separate manifold and distributor, so that it can easily be removed from above. 'is precisely this beam belonging to the part of the heated apparatus
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by contact which is most rapidly exposed to some corrosion by fire and which therefore needs to undergo from time to time an overhaul,
these facilities provided for its disassembly constitute an appreciable advantage. Disassembly can be further facilitated by making certain parts of the horizontal communication channel in the form of cover plates 38 (FIG. 3).
The embodiment shown in FIG. 4 differs from that which has just been described simply in that the heating bundle 39 mounted in the horizontal connecting channel 40 - bundle in which the working fluid coming from the part 41 of the apparatus heated by radiation and of the part 42 heated by contact must be brought to its final temperature and the bundle located in the zone of the lowest temperatures - is traversed by said working fluid not against the burnt gas as in the case of fig. 3 but in the same way.
This results in this advantage that the regions of the heating bundle 39 which come into contact with the hottest combustion gases are traversed by working fluid which is many degrees cooler than that which flows from this. beam. For example, the temperature of the working fluid can be 500 C. in distributor 43 and 600 C. in collector 44.
Finally, Fig. 5 shows an embodiment in which the contact heated surface is divided into three parts 45, 46 and 47. Part 47 which is in the lower temperature zone is housed in a second flue 48 and is located between the heating surfaces 49 and 50 of a combustion air preheater. As a hearth, there is shown a garbage incineration furnace 51, 52.