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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.