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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE . BREVET D'INVENTION la Société dite: COMPAGNIE GENERALE DE CONSTRUCTION DE FOURS Réchauffeur de gaz Demande de brevet français en sa faveur du 26 Juin 1944.
Dans la technique des fours industriels chauffés par combustibles gazeux (gaz de ville, gaz de cokeries, gaz pauvre etc..) on peut, suivant divers moyens connus, réchauffer soit l'air de combustion, soit à la fois l'air et le gaz au moyen des fumées chaudes sortant du laboratoire.
Le réchauffage de l'air ne souffre aucune difficulté, il s'effectue normalement dans des appareils continus ou discontinus construits en briques réfractaires ou poteries ; lesfuites, iné- vitables dans ce genre de récupérateurs, n'ont en effet qu'une médiocre influence sur le bilan thermique global de l'opération industrielle de chauffage. Il n'en est pas de même du réchauffage du gaz car les moindres fuites correspondent à des pertes importantes de chaleur sous forme latente.
Pour obvierà cet inconvénient,on a proposéde réchauffer le gaz de combustion dans des échangeurs de chaleur métalliques qui peuvent dès lors être réalisés de façon à peu près rigoureuse-' ment étanche. Cependant - même en faisant usage de métaux ou d'alliages réfractaires d'un prix élevé - ces échangeurs, qui sont généralement construits à la manière de surchauffeurs de vapeur, sont rapidement mis hors d'usage par suite d'oxydation ou de transformation cristalline du matériau qui les constitue.
On notera, en outre, qu'il est souvent avantageux de limiter le réchauffage du gaz à une température modérée de l'ordre de 300 à 400 par exemple, et de laisser dans les fumées une quantité de chaleur suffisante pour permettre le fonctionnement utile d'une chaudière de récupération.
L'invention, objet du présent brevet, se rapporte à un nouveau modèle de récupérateur métallique destiné, en principe, à réchauffer du gaz combustibleà une température modérée; mais susceptible également d'être utilisé pour réchauffer tout autre fluide gazeux et (ou) d'opérer à toute température compatible avec la résistance à la chaleur du métal employé.
La description ci-après, donnée à titre d'exemple de réalisation, fera comprendre le principe de l'invention:
La figure 1 représente une coupe élévation du dispositif d'ensemble.
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La figure 2 représente une vue en plan horizontal de l'appareil, en place dans un carneau de fumées, la voûte du carneau étant supposée enlevée.
La figure 3 donne une vue extérieure en bout de l'appareil.
La figure 4 représente une coupe verticale transversale, par le plan c d, du carneau de fumées contenant le réchauffeur.
La figure 5 représente une série de sections, par le plan a b, du corps de chauffe proprement it, suivant divers modes de réalisation.
Le réchauffeur de gaz se compose essentiellement de deux tubes métalliques concentriques : (1) extérieur et (2) intérieur, le tube extérieur est fermé à l'une de ses extrémités en (3), l'autre extrémité porte une tête (4) par où pénètre, au moyen d'un joint étanche et démontable, le tube intérieur.
Le gaz à réchauffer provenant de la canalisation de distribution (5) passe par un branchement de piquage (6), par un robinet à trois voies (7), par la canalisation coudée (8) et pénètre dans le tube central (2) ; il passe ensuite dans l'espace annulaire compris entre les tuyauteries (1) et (2) où il se réchauffe, il est enfin 'conduit aux brûleurs par l'intermédiaire de la tête (4) de la manchette (9) et de la tuyauterie (10) .
La circulation des fumées chauffantes est - en principe mais non obligatoirement - antiméthodique. La figure 1 représente une telle disposition, les fumées les plus chaudes arrivant en F et les fumées ayant cédé une partie de leur chaleur au gaz étant évacuées en F2. L'avantage de cette disposition est de protéger le tube extérieur chauffant (1) contre les "coups de feu"; en effet, à l'extrémité (3) du tube (1) le gaz arrive à peu près froid et, en outre, les mouvementstourbillonnaires provoqués par la sortie turbulente du tube (2) assurent un échange thermique excellent dans la zone soumise, extérieurement, aux températures les plus élevées.
En vue d'assurer une efficacité thermique maximum, il convient naturellement d'améliorer dans toute la mesure du possible la transmission calorifique à travers letube (1). La figure 5 montre trois variantes possibles à cet égard : sont trois sec- tions par un plan 1 b de l'échangeur proprement dit:
Le tracé de gauche représente une construction normale: le tube intérieur est constitué simplement par un tube mince en acier étiré, le tube extérieur est constitué par un tube à ailettes intérieures, analogue aux tubes de fumées employés sur certaines chaudières de locomotives et connus dans l'industrie sous le nom de tubes "Serve"; cette disposition permet le maximum d'activité d'échange entre le gaz à chauffer et le tube extérieur et, au contraire, un échange modéré entre le tube et les fumées;
elle sera donc employée principalement dans le cas de fumées très chaudes.
Le tracé du milieu comporte un tube extérieur (1) portant des ailettes intérieures et extérieures (ces dernières peuvent être longitudinales ou transversales, continues ou discontinues); cette disposition sera choisie de préférence lorsqu'il s'agira d'utiliser des fumées à température modérée afin d'améliorer la transmission en vued'une récupération plus poussée.
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Enfin le tracé de droite représente un montage simplifié consistant dans l'emploi d'un tube extérieur (1) lisse intérieu- rement et extérieurement, le centrage du tube intérieur - assuré dans les autres dispositifs par les ailettes intérieures - est ici obtenu au moyen de petites tiges soudées sur le tube inté- rieur.
Dans tous les cas le tube intérieur doit être monté avec un jeu suffisant pour permettre de le retirer sans difficulté malgré les déformations résultant du chauffage de l'appareil.
Le fonctionnement du réchauffeur ne nécessite pas de longues explications; on notera toutefois qu'il est avantageux de placer le corps chauffant (1) dans la partie la plus élevée du carneau parcouru par les fumées F1 f2, les fumées chaudes ayant tendance à circuler à la partie supérieure ; supportera le corps chauffant par un nombre suffisant de points d'appui pour éviter les fléchissements; é cet égard, la disposition représentée par les figures 2 et 4 est recommandable (mais non obligatoire). Les supports sont constitués par des mamettes ou briques placéesen chicane de façon à permettre, dans lebas du carneau, l'écoulement des fumees froides ; la partie supérieure des murettes comporte un plan incliné et un plan horizontal (figure 4) il en résulte une mise en place facile du corps chauffant.
Ainsi que pour tout appareil qui, d'une part, est parcouru par du gaz qui peut n'être pas parfaitement épuré et qui, d'autre part, est chauffé à une température relativement élevée, il.faut prévoir des facilités de nettoyage et de chan- gement pour réparations sans risque d'arrêter le four à marche continue desservi. A cet effet, le corps de chauffepeut être démonté rapidement de la façon suivante:
Le robinet à trois voies étant placé dans la position' (7') qui isole le réchauffeur, tout en assurant l'alimentation du four, on ferme la tirette d'obturation (11); on peut alors enlever le corps de chauffe en desserrant les assemblages (12) (13) et (14) ; le remplacement étant effectué par un corps de chauffe en bon état, on rétablit le courant de gaz au moyen du robinet (7) placé dans la position (7") et en ouvrant la ti- rette (11).
Bien entendu le système d'isolement par robinet à trois voies et tirette peut être remplacé par tout autre systèmes de robinets ou de vannes équivalent.
Dans ce qui précède on a supposé que le chauffage était effectué suivant le mode appelé habituellement "à courants parallèles" ou "antiméthodique"; le même appareil peut, bien entendu, être utilisé pour un réchauffage "méthodique", ou à "contre-courants", il suffit pour cela d'inverser le courant de fumées, les fumées les plus chaudes entrant en F2 et les fumées refroidies étant évacuées en F1; dans ce cas on trouvera avantage à calorifuger le tube intérieur (2) ou encore à réaliser cé tube en un matériau peu conducteur de la chaleur.
Il est précisé que, sans sortir du cadre de l'invention, on peut, pour certaines applications particulières: a) modifier les formes et dimensions du corps chauffant et de ses annexes: tête de distribution, tuyauteries, robinetterie, assemblages, mode de fixation etc.... b) modifier le mode de chauffage extérieur: notamment- employer un chauffage direct par foyer ou autrement; plonger @
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le corps de chauffe dans un bain chauffant; incorporer le corps de chauffe dans une maçonnerie de paroi de four ou de foyer pour diminuer les pertes par rayonnement de ces parois etc... c) utiliser pour la construction des matériaux autres que métalliques:
notamment des matériaux céramiques, ou bien, encore, avoir recours à une construction composite. d) donner aux ailettes tant intérieures qu'extérieures toute forme spéciale et même remplacer ces ailettes par une matière quelconque conductrice de la chaleur.
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DESCRIPTIVE MEMORY
SUBMITTED IN SUPPORT OF A REQUEST
OF. PATENT OF INVENTION the Company known as: COMPAGNIE GENERALE DE CONSTRUCTION DE FOURS Gas heater French patent application in its favor of June 26, 1944.
In the technique of industrial furnaces heated by gaseous fuels (town gas, coking gas, lean gas, etc.), it is possible, according to various known means, to heat either the combustion air, or both the air and the gas. gas by means of hot fumes coming out of the laboratory.
The reheating of the air does not suffer any difficulty, it is normally carried out in continuous or discontinuous devices constructed of refractory bricks or pottery; leaks, unavoidable in this type of recuperator, in fact only have a mediocre influence on the overall heat balance of the industrial heating operation. The same does not apply to heating the gas because the smallest leaks correspond to significant losses of heat in latent form.
In order to overcome this drawback, it has been proposed to heat the combustion gas in metal heat exchangers which can therefore be made in an almost strictly sealed manner. However - even with the use of high-priced refractory metals or alloys - these exchangers, which are generally constructed as steam superheaters, are quickly put out of service due to oxidation or crystalline transformation. of the material that constitutes them.
It will also be noted that it is often advantageous to limit the heating of the gas to a moderate temperature of the order of 300 to 400 for example, and to leave in the flue gases a sufficient quantity of heat to allow the useful operation of the gas. 'a recovery boiler.
The invention, which is the subject of the present patent, relates to a new model of metal recuperator intended, in principle, to heat combustible gas at a moderate temperature; but can also be used to heat any other gaseous fluid and (or) to operate at any temperature compatible with the heat resistance of the metal used.
The description below, given by way of exemplary embodiment, will make it possible to understand the principle of the invention:
Figure 1 shows a sectional elevation of the overall device.
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FIG. 2 represents a horizontal plan view of the apparatus, in place in a flue of smoke, the roof of the flue being supposed to be removed.
Figure 3 gives an exterior end view of the device.
FIG. 4 represents a transverse vertical section, by plane c d, of the flue gas pipe containing the heater.
FIG. 5 represents a series of sections, by plane a b, of the heating body itself, according to various embodiments.
The gas heater consists essentially of two concentric metal tubes: (1) outer and (2) inner, the outer tube is closed at one of its ends at (3), the other end has a head (4) through which the inner tube enters, by means of a watertight and removable seal.
The gas to be heated coming from the distribution pipe (5) passes through a tapping connection (6), through a three-way valve (7), through the bent pipe (8) and enters the central tube (2); it then passes into the annular space between the pipes (1) and (2) where it heats up, it is finally 'led to the burners by means of the head (4) of the sleeve (9) and of the piping (10).
The circulation of heating fumes is - in principle, but not necessarily - anti-method. FIG. 1 shows such an arrangement, the hottest fumes arriving at F and the fumes which have given up part of their heat to the gas being discharged at F2. The advantage of this arrangement is to protect the heating outer tube (1) against "gunshots"; in fact, at the end (3) of the tube (1) the gas arrives almost cold and, in addition, the vortex movements caused by the turbulent exit of the tube (2) ensure an excellent heat exchange in the subject area, externally , at the highest temperatures.
In order to ensure maximum thermal efficiency, it is naturally advisable to improve as far as possible the heat transfer through the tube (1). Figure 5 shows three possible variants in this regard: are three sections through a plane 1b of the exchanger proper:
The line on the left represents a normal construction: the inner tube is constituted simply by a thin drawn steel tube, the outer tube is constituted by an inner finned tube, similar to the smoke tubes used on certain locomotive boilers and known in the industry under the tube name "Serve"; this arrangement allows the maximum exchange activity between the gas to be heated and the outer tube and, on the contrary, a moderate exchange between the tube and the fumes;
it will therefore be used mainly in the case of very hot fumes.
The middle path comprises an outer tube (1) carrying inner and outer fins (the latter may be longitudinal or transverse, continuous or discontinuous); this arrangement will be chosen preferably when it comes to using fumes at moderate temperature in order to improve the transmission with a view to further recovery.
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Finally, the line on the right represents a simplified assembly consisting in the use of an outer tube (1) smooth inside and out, the centering of the inner tube - ensured in the other devices by the inner fins - is here obtained by means of small rods welded to the inner tube.
In all cases, the inner tube must be fitted with sufficient play to allow it to be removed without difficulty despite the deformations resulting from the heating of the appliance.
The operation of the heater does not require long explanations; however, it will be noted that it is advantageous to place the heating body (1) in the highest part of the flue through which the fumes F1 f2 pass, the hot fumes having a tendency to circulate at the upper part; support the heating body by a sufficient number of support points to avoid sagging; In this regard, the arrangement shown in Figures 2 and 4 is recommendable (but not mandatory). The supports are constituted by mamettes or bricks placed in baffle so as to allow, in the bottom of the flue, the flow of cold smoke; the upper part of the low walls has an inclined plane and a horizontal plane (figure 4) resulting in easy installation of the heating body.
As with any appliance which, on the one hand, is traversed by gas which may not be perfectly purified and which, on the other hand, is heated to a relatively high temperature, it is necessary to provide for cleaning facilities and change for repairs without the risk of stopping the continuous oven being served. For this purpose, the heating body can be quickly dismantled as follows:
The three-way valve being placed in position '(7') which isolates the heater, while ensuring the supply of the oven, the shutter tab (11) is closed; the heating body can then be removed by loosening the assemblies (12) (13) and (14); the replacement being carried out by a heating body in good condition, the gas flow is re-established by means of the valve (7) placed in position (7 ") and by opening the dowel (11).
Of course, the isolation system by three-way tap and pull-tab can be replaced by any other tap or equivalent valve system.
In the foregoing it has been assumed that the heating was carried out according to the mode usually called "with parallel currents" or "anti-method"; the same device can, of course, be used for "methodical" or "counter-current" heating, it suffices for this to reverse the flow of fumes, the hottest fumes entering F2 and the cooled fumes being evacuated in F1; in this case, it will be advantageous to insulate the inner tube (2) or else to make this tube out of a material which does not conduct much heat.
It is specified that, without departing from the scope of the invention, it is possible, for certain specific applications: a) to modify the shapes and dimensions of the heating body and its annexes: distribution head, piping, valves, assemblies, method of fixing etc .... b) modify the outdoor heating mode: in particular - use direct heating by fireplace or otherwise; dive @
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the heating body in a heating bath; incorporate the heating body in the masonry of the wall of the furnace or hearth to reduce the radiation losses of these walls, etc. c) use for construction materials other than metallic:
in particular ceramic materials, or alternatively, resorting to a composite construction. d) to give the fins, both internal and external, any special shape and even replace these fins with any material which conducts heat.