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" Procédé et dispositif pour chauffer des courants de gaz ou de vapeurs."
La présente invention concerne un procédé et un disposi- tif pour le chauffage indirect de courants de gaz ou de vapeurs, la température de la source de chaleur pouvant être maintenue élevée et même, en fait, supérieure d'une valeur nuisible pour la surface de transmission, par exemple supérieure à 1000 C
Le procédé, objet de l'invention, convient particulière- ment bien lorsqu'il s'agit d'obtenir, pour l'agent chauffé qui circule, des températures assez élevées pour se situer à proxi- mité de la température à laquelle la surface de chauffe ou la matière qui la constitue serait endommagée.
C'est ainsi qu'il est possible, en pratique, conformément à l'invention, de chauf- fer par exemple un gaz à 950 C, à l'aide d'un autre gaz se trou- vant à une température de 1500 C, avec une surface de chauffe
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constituée en une matière dont la température d'oxydation est de 1000 C.
L'invention permet une utilisation économique, d'une part, de la différence de température qui peut être maintenue entre le fluide chaud et le fluide froid et, d'autre part, des pro- priétés de la, matière dont on dispose pour constituer la sur- face de chauffe.
Si l'on part des gaz de fumée usuels ayant une températu- re de 1200 C, la chaleur transmise par rayonnement à une paroi à température raisonnable, par exemple à 600 C, par une couche gazeuse de 2 m. par exemple, est d'environ 50.000 kcal/M2.h.
Avec un coefficient de transmission thermique de 50 kcal/m2.h. C sur la, face interne de la paroi, ce qui correspond aux conditi- ons usuelles avec des courants gazeux sensiblement à la pres- sion atmosphérique, on obtiendrait une différence de températu- re entre la surface de chauffe et le gaz chauffé de 1000 C, ce qu'il n'est pratiquement pas possible de réaliser. Pour obtenir avec du gaz chauffé à une température de 400 C, une température de paxoi de 600 C, comme il a été supposé ci-dessus, il fau- drait par conséquent, avec la transmission thermique calculée de 50.000 kcal/m2.h., un indice de transmission thermique de 250 kcal/m2.h. C, qui ne peut pas être pratiquement obtenu avec des gaz.
Conformément à la présente invention, il est par contre possible, de façon surprenante, de disposer la surface de chauf- fe pour que le rayonnement soit distribué de telle manière que l'on n'obtienne en aucun endroit une élévation trop forte de la température de la surface.
La présente invention est caractérisée en ce que la sur- face de chauffe est constituée par des tubes disposés sensible- ment dans le sens vertical, qui sont chauffés principalement par rayonnement de la source thermique et qui sont disposés, par rapport à cette dernière, de façon à être chauffée par le rayonnement d'une grande couche gazeuse, par exemple d'une cou- che de 0,5 à 1,0 m. ou plus d'épaisseur; le gaz ou la vapeur
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que l'on chauffe et qui passe à l'intérieur des tubes du four à rayonnement ne traverse qu'une seule fois la source de chaleur dans le sens longitudinal du four à rayonnement et ceci, de pré- férence, directement de l'admission à la sortie.
Les parties les plus chaudes de la source de chaleur ne viennent pas direc- tement en contact avec la surface de chauffe, mais, au contraire se refroidissent par rayonnement vera une très grande partie de cette surface. On obtient ainsi une rapartition de la chaleur rayonnée, qui, jusqu'ici, n'était pas utilisée efficacement.
Dans les types d'échangeurs connus de ce genre, la surface de chauffe était, en règle générale, disposée par rapport à la source thermique de façon qu'un rayonnement thermique très im- portant frappait une faible partie de cette surface, qui se trou- vait ainsi portée à une température beaucoup plus élevée que l'autre partie de la surface dont la résistance calorifique glo- bale ne pouvait en conséquence être utilisée que dans une faible mesure. Ceci avait aussi pour conséquence que l'on ne pouvait pas donner au fluide chauffé produit une température aussi éle- vée qu'il eut été possible autrement.
Pour empêcher des détéri- orations de la matière constituant les surfaces de chauffe, on était aussi obligé, dans ces types d'échangeurs, de limiter la température d'admission du fluide chauffant, par exemple en re- cyclant des gaz refroidis en mélange avec le gaz chaud entrant dans le dispositif. Ceci avait de nouveau pour résultat que la quantité de chaleur transmise par m2 de surface était faible, d'une part, parce que l'on supprimait en grande partie la trans- mission de chaleur par rayonnement aux hautes températures et, d'autre part, parce que la différence de température des élé- ments entre lesquels s'effectuait l'échange thermique était re- lativement faible.
Conformément à l'invention, la majeure partie de la surfa- ce de chauffe tournée vers la partie principale de la source de rayonnement est exposée, en toutes ses parties essentielles pour la transmission de chaleur, à un rayonnement direct de la tota- lité de la dite partie principale de la source thermique.
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Par conséquent, contrairement à ce qui se passe avec les modes de construction connus, le rayonnement de la source ther- mique est réparti, conformément à l'invention, sur une très grande partie de la surface de chauffe. On évite de ce fait des surchauffes locales et la majeure partie de la surface de chauf- fe est, en ce qui concerne la transmission de la chaleur, beau- coup mieux utilisée que dans les constructions connues.
Le rayonnement est distribué de façon particulièrement avantageuse lorsque la surface de chauffe est disposée symétri- quement par rapport à la, source de chaleur.
Dans les modes de construction connus, la température des diverses parties de la surface de chauffe était déterminée es- sentiellement par la température des parties adjacentes de l'agent chauffant et des surfaces de chauffe adjacentes.
Dans le présent cas, la majeure partie de la surface de chauffe est exposée au rayonnement de la masse principale de la source de rayonnement. La température des diverses parties de la surface de chauffe est donc déterminée davantage par la quan- tité totale de chaleur amenée par la source thermique que par la température des diverses parties de la. source de rayonnement.
Conformément à l'invention, il est en conséquence possible et avantageux de répartir la surface de chauffe, tournée vers la masse principale de la source thermique, de façon que la tem- pérature soit relativement uniforme dans toutes les parties de la surface de chauffe intervenant dans la transmission de cha- leur. La répartition se fait avantageusement de façon que les écarts de température, par rapport à la valeur moyenne, restent inférieurs à 20% de la température de la source thermique, au début du fonctionnement et soient par exemple inférieurs à 15 ou 10% de cette température.
L'importance des écarts dépend principalement du dégré d'échauffement de l'agent à chauffer et du refroidissement de l'agent chauffant. Souvent, on peut maintenir des écarts très faibles, par exemple inférieurs à 2 ou 5%, précisément lors du fonctionnement aux températures maxima admissibles pour la sur=
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face de chauffe.
Dans un appareil de chauffage de gaz opérant de cette manière avec rayonnement réparti d'une façon relativement uni- forme, la température de la surface de chauffe est à peu près insensible, toutes choses égales d'ailleurs, à des élévations de la température de la source thermique et elle ne dépend essentiellement que de la quantité de chaleur amenée.
Pour des raisons pratiques, il est avantageux, en parti- culier lorsque la source de chaleur est à température relative- ment basse, à environ 1200 C, ou à une température située dans la gamme correspondant approximativement à la température de combustion du gaz de gazogène usuel avec excès d'air normal, de limiter la quantité de chaleur amenée par unité de temps de fa- çon que la température de la surface de chauffe reste inférieu- re à la valeur nuisible pour cette dernière, même lorsque les écarts de température d'admission de la source thermique sont supérieurs d'environ 30% à la valeur normale. Dans ce cas,seuls comptent naturellement les écarts dans le sens de l'élévation de la température.
Sous la condition que la quantité de chaleur amenée au four soit constante, la température de l'agent de chauffage est d'autant plus efficace qu'elle est plus élevée. En conséquence la'région qui rayonne est d'autant plus concentrée que la tem- pérature d'arrivée de l'agent cédant de la chaleur est plus élevée. Ainsi, avec une température d'admission du fluide chauf- fant d'environ 1600 à 2000 C, la cession de chaleur par le flui- de chauffant est réalisée essentiellement à partir d'une partie de son volume suffisamment petite pour qu'une nouvelle éléva- tion de sa température ne joue pratiquement aucun r8le sur la répartition de l'intensité de rayonnement sur les diverses par- ties de la surface de chauffe d'un dispositif constitué confor- mément à l'invention.
Dans ce cas, il est pratiquement possible, par conséquent, de réaliser l'objet de l'invention de façon qu'en limitant uniquement la quantité de chaleur amenée par unité de temps, la température de la surface de chauffe soit,..
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indépendamment de la température de la source thermique, infé- rieure à une valeur nuisible pour cette surf ace. Il est mani- feste qu'un dispositif ainsi construit présente une extraordi- naire sûreté de fonctionnement De plus, son réglage est simpli- fié dans une large mesure, étant donné qu'en règle générale, il suffit de surveiller la quantité de l'agent chauffant débité, tandis que sa température ne joue aucun rôle.
Lorsque la chaleur est produite par combustion de combus- tible solide, liquide ou gazeux, la quantité de chaleur peut également être réglée avantageusement par réglage de la quantité d'air nécessaire à la combustion.
En considération de ce qui est indiqué ci-dessus, il est manifeste qu'en maintenant constante la quantité de chaleur introduite dans le dispositif conforme à l'invention, la tempé- rature de la surface de chauffe peut être réglée indépendamment de la température d'admission de l'agent de chauffage, unique- ment par réglage de la température et/ou de la quantité de flui- de chauffée par unité de temps.
Il est également manifeste qu'il suffit, avec une quantité normale de fluide froid, de limiter la quantité de chaleur ame- née à une valeur maximum déterminée pour empêcher toute sur- chauffe de la surface de chauffe. Si, pour une raison quelcon- que, la quantité de fluide froid diminue, il faut toutefois limiter la quantité de chaleur amenée, sans quoi la température du fluide froid à l'échappement s'élèverait à un point tel qu' il y aurait un risque de détérioration de la surface de chauffe.
Il est donc avantageux de prévoir un réglage automatique du débit de fluide chaud en fonction du débit de fluide froid.
Parmi les métaux susceptibles d'être utilisés économique- ment, il nty en a, tout au moins actuellement, aucun qui sup- porte sans détérioration des températures supérieures à. 1000- 12000C, tandis que la température de la source thermique peut être, dans de nombreux cas, de 2000 C et plus. Bien que ceci fournisse une indication sur ce qu'on entend ici par une tempé- rature nuisible pour la surface de chauffe, ceci ne limite
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aucunement la portée de l'invention, qui peut au contraire être également utilisée avec des matériaux qui résistent à des gam- mes de températures supérieures.
Dans les types d'échangeurs connus, on ne pouvait pas utiliser une si grande différence de température entre ces tem- pératures élevées de combustion et la température admissible pour la surface de chauffe. Mais, ceci est rendu possible con- formément à l'invention du fait que la répartition du rayonne- ment sur la surface de chauffe disposée conformément à l'inven- tion et, par là également, la répartition des températures sur cette surface, sont assez, uniformes pour que la résistance ca- lorifique de la matière soit utilisée sur la plus grande partie de sa surface.
Etant donné qu'une telle répartition uniforme de la température dépend aussi de l'intensité du refroidisse- ment de la surface de chauffe par le fluide froid, il est mani- feste que le rayonnement peut être maximum sur les parties de la surface de chauffe où le refroidissement est le plus intense.
Etant donné que le rayonnement du fluide chaud est maximum à l'entrée et que, en règle générale, le fluide froid possède le pouvoir refroidissant maximum à son admission, il est manifeste qu'il est très avantageux, dans l'échangeur en question, d'opé- rer en équicourant.
Etant donné que le fluide froid ne peut souvent pas être chauffé jusqu'à la température approximative d'admission du fluide chaud, en raison des propriétés de la matière constitu- ant la surface de chauffe, il est également manifeste que, dans un dispositif conforme à l'invention, un chauffage en contre- courant ne comporte pas d'inconvénient du point de vue de l' économie thermi que. Ceci est le cas, en particulier, lorsque les dispositifs sont principalement destinés à un échange de chaleur par rayonnement et, par conséquent, lorsque l'agent cédant de la chaleur quitte également le dispositif à une tem- pérature relativement élevée, par exemple de 800 à 600 0.
Comme on l'a mentionné ci-dessus, une répartition unifor- me du rayonnement sur la majeure partie de la surface de chau- '
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fe suppose une couche rayonnante relativement épaisse. Il n'est donc pas avanta,geux de subdiviser le fluide chaud en un certain nombre de courants différents, par exemple dans des tubes, où la distance entre les parois des tubes est relativement faible.
Si, par contre, on fait passer le fluide froid, à travers le fluide chaud, dans un certain nombre de tubes, qui ne se protègent pas les uns les autres du rayonnement de la masse principale de la source thermique, on peut obtenir constructive- ment la grande épaisseur gazeuse rayonnante pour le fluide chaud qui constitue une caractéristique de l'invention.
En vue d'éviter des surchauffes locales et les tensions thermiques qui en résultent, ainsi que d'autres dangers pour la matière constituant les surfaces de chauffe, il faut que la sur- face des tubes soit aussi lisse que possible et sans, cavités brides, etc. La face de la surface de chauffe tournée vers le fluide chaud doit donc présenter, dans les parties intéressant l'échange calorifique, une convexité aussi régulière que possi- ble.
Pour le fluide chaud dont la vitesse est relativement fai- ble en raison de la, grande épaisseur de gaz, les courants qui se forment par suite de la, variation du poids spécifique du gaz avec la température jouent un rôle considérable. Etant donné qu'il est en outre important, comme on l'a signalé, que la sour- ce de rayonnement soit concentrée de manière que la répartition du rayonnement soit uniforme, il est avantageux, dans un dispo- sitif conforme à l'invention, de faire circuler le gaz chauffant de façon à éviter, dans la plus large mesure possible, les cou- rants qui se formeraient par suite des fluctuations de tempéra- ture, c'est-à-dire qu'il faut diriger le gaz de haut en bas le long de la surface de chauffe.
Pour obtenir un bon échange calorifique entre les parois des tubes et le fluide froid, donc pour assurer un refroidisse- ment efficace de la surface de chauffe, la, vitesse du fluide froid doit être relativement grande en comparaison de la vites- se du fluide chaud. Les perturbations du courant causées par;,
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la température du fluide sont donc sans importance, de sorte que le sens de circulation du fluide dans les tuyaux n'a, de ce point de vue, que peu d'importance.
Suivant les explications données ci-dessus, le fait que les fluides entre lesquels se produit l'échange thermique cir- culent dans le sens vertical joue un rectain rôle. Il faut donc disposer les tubes plus ou moins verticalement. En outre, étant donné que, lorsqu'on doit utiliser les propriétés thermiques de la matière constituant la surface de chauffe, cette matière se trouve portée à des températures où sa résistance mécanique est très faible, il est avantageux de disposer éventuellement des boites collectrices à la partie inférieure du jeu de tubes uti- lisé, les efforts principaux étant, ainsi, des efforts de trac- tion. En outre, la charge augmente progressivement dans la par- tie supérieure du jeu de tubes.
Etant donné que, selon ce qui a été dit ci-dessus, l'intensité de rayonnement maximum règne à cette partie supérieure, il faut aussi que le refroidissement des tubes soit plus fort en ce point. Il faut donc introduire le fluide froid par en haut et par conséquent les deux éléments doivent, pour cette raison aussi, travailler en équicourant.
Mais il est également possible de disposer les tubes de- bout, leurs parties supérieures et le cas échéant la boîte col- lectrice supérieure étant libres. Conformément à ce qui a été dit ci-dessus au sujet de l'équicourant, il est avantageux dans ce cas d'introduire les fluides par en bas, ce qui présente de l'importance lorsqu'on utilise un combustible solide dans un foyer placé à la partie inférieure.
Conformément à l'invention, l'échange thermique entre le fluide chaud et le fluide froid se fait avantageusement en équicourant, tant que la majeure partie de la transmission de chaleur entre le fluide chaud et la surface de chauffe se fait par rayonnement. Il s'ensuit que la température d'échappement du fluide chaud est relativement élevée et en tout cas supéri- eure à la température de départ du fluide froid.
Afin que le bilan thermique n'en souffre pas, il faut que @
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les calories contenues dans le fluide chaud qui s'échappe soi- ent utilisées. Ceci peut être réalisé principalement, conformé- ment à l'invention, de deux manières différentes.
En raison du fait qu'au cours de l'échange calorifique réalisé de la manière susmentionnée, la température de la sur- face de chauffe est relativement indépendante de la température de la source rayonnante, on peut élever sans inconvénient cette température en utilisant les calories du fluide chaud qui s' échappe pour le réchauffage de l'air de combustion, du gaz com- bustible, etc., les calories se trouvant ainsi ramenées daxzs le cycle de l'opération.
En particulier dans les cas où la sour- ce thermique (source de rayonnement) est produite par combusti- on, il est par conséquent avantageux de réchauffer l'air de combustion et/ou le combustible à l'aide du fluide chaud qui s'échappe, en vue d'obtenir une haute température de combustion, qui, conformément au procédé objet de l'invention, peut être utilisée complètement pour l'échange calorifique.
Au cas où, pour une raison quelconque,, on ne désire pas mettre en oeuvre ce mode opératoire, il est possible, en règle générale, d'utiliser la chaleur contenue dans le fluide chaud qui s'échappe pour le réchauffage du fluide froid qui arrive.
Non seulement ce procédé augmente le bilan thermique de l'opé- ration d'échange, mais il permet aussi une meilleure utilisation de la matière relativement coûteuse constituant les surfaces de chauffe qui reçoivent la chaleur de rayonnement. Ce réchauf- fage s'effectue avantageusement en contre-courant.
Le fluide chaud qui s'échappe peut être éventuellement utilisé pour le réchauffage du fluide chaud qui entre et de ses constituants, ainsi qu'également du fluide froid qui entre.
L'exemple suivant illustre les avantages obtenus par 1'invention.
Un gaz doit être chauffé de o à 600 C en utilisant un fluide chaud à 1800 C, produit par une combustion effectuée avec un excès d'air normal.
Jusqu'ici, on a, par exemple, procédé en chauffant le gaz
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dans un échangeur thermique par des gaz de combustion provenant d'un four, ceux-ci étant mélangés avec des fumées s'échappant de l'échangeur thermique et qui sont par exemple à 200 C, jus- qu'à ce que la température du mélange soit d'environ 800 à 900 0.
Dans les dispositifs connus, on ne pouvait pas dépasser cette température parce que le rayonnement sur les parties particuliè- rement exposées de la surface de chauffe,.et, en général, sur les parties voisines de l'arrivée des gaz dans l'échangeur ther- mique, était trop fort. Par conséquent, dans cet échangeur l'un des fluides est refroidi de 800 0 à 200 C tandis que l'autre est chauffé en contre-courant de 0 à 600 C. La différence de température moyenne est d'environ 200 C. Le coefficient de trans- mission thermique peut être estimé, avec les parties de charge usuelles, à environ 20 kcal/m2.h. C. La surface de chauffe né- cessaire pour la transmission de 1.000.000 kcal/h est par con- séquent de 1.000.000/200.20 = 250 m2.
Si, au lieu de ce qui vient d'être décrit, le traitement thermique s'effectue conformément à la présente invention, les gaz s'échappant de l'échangeur par rayonnement qui travaille en équicourant, réchauffant en contre-courant le fluide froid entrant dans cet appareil, il se produit ce qui suit :
Dans l'échangeur par rayonnement, la température du fluide chaud est avantageusement abaissée de 1700 à 800 C.
Ensuite, ce fluide chaud est refroidi de 800 à 200 C par échange en contre- courant avec le fluide froid qui entre, celui-ci étant réchauf- fé de 0 à 200 C dans le réchauffeur à contre-courant et entrant ensuite dans l'échangeur par rayonnement, où sa température passe de 200 à 600 C. Les deux tiers environ de la quantité de chaleur sont échangés dans l'appareil de rayonnement et un tiers. dans l'appareil à contre-courant.
Si l'on utilise, pour la surface de chauffe de l'appareil de rayonnement, la même matière que pour l'échangeur thermique mentionné à l'exemple ci-dessus, c'est-à-dire une matière qui supporte 800 C, on peut, lorsque l'appareil travaille en contre-courant, en raison des surfaces de chauffe disposées symétriquement et de la grande
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épaisseur de la couche rayonnante, maintenir la surface de chauffe tout entière à une température d'environ 800 C.
L'écart moyen de température entre la. surface de chauffe et le gaz ré- chauffé est alors de 360 C. Etant donné que, dans ce cas,la chaleur est transmise à la surface de chauffe par rayonnement et que l'on peut utiliser, en raison des très grandes différen- ces de température, des trajets de gaz courts, et, en conséquen- ce, pour une même perte de charge, de très grandes vitesses, le coefficient de transmission thermique est d'environ 60 kcal/ m2. h. C.
Etant donné, d'autre part, que suivant les explications données ci-dessus, les deux tiers de la. quantité de chaleur glo- bale sont échangés dans l'appareil par rayonnement, il faut dans ce cas une surface de chauffe de 2. 1.000.000/3. 60. 360 = 31 m2.
Dans l'appareil à contre-courant, la différence de tempé- rature moyenne s'élève également (par hasard) à 360 C. Si l'on applique le même coefficient de transmission thermique que dans des appareils de type plus ancien, donc 20 kcal/m2.h. C, la surface de chauffe nécessaire est ici de :1/3. 1.000.000/20. 360 = 46 m2.
La surface de chauffe totale nécessaire est donc de 31 + 46 = 77 m2 contre une surface antérieure de 250 m2, ce qui représente une réduction supérieure à 70%. Dans les deux cas, la même quantité de fluide froid a été chauffée avec la. même quantité initiale de fluide chaud.
On signale en outre que, dans ce dernier cas, l'appareil est beaucoup plus insensible aux perturbations de fonctionne- ment que dans le premier cas. C'est ainsi que l'échangeur par rayonnement proprement dit est relativement insensible aux tem- pératures excessives du fluide chaud, tandis que l'appareil à contre-courant travaille dans de meilleures conditions malgré une même température du fluide chauffant à l'entrée, le fluide froid quittant cet appareil dès qu'il est à une température de 200 C et non pas seulement lorsqu'il a été porté à b00 C.
Ainsi qu'il ressort de ce qui est exposé plus haut, la surface de chauffe proprement dite de l'échangeur par rayonne- @
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ment est avantageusement constituée sous forme d'un faisceau tubulaire dont les tubes sont exposés au rayonnement, ceux-ci étant de préférence disposés en une couronne cylindri que. Le jeu de tubes peut être suspendu à un corps maçonné.
Suivant une forme de réalisation de l'invention, dans les fours et appareils analogues, la construction des parties non métalliques telles, par exemple, que les parois de four et les surfaces, de rayonnement, doit être de préférence réalisée de telle manière et en un matériau, avantageusement à faible cha- leur spécifique, tel, que ces parties présentent, pour celles qui ont en fonctionnement une température supérieure'à celle qui est nuisible pour la paroi de transmission thermique et les autres parties matalliques, une capacité thermique (valeur en eau) et/ou, pour les autres, une température suffisamment faible pour que la température d'équilibre qui s'établit dans le four à un certain moment, par exemple lors d'un arrêt subit de la circulation du gaz à chauffer,
ne dépasse pas la température critique pour la résistance du four, en particulier la tempéra- ture critique pour la paroi de transmission thermique. Ceci s'applique naturellement à l'ensemble, du four mais, en particu- lier, aux parties de celui-ci les plus voisines de la source de rayonnement.
Cette question présente une importance particulière pour les fours et appareils. analogues dans lesquels, les tubes con- tiennent un élément à chauffer de très faible capacité calorifi- que, comme par exemple des gaz sous pression modérée. Dans ce cas, il faut tenir compte de la valeur en eau du fluide à chauf- fer par rapport à celle des tubes ; la valeur en eau de l'élément est alors le plus souvent inférieure d'environ 1% à celle des tubes.. Pour des réchauffeurs de liquide, par contre, la valeur en eau du fluide à chauffer est de l'ordre de grandeur de deux fois celle du ou de tubes et, pour des chaudières à vapeur, elle est de grandeur pratiquement'infinie tant que l'ébullition se produit.
Il y a également lieu de remarquer que, dans des ré- chauffeurs de gaz du type considéré, le rapport entre la surfa-
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ce thermique et la surface de la paroi du four est de l'ordre de l'unité (de préférence non supérieur à 2 environ), tandis que, dans la plupart des réchauffeurs de gaz antérieure, il est de l'ordre de 10.
Le dessin annexé représente un exemple de réalisation d'un échangeur de chaleur pour gaz conforme à l'invention.
Dans ce dessin : fig.I est une coupe verticale d'un four à rayonnement conforme à l'invention; fig. 2 en est une coupe transversale; fig. 3 représente un joint de dilatation.
Le four représenté est constitué par un corps cylindrique comportant des parois 7 en matériau réfractaire. Les parois sont avantageusement construites en couches multiples, par ex- emple, en partant de l'intérieur, en briques réfractaires, mor- tier de chamotte, laine minérale et enveloppe extérieure en tôle d'acier. Ce corps repose sur un support 8. A la partie supérieure du corps se trouve une poche annulaire 10, à laquel- le sont suspendus librement un certain nombre de tubes 6 entre lesquels on a ménagé un espace libre 20. Ces tubes débouchent dans une poche inférieure II, qui n'est à peu près supportée que par les tubes 6. Entre deux tubes voisins est ménagé un écartement qui est environ de la moitié au double de leur dia- mètre, par exemple égal à ce dernier.
Il est en effet important, pour obtenir un rayonnement uniforme sur les tubes, que ceux-ci soient également soumis au rayonnement sur leurs faces posté- rieures, ce qui est rendu possible en écartant les tubes, les parois du four étant, de ce fait, exposées à un rayonnement direct produit par la source de chaleur et prenant une tempé- rature suffisamment élevée pour pouvoir, de leur côté, rayonner efficacement sur les faces postérieures des tubes. Le groupe de tubes en se reserrant vers le bas, en particulier pour per- mettre de retirer en bloc l'ensemble du jeu de tubes avec la boite de distribution et la boite collectrice. Les tubes sont placés avantageusement à une distance de I à 2 dm. de la paroi
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du four à leur partie supérieure et de 1 à 4 dm. de cette paroi à leur partie inférieure.
Ceci facilite l'extraction rapide de l'ensemble du jeu de tubes, ce qui peut être important par ex- emple lorsque celui-ci doit être, par suite de perturbations dans le fonctionnement, soustrait à l'action nuisible de tempé- ratures de parois trop élevées.
La boite supérieure 10 comporte une admission de gaz 13, tandis que la boîte inférieure II communique, par un conduit 14 et un joint de dilatation 16, avec la sortie des gaz 15. Pour éviter des efforts unilatéraux lors du mouvement des tubes 6 par suite de la dilatation thermique, on peut monter plusieurs 'conduits 14 et organes de dilatation 16, qui sont de préférence disposés symétriquement. L'organe de dilatation peut avantageu- sement être constitué par une sorte de joint hydraulique, le liquide étant constitué par un élément liquide à la température de travail mais qui est essentiellement non volatil, par exemple en plomb, alliage de plomb, métal à caractères d'imprimerie, etc.
La fig. 3 représente une telle forme de réalisation. Le tube 21 qui peut avoir, dans de grandes installations, un diamètre de plus de 0,5 m., est raccordé à la boîte collectrice II et plon- ge dans un récipient annulaire 23, solidaire de la partie supé- rieure du tube de sortie 22.
L'ensemble de l'appareil est limité à sa partie supérieure par une tête 12 constituant une tuyère à gaz ou contenant un conduit d'amenée de gaz 2, cette tête s'appliquant contre la boîte supérieure 10 et étant maintenue fixe soit par son propre poids, soit par tous moyens connus. La tête 12 comporte des raccords 3 et 4 pour l'arrivée du gaz et de l'air de combustion et de rayonnement 1 prévue dans la partie supérieure du corps de l'appareil. Dans ce cas, les tubes 6 se trouvent donc dans, le four proprement dit. Une sortie de gaz centrale 9 fait sail- lie dans le corps à sa partie inférieure, en protégant la boîte inférieure II de l'action des gaz chauds et en conduisant ces derniers vers la sortie 5.
Afin que le dispositif puisse résister aux efforts impor-'
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tants produits pa,r les -températures élevées et très variables, il faut naturellement que tout au moins les parties exposées directement au rayonnement de la source de chaleur rayonnante, surtout les conduites de gaz, présentent à la masse rayonnante des formes régulières et symétriques sans angles ni arêtes vifs.
Les raccordements aux boîtes 10 et II peuvent également être protégés du rayonnement direct et ceci au moyen d'écrans ou d'isolants, par exemple d'amiante, ou de toute autre façon.
Etant donné que le rayonnement se produit à partir de la partie du corps de l'appareil désignée par I; qui est située directe- ment au-dessous de l'admission des gaz 2, ainsi que par les surfaces adjacentes de la tête du four, les parties supérieures du jeu de tubes sont exposées aux efforts maxima et c'est pour- quoi il est particulièrement important de constituer correcte- ment et le cas échéant de bien protéger les parties supérieures du système de canalisations de gaz. Ce résultat est obtenu, dans l'exemple de réalisation représenté, par une constitution appropriée de la tête du four qui représente des parties 17 faisant saillie vers le bas et formant écran de protection des boîtes 10.
En outre, les parties supérieures se trouvent proté- gées du fait que le gaz à chauffer est introduit par le haut, par conséquent dans la caisse distributrice 10 et s'échappe en bas par la caisse collectrice II. De ce fait, la température des parties supérieures des tubes est maintenue plus basse qu' avec un sens de circulation des gaz inverse, ce qui est très important, le système de tubes étant suspendu librement et la résistance mécanique des tubes diminuant lorsque la température s'élève. Pour accélérer la transmission de la chaleur des pa- rois des tubes aux gaz passant à travers ces derniers, on peut disposer dans les tubes des garnitures intérieures 18, 19 pour augmenter les surfaces radiantes.
Conformément à l'invention, il est également possible de courber les tubes 6 de manière qu'ils puissent se dilater indé- pendamment les uns des autres. Les courbures peuvent alors être situées à la même hauteur ou plus haut que la tête 12, 17 ou ,
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bien aussi en un autre point des tubes, ou encore on peut cour- ber plus ou moins les tubes, par exemple les cintrer vers l'ex- térieur.
Lors d'une interruption intempestive du courant gazeux passant dans les tubes 6, on risque que ces tubes soient soumis à des efforts inadmissibles - même lorsque la source de rayon- nement est mise hors d'action, par exemple par fermeture auto- matique du conduit de gaz 3 ou de l'admission d'air 4 -, du fait de la chaleur accumulée dans le four, par exemple les pa- rois 7, à une température supérieure à celle des tubes. Il est donc avantageux de construire le four en un matériau à faible capacité thermique de façon que la température d'équilibre sus- ceptible de s'établir à un certain moment, par exemple lors de l'interruption subite de l'arrivée de gaz, ne dépasse pas la température critique pour la résistance du four.
Il est souvent avantageux de réchauffer préalablement les gaz à chauffer avant leur arrivée dans le four et, en conséquen- ce, suivant une forme de réalisation de l'invention, l'entrée de gaz 13 (ou 15) peut être reliée à un réchauffeur de gaz, dans lequel le réchauffage est avantageusement réalisé à l'aide des gaz d'échappement provenant du four lui-même. Le réehauffeur est alors relié également à la sortie de gaz 5.
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"Method and device for heating gas or vapor streams."
The present invention relates to a method and an apparatus for the indirect heating of gas or vapor streams, the temperature of the heat source being able to be kept high and even, in fact, higher by a value detrimental to the surface of the gas. transmission, for example greater than 1000 C
The process, which is the subject of the invention, is particularly suitable when it is a question of obtaining, for the heated agent which circulates, temperatures high enough to be situated close to the temperature at which the surface heater or the material which constitutes it would be damaged.
Thus it is possible, in practice, in accordance with the invention, for example to heat a gas to 950 ° C., with the aid of another gas having a temperature of 1500 ° C. , with a heating surface
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made of a material with an oxidation temperature of 1000 C.
The invention allows economical use, on the one hand, of the temperature difference which can be maintained between the hot fluid and the cold fluid and, on the other hand, of the properties of the material available to constitute it. the heating surface.
If we start with the usual flue gases having a temperature of 1200 C, the heat transmitted by radiation to a wall at a reasonable temperature, for example at 600 C, by a gas layer of 2 m. for example, is about 50,000 kcal / M2.h.
With a thermal transmission coefficient of 50 kcal / m2.h. C on the internal face of the wall, which corresponds to the usual condi- tions with gas streams substantially at atmospheric pressure, a temperature difference would be obtained between the heating surface and the gas heated by 1000 C. , which is practically not possible to achieve. To obtain with gas heated to a temperature of 400 C, a paxol temperature of 600 C, as assumed above, it would therefore be necessary with the calculated heat transfer of 50,000 kcal / m2.h. , a thermal transmission index of 250 kcal / m2.h. C, which cannot be practically obtained with gases.
In accordance with the present invention, on the other hand, it is surprisingly possible to arrange the heating surface so that the radiation is distributed in such a way that an excessively high rise in temperature is not obtained in any place. from the surface.
The present invention is characterized in that the heating surface is formed by tubes arranged substantially in the vertical direction, which are heated mainly by radiation from the heat source and which are arranged relative to the latter. so as to be heated by the radiation of a large gaseous layer, for example a layer of 0.5 to 1.0 m. or more thick; gas or steam
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which is heated and which passes inside the tubes of the radiation furnace passes through the heat source only once in the longitudinal direction of the radiation furnace and this, preferably, directly from the inlet to the output.
The hottest parts of the heat source do not come into direct contact with the heating surface, but, on the contrary, cool by radiation to a very large part of this surface. A repartition of the radiated heat is thus obtained, which, until now, was not used efficiently.
In known types of heat exchangers of this kind, the heating surface was, as a rule, disposed with respect to the heat source so that a very large thermal radiation struck a small part of this surface, which - was thus brought to a much higher temperature than the other part of the surface, the overall heat resistance of which could therefore only be used to a small extent. This also had the consequence that the heated fluid produced could not be given as high a temperature as would have been possible otherwise.
To prevent deterioration of the material constituting the heating surfaces, it was also necessary, in these types of exchangers, to limit the inlet temperature of the heating fluid, for example by recycling cooled gases mixed with it. hot gas entering the device. This again resulted in a low heat transfer per m2 surface area, on the one hand, because the radiation heat transfer at high temperatures was largely suppressed, and on the other hand. , because the temperature difference of the elements between which the heat exchange took place was relatively small.
In accordance with the invention, the major part of the heating surface facing the main part of the radiation source is exposed, in all its parts essential for the transmission of heat, to a direct radiation of the whole of the radiation. said main part of the heat source.
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Consequently, unlike what happens with known construction methods, the radiation from the heat source is distributed, in accordance with the invention, over a very large part of the heating surface. Local overheating is thereby avoided and the major part of the heating surface is, with regard to the heat transmission, much better used than in known constructions.
The radiation is particularly advantageously distributed when the heating surface is arranged symmetrically with respect to the heat source.
In known embodiments, the temperature of the various parts of the heating surface was determined essentially by the temperature of the adjacent parts of the heating medium and of the adjacent heating surfaces.
In this case, the major part of the heating surface is exposed to the radiation of the main mass of the radiation source. The temperature of the various parts of the heating surface is therefore determined more by the total amount of heat supplied by the heat source than by the temperature of the various parts of the. source of radiation.
In accordance with the invention, it is therefore possible and advantageous to distribute the heating surface, facing the main mass of the heat source, so that the temperature is relatively uniform in all the parts of the heating surface involved. in the transmission of heat. The distribution is advantageously done so that the temperature differences, relative to the average value, remain less than 20% of the temperature of the heat source, at the start of operation and are for example less than 15 or 10% of this temperature. .
The size of the differences depends mainly on the degree of heating of the medium to be heated and of the cooling of the heating medium. Very small deviations can often be maintained, for example less than 2 or 5%, precisely when operating at the maximum permissible temperatures for the over =
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heating face.
In a gas heater operating in this manner with relatively evenly distributed radiation, the temperature of the heating surface is nearly insensitive, all other things being equal, to rises in temperature of. the heat source and it depends essentially only on the quantity of heat supplied.
For practical reasons, it is advantageous, in particular when the heat source is at a relatively low temperature, about 1200 C, or at a temperature in the range corresponding approximately to the combustion temperature of the gasifier gas. usual with excess normal air, to limit the quantity of heat supplied per unit of time so that the temperature of the heating surface remains below the value harmful to the latter, even when the temperature differences d Heat source intake are about 30% higher than normal. In this case, only the differences in the direction of the temperature rise naturally count.
Under the condition that the amount of heat supplied to the furnace is constant, the temperature of the heating medium is more efficient the higher it is. As a consequence the radiating region is the more concentrated the higher the inlet temperature of the heat transfer agent. Thus, with an inlet temperature of the heating fluid of about 1600 to 2000 C, the heat transfer by the heating fluid is carried out essentially from a part of its volume small enough for a new Raising its temperature plays practically no role in the distribution of the intensity of radiation over the various parts of the heating surface of a device constructed in accordance with the invention.
In this case, it is practically possible, therefore, to achieve the object of the invention so that by limiting only the quantity of heat supplied per unit of time, the temperature of the heating surface is, ..
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regardless of the temperature of the heat source, lower than a value detrimental to this surf ace. It is obvious that a device thus constructed presents an extraordinary reliability of operation. In addition, its adjustment is greatly simplified, since, as a rule, it is sufficient to monitor the quantity of the gas. heating agent delivered, while its temperature plays no role.
When the heat is produced by combustion of solid, liquid or gaseous fuel, the quantity of heat can also be advantageously regulated by adjusting the quantity of air required for the combustion.
In consideration of what is indicated above, it is obvious that by keeping constant the quantity of heat introduced into the device according to the invention, the temperature of the heating surface can be regulated independently of the temperature d. admitting the heating medium only by adjusting the temperature and / or the quantity of fluid heated per unit of time.
It is also evident that it suffices, with a normal quantity of cold fluid, to limit the quantity of heat supplied to a determined maximum value in order to prevent any overheating of the heating surface. If, for whatever reason, the quantity of cold fluid decreases, however, the quantity of heat supplied must be limited, otherwise the temperature of the cold fluid at the exhaust would rise to such an extent that there would be a risk of damage to the heating surface.
It is therefore advantageous to provide automatic adjustment of the flow of hot fluid as a function of the flow of cold fluid.
Among the metals capable of being used economically, there is, at least at present, none which withstands temperatures above. 1000-12000C, while the temperature of the heat source can be, in many cases, 2000C and above. Although this provides an indication of what is meant here by a temperature detrimental to the heating surface, it does not limit
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by no means the scope of the invention, which on the contrary can also be used with materials which resist higher temperature ranges.
In the known types of exchangers, it was not possible to use such a large temperature difference between these high combustion temperatures and the admissible temperature for the heating surface. However, this is made possible in accordance with the invention due to the fact that the distribution of the radiation over the heating surface arranged in accordance with the invention and, thereby also, the distribution of temperatures over this surface, are sufficiently uniform so that the thermal resistance of the material is utilized over the greater part of its surface.
Since such a uniform temperature distribution also depends on the intensity of the cooling of the heating surface by the cold fluid, it is obvious that the radiation can be maximum on parts of the heating surface. where the cooling is most intense.
Given that the radiation of the hot fluid is maximum at the inlet and that, as a general rule, the cold fluid has the maximum cooling power at its inlet, it is obvious that it is very advantageous, in the exchanger in question, to operate with equicurrent.
Since the cold fluid often cannot be heated to the approximate inlet temperature of the hot fluid, due to the properties of the material constituting the heating surface, it is also evident that in a compliant device according to the invention, countercurrent heating does not have any drawbacks from the point of view of thermal economy. This is the case, in particular, when the devices are primarily intended for radiant heat exchange and, therefore, when the heat-releasing agent also leaves the device at a relatively high temperature, for example 800 to 600 0.
As mentioned above, a uniform distribution of radiation over most of the heating surface.
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fe assumes a relatively thick radiant layer. It is therefore not avanta, geux to subdivide the hot fluid into a number of different streams, for example in tubes, where the distance between the walls of the tubes is relatively small.
If, on the other hand, we pass the cold fluid, through the hot fluid, in a certain number of tubes, which do not protect each other from the radiation of the main mass of the heat source, we can obtain constructive- ment the large radiant gas thickness for the hot fluid which constitutes a characteristic of the invention.
In order to avoid local overheating and the resulting thermal stresses, as well as other dangers to the material constituting the heating surfaces, the surface of the tubes must be as smooth as possible and free from flanged cavities. , etc. The face of the heating surface facing the hot fluid must therefore have, in the parts affecting the heat exchange, a convexity as regular as possible.
For the hot fluid, the velocity of which is relatively low due to the large thickness of the gas, the currents which form as a result of the variation of the specific gravity of the gas with temperature play a considerable role. Since it is also important, as has been pointed out, that the radiation source be concentrated so that the distribution of the radiation is uniform, it is advantageous in a device according to the invention , to circulate the heating gas in such a way as to avoid, as far as possible, the currents which would form as a result of the temperature fluctuations, that is to say, the gas must be directed from up and down along the heating surface.
To obtain a good heat exchange between the walls of the tubes and the cold fluid, and therefore to ensure efficient cooling of the heating surface, the speed of the cold fluid must be relatively high compared to the speed of the hot fluid. . Current disturbances caused by ;,
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the temperature of the fluid are therefore irrelevant, so that the direction of circulation of the fluid in the pipes is, from this point of view, of little importance.
According to the explanations given above, the fact that the fluids between which the heat exchange takes place circulate in the vertical direction plays a real role. It is therefore necessary to arrange the tubes more or less vertically. In addition, given that, when the thermal properties of the material constituting the heating surface must be used, this material is brought to temperatures where its mechanical strength is very low, it is advantageous to optionally have manifold boxes at the lower part of the set of tubes used, the main forces thus being tensile forces. In addition, the load gradually increases in the upper part of the tube set.
Since, according to what has been said above, the maximum radiation intensity prevails at this upper part, the cooling of the tubes must also be stronger at this point. It is therefore necessary to introduce the cold fluid from above and consequently the two elements must, for this reason also, work in equicurrent.
However, it is also possible to place the tubes at the end, their upper parts and, where appropriate, the upper collecting box being free. In accordance with what has been said above about the equicurrent, it is advantageous in this case to introduce the fluids from below, which is of importance when using solid fuel in a fireplace placed at the bottom.
According to the invention, the heat exchange between the hot fluid and the cold fluid is advantageously done by equicurrent, as long as the major part of the heat transmission between the hot fluid and the heating surface takes place by radiation. It follows that the hot fluid outlet temperature is relatively high and in any case higher than the cold fluid outlet temperature.
So that the heat balance does not suffer, it is necessary that @
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the calories contained in the hot fluid which escapes are used up. This can be done mainly, according to the invention, in two different ways.
Due to the fact that during the heat exchange carried out in the aforementioned manner, the temperature of the heating surface is relatively independent of the temperature of the radiant source, this temperature can be raised without inconvenience by using the heat. hot fluid which escapes for reheating the combustion air, fuel gas, etc., the calories thus being reduced through the cycle of the operation.
Particularly in cases where the thermal source (radiation source) is produced by combustion, it is therefore advantageous to heat the combustion air and / or the fuel with the aid of the hot fluid which s' escapes, with a view to obtaining a high combustion temperature, which, in accordance with the process which is the subject of the invention, can be completely used for heat exchange.
In the event that, for some reason, it is not desired to carry out this operating mode, it is possible, as a general rule, to use the heat contained in the hot fluid which escapes for heating the cold fluid which come.
Not only does this process increase the heat balance of the exchange operation, but it also allows better use of the relatively expensive material constituting the heating surfaces which receive the radiant heat. This heating is advantageously carried out against the current.
The hot fluid which escapes can optionally be used for reheating the hot fluid which enters and of its constituents, as well as also of the cold fluid which enters.
The following example illustrates the advantages obtained by the invention.
A gas must be heated from o to 600 C using a hot fluid at 1800 C, produced by combustion carried out with an excess of normal air.
So far, we have, for example, proceeded by heating the gas
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in a heat exchanger by combustion gases coming from a furnace, these being mixed with fumes escaping from the heat exchanger and which are for example at 200 ° C., until the temperature of the mixture is about 800 to 900 0.
In known devices, this temperature could not be exceeded because the radiation on the particularly exposed parts of the heating surface, and, in general, on the parts adjacent to the gas inlet in the heat exchanger. - mique, was too strong. Consequently, in this exchanger one of the fluids is cooled from 800 0 to 200 C while the other is heated in countercurrent from 0 to 600 C. The average temperature difference is about 200 C. The coefficient of thermal transmission can be estimated, with the usual load parts, at around 20 kcal / m2.h. C. The heating surface required for the transmission of 1,000,000 kcal / h is therefore 1,000,000 / 200.20 = 250 m2.
If, instead of what has just been described, the heat treatment is carried out in accordance with the present invention, the gases escaping from the exchanger by radiation which works in equicurrent, heating the incoming cold fluid against the current. in this device the following occurs:
In the radiant heat exchanger, the temperature of the hot fluid is advantageously lowered from 1700 to 800 C.
This hot fluid is then cooled to 800 to 200 ° C. by countercurrent exchange with the cold fluid which enters, the latter being heated from 0 to 200 ° C. in the countercurrent heater and then entering the heater. radiation exchanger, where its temperature rises from 200 to 600 C. About two thirds of the amount of heat is exchanged in the radiation device and one third. in the counter-current device.
If one uses, for the heating surface of the radiation device, the same material as for the heat exchanger mentioned in the example above, that is to say a material which withstands 800 C, it is possible, when the device works against the current, due to the symmetrically arranged heating surfaces and the large
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thickness of the radiant layer, maintain the entire heating surface at a temperature of about 800 C.
The average temperature difference between the. heating surface and the heated gas is then 360 C. Since, in this case, the heat is transmitted to the heating surface by radiation and which can be used, due to the very large differences temperature, short gas paths, and, consequently, for the same pressure drop, very high speeds, the thermal transmission coefficient is about 60 kcal / m2. h. vs.
Given, on the other hand, that according to the explanations given above, two thirds of the. Total heat is exchanged in the device by radiation, in this case a heating surface of 2,000,000 / 3 is required. 60. 360 = 31 m2.
In the counter-current device, the mean temperature difference also amounts (by chance) to 360 C. If the same heat transfer coefficient is applied as in devices of an older type, therefore 20 kcal / m2.h. C, the heating surface required here is: 1/3. 1,000,000 / 20. 360 = 46 m2.
The total heating surface required is therefore 31 + 46 = 77 m2 compared to a previous surface of 250 m2, which represents a reduction of more than 70%. In both cases, the same amount of cold fluid was heated with the. same initial amount of hot fluid.
It is also pointed out that, in the latter case, the apparatus is much more insensitive to operating disturbances than in the first case. Thus, the radiation exchanger itself is relatively insensitive to the excessive temperatures of the hot fluid, while the counter-current device works under better conditions despite the same temperature of the heating fluid at the inlet, the cold fluid leaving this apparatus as soon as it is at a temperature of 200 C and not only when it has been brought to b00 C.
As emerges from what is explained above, the actual heating surface of the radiator exchanger - @
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ment is advantageously formed in the form of a tube bundle, the tubes of which are exposed to radiation, the latter preferably being arranged in a cylindrical crown. The set of tubes can be suspended from a masonry body.
According to one embodiment of the invention, in furnaces and the like, the construction of the non-metallic parts such as, for example, the furnace walls and the radiating surfaces, should preferably be carried out in such a manner and in a material, advantageously of low specific heat, such that these parts have, for those which have in operation a temperature higher than that which is harmful for the thermal transmission wall and the other matallic parts, a thermal capacity (value water) and / or, for the others, a temperature low enough for the equilibrium temperature which is established in the furnace at a certain time, for example during a sudden stop of the circulation of the gas to be heated,
does not exceed the critical temperature for the resistance of the furnace, in particular the critical temperature for the heat transfer wall. This naturally applies to the whole of the furnace but, in particular, to the parts thereof closest to the radiation source.
This question is of particular importance for ovens and appliances. analogues in which the tubes contain an element to be heated of very low heat capacity, such as, for example, gases under moderate pressure. In this case, the water value of the fluid to be heated must be taken into account in relation to that of the tubes; the water value of the element is then usually around 1% lower than that of the tubes. For liquid heaters, on the other hand, the water value of the fluid to be heated is of the order of magnitude of twice that of the tube (s) and, for steam boilers, it is of practically infinite size as long as boiling occurs.
It should also be noted that, in gas heaters of the type considered, the ratio between the surface area
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this thermal and the furnace wall area is on the order of unity (preferably no more than about 2), while in most prior gas heaters it is on the order of 10.
The appended drawing represents an exemplary embodiment of a heat exchanger for gas according to the invention.
In this drawing: fig.I is a vertical section of a radiation furnace according to the invention; fig. 2 is a cross section thereof; fig. 3 represents an expansion joint.
The furnace shown is constituted by a cylindrical body comprising walls 7 made of refractory material. The walls are advantageously constructed in multiple layers, for example, starting from the inside, of refractory bricks, chamotte mortar, mineral wool and an outer shell of sheet steel. This body rests on a support 8. At the upper part of the body there is an annular pocket 10, from which are freely suspended a certain number of tubes 6 between which a free space 20 has been provided. These tubes open into a pocket. lower II, which is only more or less supported by the tubes 6. Between two neighboring tubes, a spacing is formed which is approximately half to double their diameter, for example equal to the latter.
It is in fact important, in order to obtain uniform radiation on the tubes, that the latter also be subjected to the radiation on their rear faces, which is made possible by separating the tubes, the walls of the furnace being, therefore. , exposed to direct radiation produced by the heat source and taking a sufficiently high temperature to be able, for their part, to radiate effectively on the rear faces of the tubes. The group of tubes by tightening downwards, in particular to allow the entire set of tubes to be removed as a whole with the distribution box and the collector box. The tubes are advantageously placed at a distance of 1 to 2 dm. from the wall
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from the oven to their upper part and from 1 to 4 dm. from this wall to their lower part.
This facilitates the rapid extraction of the entire set of tubes, which can be important, for example, when the latter has to be, owing to disturbances in operation, shielded from the harmful action of temperatures of. walls too high.
The upper box 10 has a gas inlet 13, while the lower box II communicates, by a duct 14 and an expansion joint 16, with the gas outlet 15. To avoid unilateral forces during the movement of the tubes 6 as a result. of thermal expansion, several conduits 14 and expansion members 16 can be fitted, which are preferably arranged symmetrically. The expansion member can advantageously be constituted by a kind of hydraulic seal, the liquid being constituted by an element which is liquid at the working temperature but which is essentially non-volatile, for example made of lead, lead alloy, metal with characters. printing, etc.
Fig. 3 shows such an embodiment. The tube 21 which may have, in large installations, a diameter of more than 0.5 m., Is connected to the collecting box II and is immersed in an annular receptacle 23, integral with the upper part of the discharge tube. exit 22.
The entire apparatus is limited at its upper part by a head 12 constituting a gas nozzle or containing a gas supply duct 2, this head pressing against the upper box 10 and being held fixed either by its own weight, or by any known means. The head 12 has connectors 3 and 4 for the inlet of gas and combustion and radiation air 1 provided in the upper part of the body of the device. In this case, the tubes 6 are therefore located in the furnace proper. A central gas outlet 9 projects into the body at its lower part, protecting the lower box II from the action of the hot gases and leading the latter towards the outlet 5.
So that the device can withstand major stresses
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Since these are produced by the high and very variable temperatures, it is naturally necessary that at least the parts exposed directly to the radiation of the radiant heat source, especially the gas pipes, present to the radiant mass regular and symmetrical shapes without angles or sharp edges.
The connections to the boxes 10 and II can also be protected from direct radiation and this by means of screens or insulators, for example asbestos, or in any other way.
Since the radiation occurs from the part of the body of the device designated by I; which is located directly below the gas inlet 2, as well as by the adjacent surfaces of the furnace head, the upper parts of the set of tubes are exposed to the maximum forces and this is why it is It is particularly important that the upper parts of the gas piping system are correctly constructed and if necessary properly protected. This result is obtained, in the exemplary embodiment shown, by a suitable construction of the head of the furnace which represents parts 17 projecting downwards and forming a protective screen for the boxes 10.
In addition, the upper parts are protected from the fact that the gas to be heated is introduced from above, therefore into the distributor box 10 and escapes at the bottom through the collector box II. As a result, the temperature of the upper parts of the tubes is kept lower than with a reverse gas flow direction, which is very important, the tube system being suspended freely and the mechanical resistance of the tubes decreasing when the temperature s 'Student. In order to accelerate the transmission of heat from the walls of the tubes to the gases passing through the latter, it is possible to have interior fittings 18, 19 in the tubes to increase the radiant surfaces.
According to the invention, it is also possible to bend the tubes 6 so that they can expand independently of each other. The curvatures can then be located at the same height or higher than the head 12, 17 or,
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also at another point of the tubes, or the tubes can be bent more or less, for example bending them outwards.
In the event of an untimely interruption of the gas flow passing through the tubes 6, there is a risk that these tubes will be subjected to unacceptable forces - even when the source of radiation is disabled, for example by automatic closing of the tube. gas duct 3 or the air intake 4 -, due to the heat accumulated in the furnace, for example the walls 7, at a temperature higher than that of the tubes. It is therefore advantageous to construct the furnace in a material with low thermal capacity so that the equilibrium temperature liable to be established at a certain moment, for example during the sudden interruption of the gas supply, does not exceed the critical temperature for the resistance of the oven.
It is often advantageous to preheat the gases to be heated before their arrival in the furnace and, consequently, according to one embodiment of the invention, the gas inlet 13 (or 15) can be connected to a heater. gas, in which the heating is advantageously carried out using the exhaust gases from the furnace itself. The reheater is then also connected to the gas outlet 5.