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Perfectionnements aux échangeurs de chaleur.
On sait que les échangeurs de chaleur sont des appa- reils destinés à transférer la majorité des calories contenues dans un premier fluide ou fluide chauffant à un deuxième fluide ou fluide chauffé. Ces fluides circulent en général dans des circuits qui leur sont propres, le ou les circuits du fluide chauffant étant séparés par une ou plusieurs parois étanches du ou des circuits du fluide chauffé.
Tous les échangeurs connus, et plus particulièrement les échangeurs métalliques, ont leur champ d'action limité par les propriétés des matériaux entrant dans leur construction en ce qui concerne les températures maxima pouvant être développées.
I1 en est ainsi, en particulier, quand les calories du fluide
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chauffant proviennent d'une combustion, car la température at- teinte à la suite de la combustion d'un mélange parfait de com- burant et de combustible est en général supérieure à la températu- re maximum compatible avec la bonne tenue des matériaux, sur- tout s'il s'agit de métaux.
On a pallié jusqu'ici à cette difficulté en abaissant cet te température par certains moyens tels que:
1.- Combustion avec excés d'air, procédé le plus courant;
2.- réinjection d'une partie des fumées;
3,- addition de gaz inertes dans les produits de la combus t i on.
S'il est vrai que les méthodes ci-dessus permettent d'ob- tenir les limitations voulues de la température, elles n'évitent pas cet autre inconvénient que la température des gaz chauf.'-, fants va constamment en décroissant à partir du brûleur par sui- te de la cession des calories au fluide chauffé. Il en est évi- demment de même de la température moyenne de la paroi d'échange.
La température maximum de la paroi d'échange déter- minée d'après les propriétés des matériaux la constituant, n'est donc atteinte qu'en une région très restreinte à l'origine du circuit des gaz chauffants.
En effet, si l'on considère un échangeur du type habi- tuel, schématisé sur la fig. 1 du dessin annexé, un diagramme tracé en portant en ordonnées les longueurs du circuit des gaz et en abscisses les températures, donne pour le fluide chauffant la paroi d'échange et le fluide chauffé les courbes I, II et III tracées sur la fige 2. En un point M du parcours situé à une distance 1 de l'origine (OO'=1) les températures respectives sont représentées par O'A, O'B, O'C et l'on peut admettre, en première approximation, que la température de la paroi représen- tée par O'B est la moyenne arithmétique des températures des fluides chauffant O'A et chauffé O'C; c'est-à-dire CB := BA. La température maximum admissible pour la paroi est CD =O.
Elle
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n'est atteinte qu'à l'origine du faisceau ( à l'entrée du fluide chauffant ) .
La présente invention a pour objet des échangeurs de chaleur dans lesquels la paroi d'échange est maintenue sur une certaine longueur à une valeur aussi voisine que l'on veut de la température maximum qu'elle est capable de supporter .
Ces échangeurs nouveaux correspondent donc au moins ap- proximativement au diagramme représenté sur la fige 3 du dessin annexé.
Sur la longueur 1' de la paroi d'échange, cette paroi est maintenue à la température sensiblement constante aussi voisine qu'on le désire de la température maximum que peut sup- porter cette paroi ( avec le coefficient de sécurité voulu).
Cette température étant évidemment intermédiaire entre celles du fluide chauffant et du fluide chauffé ( de l'ordre de la mo- yenne arithmétique entre ces deux températures) les courbes I et II des températures de ces deux fluides prennent l'allure re- présentée et vont en divergeant sur la hauteur 1' de sorte que l'écart de température entre le fluide chauffant et le fluide chauffé va en croissant.
On obtient ainsi l'avantage de faire travailler au maxi- mum la paroi d'échange.
On sait d'autre part que le coefficient d'échange calo- rifique est d'autant plus élevé - donc la surface d'échange plus réduite - que l'écart des températures entre le fluide chauffant et le fluide chauffé est lui-même plus élevé.
Il s'ensuit que dans un échangeur conforme à l'inven- tion, les coefficients d'échange calorifique sont considérable- ment accrus. Il en résulte, qu'à égalité de rendement, le nou- vel échangeur aura une surface nettement plus faible que les échangeurs connus ou, inversement, à égalité de surface le ren- dement du premier sera supérieur à ceux des seconds. L'invention ,permet d'obtenir que le fluide chauffé sorte à une température
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relativement peu inférieure à celle du fluide chauffant au pre- mier point d'injection sans que le développement nécessaire des surfaces d'échange soit inadmissible au point de vue du prix de revient.
Parmi les modes de réalisation de tels échangeurs, on peut citer, à titre d'exemples non limitatifs:
1 - Ceux faisant application d'une combustion échelonnée du combustible dans le comburant comme décrit notamment dans une demande de brevet de la demanderesse, déposée simultanément avec la présente, pour "Procédé de combustion et appareils en compor- tant application".
2 - Ceux dans lesquels les gaz chauds issus d'une encein- te à haute température sont dirigés en plusieurs points de l'échangeur.
3 - Ceux dans lesquels le fluide chauffant entre en un point intermédiaire de l'échangeur de manière à circuler d'abord dans le même sens que le fluide chauffé.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre com- ment l'invention peut être réalisée, les particularités qui res- sortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, par- tie de ladite invention.
Les fig. 1, 2 et 3 ont déjà été utilisées dans le préam- bule de cette description.
La fig. 4 montre schématiquement une réalisation d'un échangeur conforme au paragraphe 2 ci-dessus.
La fig. 5 est un diagramme de température correspondant à cette réalisation.
La fige 6 est une coupe schématique d'un distributeur.
La fig. 7 montre schématiquement un échangeur à déviation du fluide chauffant selon le paragraphe 3.
La fige 8 est le diagramme de cet échangeur.
La fig. 9 montre une variante dans laquelle le fluide 1 chauffé est dévié,
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Dans le mode de réalisation représenté sur la fig. 4 la combustion du combustible nécessaire pour la production du fluide chauffant a lieu dans le brûleur 7 et la chambre de com- bustion 6. Le comburant et le combustible, dont les débits sont réglés suivant des procédés connus et d'après l'intensité de marche désirée, arrivent en 8 et 9, La combustion peut être, à volonté, réglée parfaite ou imparfaite. Il est évidemment préfé- rable de la réaliser parfaitement afin d'avoir le minimum de volume de gaz chauffants ( réduction des dimensions de l'appareil, meilleur rendement par diminution des pertes à la cheminée) et la température maximum T pour les produits de la combustion.
Si le combustible est solide, charbon pulvérisé par exemple, on pourra épurer les gaz de la combustion à travers un épurateur 10, d'un type connu, capable de retenir les poussières à la tempé- raturlevée T des gaz sortant de la chambre de combustion. Ces gaz sont ensuite distribués par des organes D1, D2, Dn ....... Dp=1 ---, en divers points successifs, 1, 2.....,n....., p-1,, du circuit du fluide chauffant, de telle sorte qu'en chacun de ces points la température de la paroi d'échange soit remontée à la valeur Ú . Les gaz sont répartis aux points d'injection dans l'ordre de priorité 1, 2 ....... ......p.
Le fluide chauffé entrant en 11, parcourt le faisceau d'échange 12 en s'échauffant et sort en 13. Les gaz chauffants circulent à l'extérieur du faisceau 12 et perpendiculairement à celui-ci grâce à des chicanes judicieusement disposées 14, 15, 16, etc.... La quantité des gaz de combustion entrant en1, réglée par le distributeur D1, est mélangée à une certaine quan- tité de fluide suffisamment froid ( air extérieur, fumées préle- vées en un point du parcours du fluide chauffant, gaz inertes, etc..) arrivant en 2 0, mise au niveau de pression voulu par un exhausteur 19 et réglée par une vanne 18 de telle sorte que le premier élément 1' du faisceau d'échange, rencontré par ce mélan- ge, à la température T1, de gaz de combustion et de fluide addi- tionnel,
soit-porté à la température ( voir fig.5}, inter-
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médiaire entre celle Tl du fluide chauffant et celle tl du fluide chauffé, 9 étant, on l'a dit précédemment, la température maxi- mum que peut supporter, avec la marge de sécurité convenable, le matériau constituant la paroi d'échange. Le réglage de la vanne 18 est assuré par l'un des procédés connus, afin de maintenir la température du point 1' du faisceau à la valeur µ .
La vanne 18 peut être par exemple contrôlée par un thermostat en contact avec la paroi d'échange en 1', ce thermostat ouvrant la vanne 18 quand la température en 1' tend à dépasser et la fermant dans le cas contraire, l'importance de la quantité des gaz chauffants, provenant de la chambre de combustion 6 et dirigés sur le point 1 du circuit, pourrait varier d'une très petite fraction à la tota- lité des gaz.
Il est évident que dans la première hypothèse la faible quantité admise en 1 ne nécessiterait qu'une addition ex- cessivement réduite en 17 de fluide froid, que les points d'in- jection 1 à p seraient très nombreux, que la chute de température de la faible quantité de fluide chauffant évoluant entre deux points d'injection successifs tels que 1 et 2 serait très rapide par suite de sa faible masse calorifique et que l'échange de calo- ries cesserait pratiquement après un faible parcours du fluide chauffant entre les points 1 et 2. La zone des points d'injection 1, 2......p devrait alors être très étendue, le nombre de chica- nes telles que 14, 15.... très grand, la perte de charge serait très élevée et la construction onéreuse.
La deuxième hypothèse (totalité des gaz de combustion admise en 1) correspondrait à certains types d'échangeurs connus dans lesquels la température de gaz de combustion est ramenée à la valeur convenable par addition d'air en excés, ou de fumées, ou de gaz inertes. La zone du fais- ceau d'échange à température constante Ú se réduirait alors uni- quement à la zone d'entrée du fluide chauffant dans le faisceau d'échange et il en résulterait tous les inconvénients déjà signa lés ci-dessus.
Pour un appareil de caractéristiques déterminées, il aéra facile de déterminer la longueur optinumde la zone à tem -
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pérature constante 0 de la paroi d'échange et l'importance de la quantité de gaz de combustion à admettre en 1 pour obtenir le meilleur prix de revient de l'opération d'échange calorifique, ce prix de revient tenant compte principalement des prix du com- bustible et de la force motrice ainsi que des frais d'amortisse- ment,
La température du fluide chauffant en évoluant de 1 vers 2 s'abaisse de T1 à T2 ; parallèlement au refroidissement du fluide chauffant, la température du faisceau baisse de 0 au point 1 à Ú 2 en 1" en amont du deuxième point d'injection 2.
La quantité de gaz de combustion injectée en ce point 2 est dosée par le distributeur D2 afin que la température de la paroi d'échange soit à nouveau portée à la valeur 9 au point 21. Le réglage du distributeur D2 est commandé par un servo-moteur d'un type connu placé dans la dépendance d'un appareil, d'un type également connu ( un thermostat, par exemple) chargé de contr8ler et de maintenir la température du point 2' du faisceau à la va- leur 0 . Il en est de même aux divers points d'injection 3, 4, 5, etc.... jusqu'à achèvement de la distribution de la totalité des gaz de combustion qui pour une charge donnée de l'échangeur se fait au point n. Les points suivants n + 1, + 2...p ne rece- vront aucune inject,ion et, dans cette partie et le reste de l'é- changeur, les échanges de chaleur se feront suivant le processus habituel connu.
La fige 6 représente schématiquement et uniquement à titre d'exemple l'un des distributeurs. Il comporte un tiroir a contrôlant dans son déplacement longitudinal la communication entre la conduite b venant du distributeur précédent, la conduite c aboutissant à l'échangeur au point d'injection qui correspond au distributeur considéré et la conduite d allant au distributeur suivant, de telle sorte qu'à une diminution de la section de pas- sage dans ± correspond une augmentation de la section de passage ;\dans d et inversement,
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Le dessin montre le tiroir a dans une position telle qu'une petite fraction des gaz chauds arrivant par b est admise dans l'échangeur au niveau du distributeur considéré, tandis que la plus grande partie de ces gaz va vers le distributeur suivant.
De la sorte, ce distributeur reçoit le gaz qui n'a pas été envoyé aux points d'injection par les distributeurs précédents et le ré- partit entre son propre point d'admission et les distributeurs suivants, selon les oscillations de la température de la paroi d'échange au niveau du point d'admission qu'il contrôle.
A titre de schéma, on a représenté le tiroir a commandé par un piston e à double effet recevant de l'huile sous pression d'un répartiteur auxiliaire f, dont le tiroir mobile est contrôlé par un thermostat ± mesurant la température de la paroi d'échange au niveau de l'admission de gaz par la conduite c.
Naturellement la forme du distributeur donnée sur la fig. 6 n'est qu'un schéma.
Les distributeurs seront réalisés d'après des types connus résistant aux hautes températures (registres en matériaux réfractaires, vannes à circulation d'eau, etc...).Ils peuvent se composer d'un seul corps comme sur la fig. 6 ou être formés de deux corps séparés placés l'un sur l'admission au point n, l'autre sur l'admission au distributeur Dn + 1 ces deux corps étant/reliés entre eux afin que toute ouverture de l'un soit compensée par une fermeture égale de l'autre.
Si la charge de l'échangeur doit varier dans des limites assez étendues, seuls quelques points d'injection comptés à par- tir de l'origine, seront en activité aux faibles charges. On a intérêt,à ces charges réduites, à diminuer l'importance de la quantité de gaz de combustion admise en D1 pour étendre la zone à température sensiblement constante de faisceau d'échange. Le rendement de l'échangeur est amélioré et la température maximum qu'il est possible d'atteindre pour le fluide chauffé est égale- ment augment ée . Dans ce cas, la quantité de fluide froid admise en 17 doit être diminuée et le réglage précédemment décrit de la
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vanne 18 donne ce résultat.
Il est facile d'obtenir automatiquement, pour chaque valeur de la charge, ce réglage à rendement maximum du distributeur D1, il suffit pour cela que ce distributeur D1 soit commandé par un servo-moteur recevant son impulsion d'un appareil contrôlant l'activité de la distribution au dernier point Cet appareil peut être par exemple le distributeur Dp-1 ou mieux un appareil de contrôle de la température T'au point p'de la paroi d'échange.
Lorsque T'p < le servo moteur commandant Dl recevra une impul- sion dans le sens correspondant à une diminution de la quantité de gaz de combustion envoyée sur le point 1, inversement lorsque T'p >Ú il se produira un mouvement de sens contraire. Pour éviter que la température du faisceau soit portée en p' à une valeur T1>Ú pendant le fonctionnement de la régulation on pourra avantageusement régler l'appareil de contrôle installé en
EMI9.1
p' à 1j.ne valeur 0 p 0 afin que T'p soit toujours e'-- t ,
A noter que ce dispositif de réglage automatique de Dl peut avantageusement être prévu sur tous les échangeurs, y com- pris ceux subissant des variations de charge assez restreintes.
On pourra également refroidir les gaz de combustion de T à T1 avant leur admission en 1 en les faisait passer dans un pe- tit échangeur préliminaire parcouru par une fraction du fluide à chauffer. On évitera ainsi l'addition de fluide extérieur: fumée, air, etc...
La variante de réalisation représentée fig. 7 concerne les échangeurs fonctionnant à régime constant. Le diagramme des tem- pératures ( forme théorique) est représenté fig. 8. Les gaz de combustion à la température T entrent en 26, dans une première partie de l'échangeur, circulent dans le même sens que le fluide chauffé suivant 27, , passent ensuite de 2., à 29 pour entrer dans la deuxième partie de l'échangeur où ils cheminent suivant 29, 30, 31 en sens contraire du fluide chauffé. Celui-ci entre 1\ en 32, circule en 33, 34, 35 et ressort en 36.
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Ce même procédé de construction reste applicable aux échangeurs à charges variables mais leur rendement est alors évi- demment moins élevé.
Dans la variante de la figure 7 représentée sur la fig. 9 la déviation de trajet donnant la constante approximative de la température sur une certaine longueur de la paroi d'échange est opérée sur le fluide chauffé au lieu de l'être sur le fluide chauffant,
Le fluide chauffe pénètre en 40, parcourt le premier faisceau d'échange 41 en contre-courant avec le fluide chauffant s'échappant en 42, est repris par le tuyau 43 et renvoyé dans le deuxième faisceau d'échange 44 qu'il parcourt dans le même sens que le fluide chauffant à haute température entrant en 45 dans l'appareil , pour sortir finalement en 46.
Dans cette variante, le diagramme de la fige 8 doit être lu en suivant le sens d'écoulement du fluide chauffé le long du faisceau d'échange.
Dans les modes de réalisation des fig. 7 et 9, on pourrait prévoir une ou plusieurs admissions supplémentaires de fluide chauf faut dans la partie de l'échangeur où les écoulements se font dans le même sens afin d'améliorer, s'il y a lieu, la constance de la température de la paroi d'échange.
Il va d'ailleurs de soi que de nombreuses modifications pourraient être apportées aux modes de réalisation qui ont été décrits, sans que l'on sorte pour cela du cadre de l'invention.
Au lieu d'avoir un seul corps d'échangeur on pourrait avoir plu- sieurs corps. La forme du faisceau d'échange dépendra des conditions de réalisation; tubes, parois, etc...
On peut augmenter le coefficient d'échange calorifique en faisant circuler les fluides chauffant et chauffé, ou l'un d'eux seulement, sous pression. La mise en pression pourra être assurée par exemple au moyen d'un compresseur rotatif entraîné par une turbine à gaz empruntant l'énergie aux calories et à la @
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pression résiduelles du fluide chauffant sortant de l'échangeur ce fluide pouvant d'ailleurs être réchauffé s'il y a lieu avant son admission dans la turbine à gaz.
Il convient de noter qu'au moins dans la partie de l'échangeur où la paroi d'échange est maintenue sensiblement constante, la chemise métallique,extérieure de l'échangeur sera, de préférence, munie d'un garnissage interne en matériaux réfractaires pour la protéger contre l'action des gaz à haute température.
Les applications des échangeurs décrits sont multiples.
De tels échangeurs, en métal, peuvent en particulier remplacer les réchauffeurs de vent ou cowpers qui sont actuellement utili- sés dans les installations de hauts-fourneaux et qui sont géné- ralement construits en briques. Dans ce cas le fluide chauffant pourra provenir de la combustion de gaz de hauts-fourneaux.
Comme on l'a dit précédemment l'invention s'étend à tous les échangeurs de température dans lesquels la température de la paroi d'échange est maintenue à une valeur aussi voisine que l'on veut de la température maximum, compte tenu de la marge de sécurité jugée nécessaire, que peut supporter le matériau de la paroi d'échange.
REVENDICATIONS
1)- Echangeur de chaleur dans lequel un fluide chauf- fant transmet la majeure partie au moins de ses calories à un fluide chauffé, ces fluides étant séparés par au moins une paroi d'échange, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour répartir des calories à haute température apportées par le fluide chauffant le long de la paroi d'échange, de telle ma- nière que la température de ladite paroi soit maintenue sur une certaine longueur à une valeur approximativement constante.
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