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THERMO - ECHANGEUR.
La présente invention est relative à un thermo-échangeur.
On sait que l'échange thermique entre une source produisant de la chaleur par la combustion, dans Pair ambiant, d'un combustible organique (charbon, mazout, gaz d'éclairage ou autres), et un fluide à chauffer, en gé- néral de l'eau, pose dés problèmes qui n'ont pas encore été résolus d'une fa- çon rationnelle, en raison de ce qu'il n'a pas été tenu compte de tous les facteurs mis en jeu.
Dans létat actuel de la technique, les gaz incandescents prove- nant de la source de combustion, ne pouvant pas pratiquement, sauf quelques rares exceptions, être mis en contact direct avec le fluide à chauffer, il en résulte que, dans un thermo-échangeur, lesdits gaz doivent être séparés du fluide à chauffer par une cloison de grande conductibilité thermique, qui doit être, nécessairement, la plus mince possible. Toutefois, étant donné que la pression du fluide à chauffer, en général de l'eau dont la température d'ébullition est relativement basse, augmente rapidement, il est nécessaire de prévoir, pour les réservoirs dans lesquels ledit fluide est logé et qui sont en contact avec les gaz chauds de la combustion, des parois très ré- sistantes.
Actuellement, on établit lesdits réservoirs, sous la forme de tu- bes étirés qui, s'ils donnent toute satisfaction au point de vue de la soli- dité, exigent cependant l'emploi d'une très grande longueur, parce que leur surface développée est petite et parce que la surface extérieure d'un tube ne reçoit pas la même quantité de calories en tous ses points et, par con- séquent, n'est jamais utilisée au maximum.
Si l'on considère maintenant le coefficient de transmission de chaleur par rayonnement, surtout lorsqu'il s'agit de flammes colorées, com- me celles produites par la combustion du mazout, on constate qu'aux tempéra-
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tures supérieures à 500 C, ce coefficient est considérablement plus grand que le coefficient de transmission de chaleur par convexion. Il en résulte qu'il est rationnel dans un'échangeur thermique, d'augmenter la surface de chauffe qui est exposée au rayonnement direct de la zone de combustion, et, au contraire, de limiter la surface de chauffe à transmission par convexion aux températures au-dessous de 600 ou même de 500 C.
Or, il est difficile et coûteux de construire une chambre de combustion comportant des parois en tubes, ce qui serait cependant nécessaire lorsqu'il s'agit d'un fluide à chauffer à haute pression, et permettrait d'utiliser à fond la transmis- sion thermique par rayonnement. En conséquence, actuellement, les échangeurs de chaleur ont ordinairement la plus grande partie de la surface de chauffe soumise à l'échange de chaleur par convexion.
Il résulte de ce qui précède, que, pour obtenir une certaine puissance thermique, il est nécessaire de prévoir des surfaces de chauffe importantes qui conduisent à des échangeurs qui sont obligatoirement volumi- neux, coûteux et difficilement réalisables sans maçonneries en briques, ce qui empêche d'assurer une parfaite étanchéité, des chambres de combustion, des carneaux de fumée, etc..., et provoque des entrées d'air froid à l'inté- rieur.
La construction d'une chambre de combustion sous pression deve- nant, dans ces conditions, difficilement réalisable, la combustion du com- bustible utilisé se fait, par conséquent, dans une zone de dépression, carac- térisée par la pauvreté de l'air comburant en oxygène, par la création de cheminées d'écoulement des gaz de combustion, par la diminution dé brassage, par les entrées d'air froid, et, comme corollaire, par un faible coefficient de transmission thermique par convexion.
Toutes les considérations qui précèdent font qu'en raison de la grande longueur des tubes, de l'épaisseur des parois des réservoirs, du poids important et de la non-étanchéité des magonneries, des grandes pertes de cha- leur vers l'extérieur, par suite de l'importance des parois, du mauvais coef- ficient de transmission thermique, les échangeurs de chaleur ordinaires, les chaudières en particulier, sont des appareils entraînant à des frais très élevés de première installation. D'autre part, leur rendement est générale- ment faible, sauf pour les grandes unités modernes.
L'invention a pour objet la création d'un thermo-échangeur réa- lisant une synthèse des connaissances actuelles des lois de transmission de chaleur et d'écoulement de fluides, en tenant compte des besoins d'entre- tien, de surveillance et de contrôle de fonctionnement de l'appareil, tout en simplifiant sa construction métallique, afin de diminuer son poids et de réaliser un prix très bas de première installation et une économie maximum d'exploitation) grâce à un très grand rendement, impossible à obtenir dans les générateurs ordinaires.
Le thermo-échangeur selon l'invention est essentiellement carac- térisé en ce qu'il comporte une source de chaleur placée suivant l'axe prin- cipal d'une enceinte hermétique et susceptible, par conséquent, d'être sou- mise à une surpression, le fluide à chauffer circulant autour de cette en- ceinte, sous la forme d'une nappe de faible épaisseur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressorti- ront de la description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple et dans lesquels:
La fig. 1 est une vue en élévation, partie en coupe, illustrant schématiquement le principe du thermo-échangeur selon l'invention.
La fig. 2 est une vue en élévation-coupe, suivant II-II de la fig. 3, d'une forme de réalisation pratique du thermo-échangeur.
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La fig. 3 est une vue en plan correspondant à celle de la fig. 2.
La fig. 4 est une vue de profil correspondant à celle de la fig. 2.
La fig. 5 est une vue en coupe suivant V-V de la fig. 4.
En se reportant à la fig. 1, illustrant une forme de'réalisation schématique du thermo-échangeur selon l'invention, ce thermo-échangeur com- porte essentiellement un corps interne à deux parois 1 et 2 ménageant entre elles un espace 1, ce corps délimitant une enceinte 4, dite chambre de combus- tion.
A 1'extrémité supérieure de la chambre de combustion, et suivant 1?axe vertical de cette dernière, est prévue une source de chaleur qui peut être constituée, par exemple, par un brûleur à gaz combustible, alimenté en gaz à l'aide dune tuyauterie 5, et auquel l'air primaire et l'air secondaire peuvent être délivrés par les tuyauteries 6 et 7, respectivement. De préfé- rence, le brûleur proprement dit débouche dans un tunnel de carburation 8, pourvu douvertures latérales 2 permettant d'agir sur la forme des flammes produites par ce brûleur. Grâce au montage indiqué, les flammes du brûleur sont dirigées de haut en bas dans l'enceinte ± dont la paroi interne 1 doit se trou- ver à une distance sensiblement constante des limites de la zone de combustion.
En ce qui concerne 1-*espace 2 qui est destiné à la circulation du fluide à chauffer, il doit être calculé en fonction de ce fluide et de la vi- tesse limite choisie dans chaque cas particulier.A sa partie supérieure, l'es- pace est mis en communication, par des tuyaux 10 avec le conduit 11 de sor- tie du fluide chauffé.
Avant de pénétrer dans l'espace 3, le fluide à chauffer circule dans un espace délimité par les deux parois 12 et 13 d'un corps récupérateur entourant le corps interne à deux parois. Ce corps récupérateur est lui-même entouré par une tôle 14 et par deux cylindres 12. et 16, délimitant entre eux un espace 17.
Le fluide à chauffer qui arrive par la tuyauterie 18, est envoyé, à l'aide d'une pompe 19 et par lintermédiaire demi tuyau 20,dans l'espace 21 délimité par les deux parois 12 et 13 du corps récupérateur. De cet espa- ce, le fluide réchauffé est conduit, par les tuyaux 22, le collecteur 23 et les tuyaux 24 et 25. à 1 -espace 3.
Les gaz de combustion qui sortent de la chambre ¯4 doivent, avant d'être évacués par les carneaux 26,parcourir l'espace 27, délimité par le corps interne et le corps récupérateur, puis le'espace 28, délimité par ce corps récupérateur et la tôle 14.
Quant à l'air d'alimentation du brûleur, il pénètre par les ou- vertures grillagées 29, pour ensuite circuler entre les cylindres 16 et 15, puis entre le cylindre 15 et la tôle 14.
Les divers circuits indiqués ci-dessus, permettent de récupérer au maximum les calories produites par la combustion du combustible, étant donné qu'avant de sortir de 1-*appareil, les gaz de combustion servent à ré- chauffer le fluide circulant dans le corps récupérateur, et à réchauffer l'air d'alimentation du brûleur.
Les divers corps constitutifs de 1-'appareil sont suspendus li- brement à leur extrémité supérieure et pénètrent de manière étanche dans un socle S dans lequel sont prévues une porte de visite et de nettoyage 30, ainsi que les diverses conduites amenant le fluide à chauffer.
L'air primaire étant mis en circulation dans la tuyauterie 6,
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par le ventilateur 31,et l'air secondaire dans la tuyauterie 7, par le ventilateur 32, il est possible, étant donnée l'étanchéité de la chambre de combustion 1, de mettre celle-ci sous pression, c'est-à-dire d'y faire régner une pression supérieure à la pression atmosphérique.
Le thermo-échangeur ayant été décrit dans son principe, on se re- portera maintenant aux figs. 2à 5 qui illustrent, à titre d'exemple, une for- me de réalisation industrielle dudit thermo-échangeur qui comporte une chan- bre de combustion 51, pourvue de deux parois ménageant entre elles un espace libre 52, ladite chambre de combustion, dont la forme se rapproche sensible- ment de celle d'un sphère, étant constituée par un corps de révolution ayant pour axe, l'axe principal de l'appareil. A son extrémité inférieure,la cham- bre de combustion 51, présente une partie conique 53, munie d'une ouverture qui et en communication l'intérieur de la chambre 51 avec une cuvette 54 formant organe d'obturation.
A sa partie supérieure, la chambre de combustion 51 est fermée par un chapeau .55. formant en même temps boîte de distribution pour l'air secondaire. A 1-'intérieur de la chambre de combustion 51, et par l'intermédiaire d'une rondelle ou support analogue, est suspendu librement un cône ou tunnel de rayonnement 56, réalisé en au moins deux parties, afin qu'il puisse se dilater librement. Dans la rondelle ou analogue qui suppor- te le cône de rayonnement 56, sont ménagées plusieurs ouvertures 57 munies éventuellement de tubes évent pour le passage de l'air secondaire, le chapeau 55 étant, de plus, pourvu d'ouvertures 58, disposées convenablement dans le prolongement des ouvertures 57 et permettant de viser les flammes à l'inté- rieur de la chambre de combustion 51.
Le fluide à chauffer pénètre dans l'espace 52 de la chambre de combustion 51, à partir de la cuvette 54 par l'intermédiaire d'un ou plu- sieurs tubes 60, formant une boucle dilatable. Four la sortie du fluide à chauffer de la chambre de combustion 51, celle-ci est munie à sa partie su- périeure, dont la forme, à cet endroit, est telle que le fluide à chauffer ne peut ;; rester sans mouvement et subir une surchauffe locale, de tubes 61, connectés par groupes à des collecteurs tubulaires 62, d'où le fluide est di- rigé, par des conduites 63, vers les pompes de circulation extérieure ou vers le réseau extérieur si les pompes ne sont pas placées en aval du thermo- échangeur, mais en amont.
Il est à noter que grâce au montage indiqué, se- lon lequel les pompes sont placées à la sortie du fluide à chauffer, ce der- nier ne peut pas être mis sous pression. En ce qui concerne les pompes de cir- culation extérieure} elles sont, de préférence, fixées sur des châssis 64 placés sur le socle 65 de l'appareil (fig. 4).
La source de chaleur du thermo-échangeur est constituée par un brûleur au mazout ou au gaz ou encore, éventuellement, au charbon pulvérisé, placé dans une ouverture centrale 66 de la boîte à air comburant 55. L'air primaire réchauffé,est aspiré par le surpresseur dubrûleur dans la boite à air etil réchauffe, en se mélangeant avec lui, le combustible arrivant à la chambre de combustion 51. La combustion de ce combustible, s'effectue ainsi dans une enceinte hermétique et sous une certaine pression qui est égale à la perte de charge des gaz de fumée dans le thermo-échangeur, et peut être augmentée par la fermeture plus ou moins grande du registre 68 placé dans le carneau des fumées 67 et contrôlé par un volant demanoeuvre 69 (fig. 5) .
L'air secondaire préchauffé et envoyé par le ventilateur 70 dans la boite à air 55 y pénètre par une gaine de soufflage 71 disposée tangentiel- lement. Cet air entre ensuite dans la chambre de combustion 51 en passant en grande partie par le tunnel 56 et aussi par les ouvertures 57, ces dernières dirigeant l'air autour de l'armature extérieur dudit tunnel 56, pour le re- froidir un peu, et le long de la paroi intérieure de la chambre de combus- tion 51, afin de faciliter la combustion des particules de combustible qui pourraient s'échapper de la zone de combustion au centre de la chambre.
Il est à remarquer, en outre, que cet air donne lieu à la formation d'une enve- loppe gazeuse plus froide le long de ladite paroi intérieure qui n'absorbe
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pas le rayonnement de la zone de combustion (absence de C02 et de II20).
Les gaz de combustion passent ensuite entre la paroi extérieure du corps de la chambre de combustion 51 et la paroi intérieure du corps du
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récupérateur Z2.. Afin d'augmenter la surface d'échange thermique entre les gaz de combustion et les parois avec lesquelles ils entrent en contact, la paroi extérieure du corps de la chambre de combustion est pourvue d'ailet- tes (telles que 73, figa 5) augmentant .sa surface, ainsi que la paroi inté-
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rieure du corps du récupérateur 2,, qui est munie d'ailettes (telles que 1/z; fig. 5) augmentant aussi sa surface. L'espace interne 75 délimité par les deux parois du corps 72 est en rapport avec la vitesse qu'on veut donner à
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1-"écoulement des gaz de fumée.
Leespace z du corps de la chambre de combustion et 1-'espace 12. du corps du récupérateur 72 sont pourvus de volets directeurs désignés, res-
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pectivement, par z et 22. Ces volets sont constitués, de préférence, en fer demi-rond et sont fixés sur la face interne de la paroi extérieure du corps de la chambre de combustion.21 .et sur la face interne de la paroi extérieure du corps du récupérateur 12..de manière à laisser subsister un passage pour
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que le fluide à chauffer puisse x'éaouler entre lesdits volets et la face in- terne des deux parois intérieures délimitant les espaces 2.6 et 75.
Grâce à cette disposition le fluide à chauffer, pulsé par la pompe de distribution (non représentée) parcourt, d'une part, un chemin en spirale en remontant
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vers le haut dans les deux espaces 2 et 5. et, d'autre part, passe en vi- tesse en court-circuit entre les parois intérieures précitées et les volets directeurs 76 et 77. L'inclinaison des volets directeurs et Z1. étant choi- sie, de façon que les deux mouvements indiqués pour le fluide s'effectuent sous un angle qui est de préférence, de l'ordre de 60 , il en résulte des mouvements tourbillonnaires dans l'écoulement du fluide, qui empêchent une surchauffe locale éventuelle.
L'arrivée du fluide extérieur à chauffer a lieu par les condui-
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tes 1¯8 qui traversent le socle 65. de l'appareil et qui pénètrent dans l'es- pace 75 du corps du récupérateur, après avoir traversé la cuvette de fond Les conduites 78 sont pourvues de bouclés de flexibilité.
A sa sortie du corps du récupérateur 72, le fluide à chauffer est
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conduit par les tuyaux aux collecteur $0, qui le dirigent vers le conduit Lly aboutissant à la cuvette ±à par les tubes 2. ce fluide passant ensuite de cette cuvette à l'espace 2 de la chambre de combustion l¯ par les con- duites 60, ainsi quon l'a déjà dit.
Il résulte de ce qui précède que la circulation du fluide à chauf- fer seffectue méthodiquement de la zone la plus froide (espace 75 du corps du récupérateur) vers la zone la plus chaude (espace 52 de la chambre de combustion 51) en passant par la zone de température intermédiaire (cuvette 54).
Tout comme la paroi intérieure qui est pourvue des ailettes 74, la paroi extérieure du corps du récupérateur 72 est munie d'ailettes 83 en V, le nombre des ailettes 83 pouvant être le double de celui des ailettes 74
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afin d9êquil.:T.brer la transmission des deux côtés du corps du récupérateur dont le côté intérieur est placé dans une zone où la température est plus éle- vée que celle dans laquelle se trouve le côté extérieur.
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Toutesles ailettes là et â2 comportent des fentes (de l'ordre de 10 mm, tous les 100 mm environ par exemple), afin, d'une part, d'augmenter le coefficient de transmission par convexion et, d'autre part, de supprimer une fatigue exagérée sur lescorps à double paroi. De plus, les fentes précitées sont disposées en quinconce pour distribuer plus régulièrement ladite fatigue.
Après quils ont parcouru de bas en haut l'intervalle 84 existant entre la paroi extérieure de la chambre de combustion 51 et la paroi intérieu-
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re du corps du récupérateur 72, les gaz de combustion font un changement de direction de 1800 pour redescendre vers le socle 65,en passant à travers l'intervalle 85 existant entre la paroi extérieure du corps du récupérateur 72 et la face interne de l'enveloppe principale 86 de l'appareil. Les gaz de combustion cèdent ainsi de la chaleur à cette enveloppe principale avant de passer par une ouverture ménagée dans la plaque supérieure 109 du socle 65, pour entrer dans le carneau 67,contrôlé par le registre 68, et aller à la cheminée d'évacuation.
Quelques volets 87, servant aussi comme supports des éléments centraux de 1 appareil, sont disposés de façon à équilibrer l'écoulement des gaz de combustion vers la cheminée à travers le carneau circulaire 67. Ces volets de support transmettent le poids de la partie centrale de l'appa- reil, par l'intermédiaire de quatre pieds 88 (en fer U) aux deux longerons transversaux ( en fer U) soudés à l'armature du socle 65, armature qui est réalisée en fers profilés renforcés par des goussets.
Cette disposition permet un soulèvement et un transport facile du thermo-échangeur qui, dans ce but, présente des ouvertures (ou des cro- chets) ménagées dans la ceinture circulaire haute du socle, constituée par un fort profilé 90, destiné à recevoir les chaînes ou câbles d'un palan d'ar- rimage. A remarquer, en outre, que l'appareil comporte, à sa partie infé- rieure, un cadre 91 en gros fers profilés, permettant de le poser sur une simple dalle, sans aucune fondation, le poids total de l'appareil étant très réduit, même pour des unités de moyenne puissance, de l'ordre de 2.000.000 cal/h.
Pour empêcher tout échappement des gaz de combustion hors de la chambre 51 vers l'intérieur du socle 65, les tubes d'arrivée 78, traversant la cuvette inférieure 54, sont munis d'un bourrage en amiante et de disposi- tifs de serrage. De même, un autre bourrage circulaire 92 en amiante suppri- me tout court-circuit éventuel des gaz chauds entre la chambre de combustion 51 et le carneau 67 et oblige ces gaz à remonter vers le haut par l'espace annulaire 84. Une trappe d'explosion 93,munie d'une gaine de protection .:24 du personnel et d'une conduite de visite 95 la reliant avec la cuvette inférieure 54, supprime les risques dûs à une surpression éventuelle venant à se produire à l'intérieur de la chambre de combustion 51. Une porte étan- che 96, livre accès à la gaine 94.
Vair comburant nécessaire au fonctionnement du brûleur est aspi- ré de l'extérieur à travers un grillage protecteur 97. Cet air passe, ensui- te, entre l'enveloppe extérieure 98 et une cloison intermédiaire 99, con- tourne l'entrémité inférieure de cette dernière et remonte en passant dans l'intervalle ménagé entre la face interne de cette cloison 99 et la face externe de la paroi de l'enveloppe principale 86 qui est munie d'ailettes en V, analogues aux précédentes. Ces ailettes servent non seulement à aug- menter la surface d'échange de chaleur entre l'enveloppe principale 86 et l'air comburant, mais aussi à consolider la position de la cloison intermé- diaire 99.
A sa sortie de l'intervalle précité, l'air réchauffé pénètre par les trous 100' dans le collecteur circulaire 100,prévu à la partie supé- rieure de l'appareil, d'où il est aspiré par le ventilateur 70, à travers la conduite 101, pour être envoyé, à travers la conduite 71 pourvue d'un re- gistre de réglage 102, dans la boite à air 55. Cette dernière est munie d'une trappe de surpression 103 de l'air comburant, qui permet de visiter le tunnel 56.
Pour récupérer au maximum la chaleur tendant à s'échapper vers l'extérieur de l'appareil, dont le calorifugeage est assuré par l'air aspi- ré de l'extérieur, on prévoit une série d'ouvertures 104,disposées circu- lairement et permettant d'aspirer depuis l'intérieur du socle 65 de l'air réchauffé, notamment par la cuvette 54 et le carneau 67, et le mélanger avec
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Pair extérieur aspiré par le ventilateur 70. Il en résulte que l'air ve-
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nant de extérieur est déjà préchauffé par 1-'air en provenance du socle 65.
Une série d'ouvertures 105 placées sur le même cercle que les tu-
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bes ±3 de sortie du fluide à chauffer du corps du récupérateur 72 permet d'exa- miner et de nettoyer., par soufflage, brossage ou lavage, les passages annulai- res .8 et â2 pour la circulation des gaz de combustion. De même, des portes latérales 106, prévues sur le carneau 67, et des grandes portes 107, prévues sur le socle 65, permettent de visiter et de nettoyer ledit carneau et l'intérieur du socle.
Pour la liaison du carneau 67 avec la cheminée, il est prévu une
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forte cornière 108,. ladite cheminée devant pouvoir produire le faible tirage, qui est seulement nécessaire lorsque le brûleur fonctionne au ralenti, pour éviter l'engorgement de la chambre de combustion 51 et des conduites des gaz quand le débit du ventilateur de l'air comburant est très faible ainsi qu'à la allumage du brûleur.
On signalera, pour terminer, que les ouvertures 58 sont munies de dispositifs transparents de protection et que le volant fil de commande du registre 68 est prévu dans une position surélevée pour permettre de placer la
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plaque supérieure 109 du socle z au niveau du sol, de façon que le carneau fil puisse être connecté directement avec le carneau des fumées en maçonnerie passant sous la dalle reposant sur le sol.
Il résulte de la description qui précède que tous les corps à dou-
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ble paroi, chambre de combustion .51; et récupérateur 72, sont suspendus libre- ment au chapeau 22 de l'appareil et sont soutenus par l'enveloppe principale 86. Etant donné que cette dernière se dilate vers le haut et que les corps précités se dilatent vers le bas, il s'ensuit que les positions relatives
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de ces éléments restent pratiquement les mêmes lors du fonctionnement de 1-9<p- pareil. En ce qui concerne l'enveloppe extérieure 98, qui est aussi suspen- due au chapeau, elle ne se dilate pas en raison de ce qu'elle est entourée par de 1?air froid.
Cette enveloppe 98 glisse donc, lors de la dilatation de l'enveloppe principale 86, dans la couronne de base formée par une forte cor- nière qui est biseautée intérieurement en haut pour ne pas venir endommager
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la partie visible de ladite enveloppe 2Q lorsque celle-ci se déplace. L'étarx- chéité nécessaire entre la chambre de combustion 21 et le carneau z, lors- que les positions relatives des corps dilatables et de l'enveloppe principale
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changent, est assurée par le bourrage circulaire 2 de la cuvette 5..
Il va de soi que le thexmo-échangeur n'a été décrit et représenté queà titre purement eipl4catif., nullement limitatif, et que diverses mo- difications de détail pourraient être apportées à la forme de réalisation
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indiquée, sans qu-on sorte pour cela du domaine de l'invention. C'est ainsi, par exemple, que, dans le cas où le fluide intermédiaire à haute température produit par le thermo-échangeur serait destiné à faire de la vapeur par l'ad- jonction d'un thermo-vaporiseur, un surchauffeur de vapeur pourrait être pré- vu entre le corps de la chambre de combustion 51 et le corps de récupérateur 72.
Dans ce but, on pourrait supprimer la partie conique de la base du corps de récupérateur et lui donner à cet endroit une forme cylindrique permet- tant de loger les tubes du faisceau du surchauffeur de la vapeur. De marne, le'air comburant nécessaire au fonctionnement du brûleur pourrait être aussi soufflé par un ventilateur placé au-dehors du thermo-échangeur, la grille d'aspiration pouvant être alors supprimée. Il est à noter, en outre, qu'au lieu d'être suspendu à l'intérieur de la chambre de combustion, le tunnel pourrait être posé sur son support de manière à se trouver en-dehors de la chambre de combustion. De plus, la combustion pourrait se faire non de haut en bas, mais de bas en haut ou même horizontalement suivant la position du
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thermo-échangeur.
Dans le cas d'une combustion de bas en haut, la cuvette de la chambre de combustion ainsi que les conduites d'échappement des gaz de fumée, seront prévus à la partie supérieure de l'appareil. Il est à remar- quer, enfin, que le nombre des corps à double paroi pourra être supérieur à
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deux et qu'on pourra prévoir,par exemple,. deux corps récupérateurs au lieu j'un seul.
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THERMO - EXCHANGER.
The present invention relates to a heat exchanger.
We know that the heat exchange between a source producing heat by the combustion, in the ambient air, of an organic fuel (coal, fuel oil, lighting gas or others), and a fluid to be heated, in general of water, poses problems which have not yet been solved in a rational way, due to the fact that all the factors involved have not been taken into account.
In the current state of the art, since the incandescent gases coming from the combustion source cannot practically, with a few rare exceptions, be brought into direct contact with the fluid to be heated, it follows that, in a heat exchanger , said gases must be separated from the fluid to be heated by a partition of high thermal conductivity, which must necessarily be as thin as possible. However, given that the pressure of the fluid to be heated, in general water whose boiling point is relatively low, increases rapidly, it is necessary to provide, for the tanks in which said fluid is housed and which are in contact with hot combustion gases, very resistant walls.
At present, said reservoirs are established in the form of stretched tubes which, although they are satisfactory from the point of view of solidity, nevertheless require the use of a very great length, because their developed surface is small and because the outer surface of a tube does not receive the same amount of calories at all points and, therefore, is never used to the maximum.
If we now consider the coefficient of transmission of heat by radiation, especially in the case of colored flames, such as those produced by the combustion of fuel oil, we see that at temperatures
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tures greater than 500 C, this coefficient is considerably greater than the coefficient of heat transfer by convection. It follows that it is rational in a heat exchanger, to increase the heating surface which is exposed to direct radiation from the combustion zone, and, on the contrary, to limit the heating surface with convection transmission at temperatures below 600 or even 500 C.
Now, it is difficult and expensive to build a combustion chamber comprising tube walls, which would however be necessary when it comes to a fluid to be heated at high pressure, and would allow the transmission to be fully used. thermal ion by radiation. As a result, at present, heat exchangers usually have most of the heating surface subjected to convection heat exchange.
It follows from the foregoing that, to obtain a certain thermal power, it is necessary to provide large heating surfaces which lead to exchangers which are necessarily voluminous, expensive and difficult to produce without brickwork, which prevents ensure a perfect seal, combustion chambers, smoke flues, etc ..., and cause cold air to enter inside.
As the construction of a pressurized combustion chamber becomes difficult to achieve under these conditions, the combustion of the fuel used is therefore carried out in a depression zone, characterized by the lack of air. oxidizer in oxygen, by the creation of chimneys for the flow of combustion gases, by the reduction in stirring, by the cold air inlets, and, as a corollary, by a low coefficient of thermal transmission by convection.
All the foregoing considerations mean that, owing to the great length of the tubes, the thickness of the walls of the tanks, the great weight and the non-sealing of the magonneries, great losses of heat towards the outside, owing to the size of the walls, the poor thermal transmission coefficient, ordinary heat exchangers, especially boilers, are devices involving very high initial installation costs. On the other hand, their efficiency is generally low, except for large modern units.
The object of the invention is to create a heat exchanger which synthesizes current knowledge of the laws of heat transmission and fluid flow, taking into account the needs for maintenance, monitoring and operating control of the device, while simplifying its metal construction, in order to reduce its weight and achieve a very low initial installation price and maximum operating economy) thanks to a very high efficiency, impossible to obtain in ordinary generators.
The heat exchanger according to the invention is essentially characterized in that it comprises a heat source placed along the main axis of a hermetic enclosure and capable, consequently, of being subjected to a heat exchanger. overpressure, the fluid to be heated circulating around this enclosure, in the form of a thin sheet.
Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which will follow with reference to the appended drawings, given by way of example and in which:
Fig. 1 is an elevational view, partly in section, schematically illustrating the principle of the heat exchanger according to the invention.
Fig. 2 is a sectional elevation view, taken along II-II of FIG. 3, of a practical embodiment of the heat exchanger.
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Fig. 3 is a plan view corresponding to that of FIG. 2.
Fig. 4 is a side view corresponding to that of FIG. 2.
Fig. 5 is a sectional view along V-V of FIG. 4.
Referring to fig. 1, illustrating a form of schematic embodiment of the heat exchanger according to the invention, this heat exchanger essentially comprises an internal body with two walls 1 and 2 leaving between them a space 1, this body delimiting an enclosure 4, called an enclosure 4. combustion chamber.
At the upper end of the combustion chamber, and along the vertical axis of the latter, there is provided a heat source which may be constituted, for example, by a combustible gas burner, supplied with gas by means of a combustion chamber. piping 5, and to which primary air and secondary air can be delivered through piping 6 and 7, respectively. Preferably, the actual burner opens into a carburizing tunnel 8, provided with side openings 2 making it possible to act on the shape of the flames produced by this burner. By means of the arrangement shown, the burner flames are directed from top to bottom in the enclosure ±, the inner wall 1 of which must be located at a substantially constant distance from the limits of the combustion zone.
As regards 1- * space 2, which is intended for the circulation of the fluid to be heated, it must be calculated as a function of this fluid and of the limit speed chosen in each particular case. At its upper part, the es - pace is placed in communication, by pipes 10 with the outlet pipe 11 for the heated fluid.
Before entering the space 3, the fluid to be heated circulates in a space delimited by the two walls 12 and 13 of a recovery body surrounding the internal body with two walls. This recovery body is itself surrounded by a sheet 14 and by two cylinders 12 and 16, delimiting a space 17 between them.
The fluid to be heated which arrives via the pipe 18 is sent, using a pump 19 and via the half pipe 20, into the space 21 delimited by the two walls 12 and 13 of the recovery body. From this space, the heated fluid is led, through the pipes 22, the manifold 23 and the pipes 24 and 25. to 1 -space 3.
The combustion gases leaving the chamber ¯4 must, before being evacuated through the flues 26, travel through the space 27, delimited by the internal body and the recovery body, then the space 28, delimited by this recovery body and sheet 14.
As for the supply air to the burner, it enters through the mesh openings 29, to then circulate between the cylinders 16 and 15, then between the cylinder 15 and the sheet 14.
The various circuits indicated above make it possible to recover as much as possible the calories produced by the combustion of the fuel, given that before leaving the appliance, the combustion gases serve to heat the fluid circulating in the body. recuperator, and to heat the burner supply air.
The various constituent bodies of the apparatus are suspended freely at their upper end and enter in a sealed manner into a base S in which are provided an inspection and cleaning door 30, as well as the various pipes bringing the fluid to heat. .
The primary air being circulated in the pipe 6,
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by the fan 31, and the secondary air in the pipe 7, by the fan 32, it is possible, given the tightness of the combustion chamber 1, to put the latter under pressure, that is to- to say to make there a pressure higher than the atmospheric pressure.
The heat exchanger having been described in principle, reference will now be made to FIGS. 2 to 5 which illustrate, by way of example, an industrial embodiment of said heat exchanger which comprises a combustion chamber 51, provided with two walls leaving between them a free space 52, said combustion chamber, of which the shape approaches appreciably that of a sphere, being constituted by a body of revolution having for axis, the principal axis of the apparatus. At its lower end, the combustion chamber 51 has a conical part 53, provided with an opening which and in communication inside the chamber 51 with a bowl 54 forming a closure member.
At its upper part, the combustion chamber 51 is closed by a cap .55. at the same time forming a distribution box for the secondary air. Inside the combustion chamber 51, and by means of a washer or the like support, is freely suspended a cone or radiation tunnel 56, made in at least two parts, so that it can expand. freely. In the washer or the like which supports the radiation cone 56, there are formed several openings 57 possibly provided with vent tubes for the passage of the secondary air, the cap 55 being, moreover, provided with openings 58, suitably arranged. in the extension of the openings 57 and making it possible to target the flames inside the combustion chamber 51.
The fluid to be heated enters the space 52 of the combustion chamber 51, from the bowl 54 through one or more tubes 60, forming an expandable loop. Oven the outlet of the fluid to be heated from the combustion chamber 51, the latter is provided at its upper part, the shape of which, at this location, is such that the fluid to be heated cannot ;; remain motionless and undergo local overheating, tubes 61, connected in groups to tubular collectors 62, from which the fluid is directed, by pipes 63, to the external circulation pumps or to the external network if the pumps are not placed downstream of the heat exchanger, but upstream.
It should be noted that thanks to the assembly indicated, according to which the pumps are placed at the outlet of the fluid to be heated, the latter cannot be pressurized. With regard to the external circulation pumps, they are preferably fixed on frames 64 placed on the base 65 of the apparatus (fig. 4).
The heat source of the heat exchanger is constituted by an oil or gas burner or, possibly, pulverized coal, placed in a central opening 66 of the combustion air box 55. The heated primary air is sucked in by the burner booster in the air box and it heats up, by mixing with it, the fuel arriving at the combustion chamber 51. The combustion of this fuel is thus carried out in a hermetic enclosure and under a certain pressure which is equal to the pressure drop of the flue gases in the heat exchanger, and can be increased by closing the register 68 to a greater or lesser extent placed in the flue gas pipe 67 and controlled by a handwheel 69 (fig. 5).
The preheated secondary air sent by the fan 70 into the air box 55 enters it via a blowing duct 71 arranged tangentially. This air then enters the combustion chamber 51 passing mainly through the tunnel 56 and also through the openings 57, the latter directing the air around the outer frame of said tunnel 56, to cool it a little, and along the interior wall of the combustion chamber 51, in order to facilitate the combustion of fuel particles which might escape from the combustion zone in the center of the chamber.
It should be noted, moreover, that this air gives rise to the formation of a colder gaseous envelope along said inner wall which does not absorb
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no radiation from the combustion zone (absence of C02 and II20).
The combustion gases then pass between the outer wall of the body of the combustion chamber 51 and the inner wall of the body of the combustion chamber.
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recuperator Z2 .. In order to increase the heat exchange surface between the combustion gases and the walls with which they come into contact, the outer wall of the body of the combustion chamber is provided with fins (such as 73 , figa 5) increasing its surface, as well as the inner wall
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upper body of the recuperator 2 ,, which is provided with fins (such as 1 / z; fig. 5) also increasing its surface. The internal space 75 delimited by the two walls of the body 72 is related to the speed that we want to give to
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1- "flue gas flow.
The space z of the combustion chamber body and the space 12 of the recuperator body 72 are provided with designated guide flaps, res-
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pectively, by z and 22. These flaps are preferably made of half-round iron and are fixed on the internal face of the outer wall of the body of the combustion chamber. 21. and on the inner face of the outer wall of the body of the recuperator 12 ... so as to leave a passage for
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that the fluid to be heated can x'éaoulé between said flaps and the inner face of the two inner walls delimiting the spaces 2.6 and 75.
Thanks to this arrangement, the fluid to be heated, pulsed by the distribution pump (not shown), travels, on the one hand, a spiral path upward
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upwards in the two spaces 2 and 5. and, on the other hand, passes in speed by short-circuiting between the aforementioned interior walls and the guiding shutters 76 and 77. The inclination of the guiding shutters and Z1. being chosen so that the two movements indicated for the fluid take place at an angle which is preferably of the order of 60, vortex movements result in the flow of the fluid which prevent overheating possible local.
The arrival of the external fluid to be heated takes place through the conduits.
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tes 1¯8 which pass through the base 65. of the apparatus and which penetrate into the space 75 of the body of the recuperator, after having passed through the bottom basin The pipes 78 are provided with flexible loops.
On leaving the body of the recuperator 72, the fluid to be heated is
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led by the pipes to the manifolds $ 0, which direct it towards the Lly pipe leading to the bowl ± à by the tubes 2. this fluid then passing from this bowl to the space 2 of the combustion chamber l¯ through the conduits 60, as has already been said.
It follows from the foregoing that the circulation of the fluid to be heated takes place methodically from the coldest zone (space 75 of the body of the recuperator) to the hottest zone (space 52 of the combustion chamber 51) passing through the intermediate temperature zone (cuvette 54).
Like the inner wall which is provided with fins 74, the outer wall of the body of the recuperator 72 is provided with V-shaped fins 83, the number of fins 83 possibly being double that of fins 74.
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in order to balance the transmission on both sides of the recuperator body, the inner side of which is placed in an area where the temperature is higher than that in which the outer side is.
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All the fins there and α2 have slits (of the order of 10 mm, every 100 mm approximately for example), in order, on the one hand, to increase the coefficient of transmission by convection and, on the other hand, to suppress exaggerated fatigue on double-walled bodies. In addition, the aforementioned slots are staggered to distribute said fatigue more evenly.
After they have walked from bottom to top the gap 84 existing between the outer wall of the combustion chamber 51 and the inner wall.
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re of the recuperator body 72, the combustion gases make a change of direction of 1800 to descend to the base 65, passing through the gap 85 existing between the outer wall of the recuperator body 72 and the internal face of the main casing 86 of the device. The combustion gases thus give up heat to this main casing before passing through an opening made in the upper plate 109 of the base 65, to enter the flue 67, controlled by the register 68, and go to the exhaust chimney .
Some flaps 87, also serving as supports for the central elements of the appliance, are arranged so as to balance the flow of combustion gases towards the chimney through the circular flue 67. These support flaps transmit the weight of the central part of the flue. the apparatus, by means of four legs 88 (in U iron) to the two transverse longitudinal members (in U iron) welded to the frame of the base 65, the frame which is made of profiled irons reinforced by gussets.
This arrangement allows easy lifting and transport of the heat exchanger which, for this purpose, has openings (or hooks) made in the upper circular belt of the base, formed by a strong profile 90, intended to receive the chains. or cables from a stowage hoist. Note, moreover, that the apparatus comprises, at its lower part, a frame 91 made of large profiled irons, allowing it to be placed on a simple slab, without any foundation, the total weight of the apparatus being very reduced. , even for medium power units, of the order of 2,000,000 cal / h.
To prevent any escape of the combustion gases out of the chamber 51 into the interior of the pedestal 65, the inlet tubes 78, passing through the lower cup 54, are provided with an asbestos packing and with clamping devices. Likewise, another circular asbestos packing 92 eliminates any possible short-circuit of the hot gases between the combustion chamber 51 and the flue 67 and forces these gases to rise upwards through the annular space 84. A trap door d The explosion 93, fitted with a protective sheath.: 24 personnel and an inspection pipe 95 connecting it with the lower bowl 54, eliminates the risks due to a possible overpressure occurring inside the combustion chamber 51. A sealed door 96 provides access to the duct 94.
The combustion air necessary for the operation of the burner is sucked from the outside through a protective screen 97. This air then passes between the outer casing 98 and an intermediate partition 99, bypassing the lower end of the chamber. the latter and rises by passing through the gap formed between the internal face of this partition 99 and the external face of the wall of the main casing 86 which is provided with V-shaped fins, similar to the previous ones. These fins serve not only to increase the heat exchange surface between the main casing 86 and the combustion air, but also to consolidate the position of the intermediate partition 99.
On leaving the above-mentioned interval, the heated air enters through the holes 100 'into the circular manifold 100, provided at the upper part of the apparatus, from where it is sucked by the fan 70, through the pipe 101, to be sent, through the pipe 71 provided with an adjustment register 102, into the air box 55. The latter is provided with an overpressure trap 103 of the combustion air, which allows to visit tunnel 56.
To recover as much as possible the heat tending to escape to the outside of the appliance, the thermal insulation of which is provided by the air drawn in from the outside, a series of openings 104 are provided, arranged in a circular fashion. and making it possible to suck heated air from inside the base 65, in particular through the bowl 54 and the flue 67, and mix it with
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External air drawn in by the fan 70. As a result, the air flows
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outside is already preheated by 1-air from the base 65.
A series of 105 openings placed on the same circle as the tu-
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bes ± 3 outlet of the fluid to be heated from the body of the recuperator 72 makes it possible to examine and clean., by blowing, brushing or washing, the annular passages .8 and â2 for the circulation of the combustion gases. Likewise, side doors 106, provided on the flue 67, and large doors 107, provided on the base 65, make it possible to visit and clean said flue and the interior of the base.
For the connection of the flue 67 with the chimney, a
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strong angle 108 ,. said chimney having to be able to produce the low draft, which is only necessary when the burner is operating at idle speed, to avoid the clogging of the combustion chamber 51 and of the gas pipes when the flow rate of the combustion air fan is very low thus only when the burner is ignited.
Finally, it will be noted that the openings 58 are provided with transparent protection devices and that the flywheel for the control wire of the register 68 is provided in a raised position to allow the
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top plate 109 of the base z at ground level, so that the wire flue can be connected directly with the masonry flue gas passing under the slab resting on the ground.
It follows from the above description that all the double bodies
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ble wall, combustion chamber .51; and recuperator 72, are freely suspended from the cap 22 of the apparatus and are supported by the main casing 86. Since the latter expands upwards and the aforesaid bodies expand downwards, there is follows that the relative positions
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of these elements remain practically the same during the operation of 1-9 <p- same. With respect to the outer shell 98, which is also suspended from the bonnet, it does not expand because it is surrounded by cold air.
This envelope 98 therefore slides, during the expansion of the main envelope 86, in the base crown formed by a strong corner which is bevelled internally at the top so as not to damage.
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the visible part of said envelope 2Q when the latter moves. The necessary tightness between the combustion chamber 21 and the flue z, when the relative positions of the expandable bodies and of the main casing
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change, is ensured by the circular jam 2 of the bowl 5 ..
It goes without saying that the thexmo-exchanger has been described and shown only as a purely eipl4cative., In no way limiting, and that various modifications of detail could be made to the embodiment.
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indicated, without going beyond the scope of the invention. It is thus, for example, that, in the case where the intermediate fluid at high temperature produced by the heat exchanger is intended to make steam by the addition of a thermo-vaporizer, a steam superheater could be provided between the body of the combustion chamber 51 and the recuperator body 72.
For this purpose, one could remove the conical part of the base of the recuperator body and give it a cylindrical shape at this point allowing the tubes of the bundle of the steam superheater to be accommodated. For marl, the combustion air necessary for the burner to operate could also be blown by a fan placed outside the heat exchanger, the suction grid then being able to be removed. It should be noted, moreover, that instead of being suspended inside the combustion chamber, the tunnel could be placed on its support so as to be located outside the combustion chamber. In addition, combustion could take place not from top to bottom, but from bottom to top or even horizontally depending on the position of the
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heat exchanger.
In the case of bottom-up combustion, the combustion chamber bowl as well as the flue gas exhaust pipes, will be provided at the top of the appliance. Finally, it should be noted that the number of double-walled bodies may be greater than
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two and that we can predict, for example ,. two recuperating bodies instead of just one.