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Publication number: BE531249A
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Description


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   La présente invention concerne les dispositifs de chauffage a'un courant continu d'air et/ou gaz, comprenant un système tubulaire échangeur de chaleur au moyen duquel la chaleur est transmise d'un gaz chaud ou d'un mélange de gaz chauds venant d'une chambre de combustion où le combustible est brûlé de manière continue, ou d'une source externe, à l'air ou/et gaz à chauffera 
Des dispositifs de ce genre peuvent être employés, entre autres, dans le but de fournir de l'air soufflé chaud pour cubilots et autres types de fours; ils peuvent également être employés pour le chauffage de gaz utilisés dans diverses applications industrielles. 



   Les produits de la combustion de combustibles hydrocarbonés communément employés, tels que le gaz de charbon, le mazout, le   kerosène,   le charbon pulvérisé ou les émulsions de charbon pulvérisé dans l'huile, lors= que la combustion a été faite dans de bonnes conditions de rendement, sont engendrés à des températures si élevées qu'il devient nécessaire de les di- , luer avec des gaz plus froids avant qu'ils ne puissent venir en oontact avec des parties métalliques telles que les tubes de   l'éphangeur   de chaleur. Des considérations similaires peuvent parfois s'appliquer lorsqu'on emploie comme agent chauffant les gaz chauds provenant d'une source externe, par exemple les gaz résiduaires de procédés industriels. 



   Jusqu'à présent, il a été usuel de diluer ces produits de combustion ou autres gaz chauds avec de grands volumes d'air, et on a accepté , la conséquence d'une perte de rendement thermique total (mesuré par le pourcentage de calories engendrées qui sont réellement transférées à l'air qui doit être chauffé). 



   La présente invention a pour objet d'obtenir une réduction suffisante de la température des produits de combustion ou autres gaz chauds avant qu'ils ne rencontrent le système échangeur de chaleur, afin de rendre possible la construction de celui-ci en matériaux relativement peu coûteux avec un meilleur rendement thermique total que celui généralement obtenu. 



   La présente invention concerne aussi bien une méthode nouvelle qu'un appareil nouveau. 



   Dans la méthode de chauffage d'air et/ou gaz suivant la présente invention, le gaz chaud   ou:mélange   de gaz chauds qui vient de sortir de la chambre de combustion ou d'une source externe, est dilué à son entrée dans le système échangeur de chaleur avec plusieurs fois son volume de gaz ou mé-.

   lange de gaz, précédemment obtenu de la même source et qui a déjà traversé au moins la majeure partie de l'échangeur, la majeure partie du gaz ou du mélange de gaz obtenu de   la,chambre   de combustion ou de la source externe traversant ainsi la majeure partie du système échangeur de chaleur plus d'une fois avant d'être épuisé, de sorte que l'écoulement de la masse de ce gaz, ou mélange de gaz, dans la majeure partie au moins du système échangeur de chaleur réprésente plusieurs fois l'écoulement de la masse de gaz ou mélange de gaz qui pénètre dans le système échangeur de chaleur et en sort. 



   Un appareil suivant la présente invention pour la réalisation de la méthode définie ci-dessus, comprend un échangeur de chaleur tubulaire pourvu d'ouvertures d'admission et d'échappement pour l'air ou gaz qui reçoit la chaleur, une sortie pour le gaz chaud épuisé, et une chambre, pourvue de moyens de combustion pour la génération de gaz chaud, ou pour recevoir,le gaz chaud d'une source externe, la dite chambre se terminant par une tuyère   déva-   cuation, et un tube venturi co-axial avec la dite tuyère et constituant avec celle-ci un injecteur disposé de manière que le jet de gaz chaud frais sortant de la tuyère entraîne une couche environnante de gaz chaud, qui a traversé au moins la majeure partie de l'échangeur de chaleur. 



   L'extrémité d'évacuation:du tube venturi est de préférence pourvue d'un prolongement tubulaire qui constitue un tube mélangeur et assure que 

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 les gaz évacués du tube venturi pénètrent dans l'échangeur de chaleur en un point éloigné de l'endroit d'admission   du   tube venturi. 



   L'échangeur   tu@ulaire   est de préférence du   type   à contre-courant permettant la récupération de cnaleur, mais suivant un trait caractéristique de l'invention l'air ou le gaz à chauffer passe avant ce pénétrer dans l'échangeur proprement dit, dans une enveloppe qui entoure la chambre de génération ou réception de gaz chauds pour la tuyère d'injection, afin ae refroidir ces gaz chauds, la chaleur ainsi extraite étant utilisée pour le pré-chauffage de l'air ou gaz avant son entrée dans l'échangeur tubulaire. 



   ,lette disposition, lorsqu'elle est appliquée à un dispositif de chauffage d'air ou gaz qui comprend une chambre de combustion produisant du gaz chaud, est calculée de manière à réduire au minimum le risque de fusion du revêtement interne réfractaire de la chambre de combustion, ce qui pourrait se produire si la paroi réfractaire était assez épaisse pour réduire les pertes ae chaleur de la chambre de combustion à des proportions négligeables en tenant compte du fait qu'on n'envisage pas l'alimentation dans la chambre de combustion d'air de dilution, en excès par rapport à la quantité requise pour assurer une combustion complète.

   En formant une paroi réfractaire plus mine, ce qui perme' d'obtenir intentionnellement une faible perte de chaleur ae la chambre de combustion, on peut maintenir un gradient suffisant de température dans la paroi réfractaire pour empêcher sa fusion à l'intérieur. 



   L'injecteur qui provoque la dilution des gaz qui quittent la tuyère avec un volume plus grand des mêmes gaz ayant traversé et re-traversé l'échangeur de chaleur, demande pour agir efficacement que les gaz quittent la tuyère avec une grande énergie cinétique. 



   Lorsque la tuyère constitue la sortie d'une chambre de combustion encastrée, l'énergie cinétique des gaz qui quittent la tuyère est fournie en partie par l'énergie libérée par la combustion et en partie par pré-compression du mélange air /combustible alimenté à la chambre de combustion.   Cepen-   dant, lorsqu'une source externe de gaz chaud est utilisée pour l'alimentation de la tuyère, il sera nécessaire de fournir l'énergie cinétique nécessaire en établissant une chute de pression suffisante dans la tuyère.

   Si les gaz de chauffage épuisés sont évacués dans l'atmosphère, la pression ae ces gaz dans l'échangeur sera approximativement égale à la pression atmosphérique et la chute ae pression nécessaire dans la tuyère se produira si la source externe alimente les gaz à une pression considéranlement plus grande que la pression atmosphérique. Cepenaant, plus généralement, comme par exemple lorsqu'on emploie des gaz résiduaires de procédés industriels comme agent de chauffage, les gaz chauds seront à la pression atmosphérique, ou à une pression voisine de la pression atmosphérique lorsqu'ils pénétreront dans la tuyère. 



   La chute de pression requise dans la tuyère peut dans ce cas être obtenue, suivant un trait caractéristique de l'invention, en prévoyant le dispositif (-le chauffage d'air et/ou gaz avec une pompe d'aspiration destinée à maintenir un vide partiel dans les espaces de l'échangeur qui renferment le gaz et à maintenir les gaz de chauffage épuisés contre la pression atmosphérique. 



   Les dessins ci-joints montrent un mode de réalisation de   l'inven-   tion et une adaptation suivant laquelle les gaz résiduaires d'un four sont employés pour chauffer l'air   de   soufflage au four, et cela à titre d'exemple   se@lement.   



   Dans les dessins. 



   Fig. 1 est une coupe verticale axiale de   l'extrémité   de gauche d'un dispositif   ae   chauffage J'air ou de gaz. 



   Fig. la est une   oupe   verticale axiale de l'extrémité de aroite du dispositif, en continuation de la fig. 1. 

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   Figs. 2,3 et 4 sont des coupes faites le long des lignes 2-2, 3-3 et   4-4   de la fig. 1 respectivement, et 
Fig. 5 est une vue sectionnelle schématique d'un dispositif de chauffage d'air tel qu'illustré dans les figs. 1 à 4, adapté à utiliser les gaz résiduaires d'un four pour chauffer l'air injecté dans le même four. 



   En se reportant aux figs. 1 à 4 des dessins, le dispositif de chauffage d'air ou gaz comprend une enveloppe cylindrique 10, dans une plaque d'extrémité de laquelle se trouve   forméeune   ouverture de sortie 11 pour l'air (ou gaz) chauffé (qui pour la simplicité sera appelé "air" ci-après). 



  Dans l'autre extrémité de l'enveloppe se trouve disposée co-axialement une chambre de combustion cylinarique 12, revêtue intérieurement de matière réfractaire 13, et présentant des moyens usuels (non illlustrés ) d'introduction et combustion dans l'air atmosphérique, ou enrichi d'oxygène, d'un combustible gazeux ou liquide approprié, l'air de combustion étant de préférence alimenté sous une pression supérieure à la pression atmosphérique. 



   L'enveloppe présente de plus une admission 14 pour l'air qui doit être chauffé et une ouverture de sortie 15 pour les produits gazeux de combustion chauds, épuisés, venant de la chambre de combustion, ainsi que des soupapes de sécurité 16,et 17 empêchant l'explosion ou la présence d'un excès de gaz. 



   La chambre de combustion 12 se termine par une tuyère d'injection 18 qui évacue des produits gazeux de combustion à température élevée dans l'extrémité d'admission d'un tube venturi coaxial 19 dont l'extrémité de sortie présente un long prolongement tubulaire 20. La chambre de combustion et la tuyère sont entourées d'un tube coaxial 21 définissant une enveloppe annulaire autour de la chambre de combustion et de la tuyère.

   La partie de cette enveloppe qui   entpure   la tuyère communique par des ouvertures 22 avec un collecteur a'air 23 qui communique avec   1?admission   d'air 14, et est limité par des plaques transversales de collecteur 24 et 25, tandis que l'extrémité de l'enveloppe qui est éloignée de la tuyère communique par d'autres ouvertures 26 avec un espace intermédiaire 27 collecteur d'air qui entoure la chambre de combustion et est délimité par une plaque d'extrémité 28, une troisième plaque transversale de collecteur 29 et une paroi cylindrique interne 30. Entre la deuxième et la troisième plaque de collecteur,   2   et 29, et entre l'enveloppe externe 10 et la paroi cylindrique   interne   30 se trouve un espace collecteur 31 communiquant avec l'ouverture 15 de sortie du gaz chaud épuisé. 



   L'ouverture 11 pour l'air chauffé communique avec un espace collecteur 32 de sortie ci'air délimité par une plaque d'extrémité 33, une paroi cylindrique 34 et une quatrième plaque transversale de collecteur 35, située au-delà de l'extrémité ouverte d'évacuation du tube 30. 



   L'espace annulaire 39 dans l'enveloppe entourant le tube venturi 19 et sonttube de prolongement 20, et, délimité par les plaques de collecteur 24 et 35, constitue l'espace de circulation du gaz chaud de l'échangeur de chaleur tubulaire. Cet espace est traversé par un certain nombre de tubes à air 36 parallèles à l'axe ae l'enveloppe 10 et allant depuis la plaque 29 jusqu'à la plaque 35. Le tube de prolongement 20 est supporté par des cloisons 37, qui sont perforées pour loger avec un certain jeu les tubes à air 36. Là où chaque tube 36 passe dans l'espace collecteur 23 d'air d'admission, il se trouve enveloppé par un tube coaxial externe 38 s'étendant depuis la plaque 25 jusqu'à la plaque 29 et établissant une communication entre l'espace principal 39 de circulation de gaz chaud et l'espace collecteur   @1   pour le gaz chaud épuisé. 



   La tuyère 18 et le tube venturi 19 constituent un dispositif d'injection au moyen duquel le jet de produits gazeux de combustion à haute température sortant de la tuyère, entraîne une plus grande quantité des mêmes gaz qui ont'traversé l'espace principal de circulation de gaz depuis   l'ou-   

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   vertu=e   de sortie du tube 20 jusqu'à l'entrée du tube   venturi   19, et dont la température été réduite par échange de chaleur avec   l'air   qui passe dans les tubes 36 en   direction   opposée.

   Ces gaz sont mélangés   avec   les gaz   chauc.s   frais venant du jet de la tuyère dans le   prolonlenent   tuculaire 20 et évacués par   son   extrémité de sortie dans l'espace principal 39 de circulation de gaz. On établit ainsi par le tube venturi 19, son prolongement tubulaire 20, et l'espace   principal 39 ce   circulation   :

  Le   gaz de l'échangeur, une cireulation et re-circulation   continue     les   prodaits gazeux de combustion dont la nasse en écoulement est   beaucoup   plus grande que celle du jet de la tuyere, et dont la température moyenne est beaucoup moindre, tandis que la cha-   leur   contenue par les produits de combustion est conservée pour être transmise à l'air à chauffer. Si l'on employait de l'air froid pour la dilutior et l'abaissement ue la température des produits de combustion, les calories dépensées pour élever la température de l'air   ae   dilution depuis sa température initiale (atmosphérique) jusqu'à la température d'évacuation seraient perdues. 



   L'air à chauffer pénètre dans l'espace collecteur d'admission 23, où il passe par les tubes   38   qui transportent des produits de combustion gazeux partiellement épuisés de l'espace principal 39 de circulation de gaz chaud vers l'espace 31 collecteur du gaz épuisé et est ainsi préchauffé.

   11 passe alors par   l'enveloppe   21, en servant ainsi à refroidir la chambre de combustion 12 et la tuyère 18 et étant ainsi lui-même préchauffé davantage, dans l'espace collecteur d'air intermédiaire   27,   d'où il s'écoule par les tubes 36 au système principal échangeur de chaleur dans l'espace collecteur 32 d'évacuation d'air, à contre-courant avec les proauits de combustion chauds passant par l'espace principal 39 de circulation aes gaz chauds et par les tubes 38, et étant ainsi chauffé à la température requise. 



   Dans la modification illustrée dans la figure 5, le dispositif de chauffage 10 etc. est employé pour la chauffage de l'air d'injection d'un four 40, la sortie d'air   11   étant connectée par un tuyau 41 aux tuyères d'injection 42 du four; les gaz d'échappement du four lui-même sont employés pour chauffer l'air, et sont transportés dans la chambre 12 du dispositif   de   chauf-   fage   de   l'air   au moyen d'un tuyau 43 revêtu intérieurement ae matière réfractaire. Dans ce cas, la chambre 12 ne possède pas des moyens de combustion mais reçoit seulement les produits de   comoustion     chauas   du four. 



   Puisque ces produits se trouvent nratiquement à la pression atmosphérique, la sortie 15 des gaz épuisés du dispositif de chauffage d'air est connectée à une pompe d'épuisement   44   actionnée par un moteur 45, cette pompe maintenant une pression inférieure à la pression atmosphérique dans les espaces à gaz chaud du   aispositif   de chauffage et évacuant les gaz chauds épuisés contre la pression atmosphérique. De cette manière, on maintient une différence suffisante de pression dans la tuyère 18 pour fournir au jet qui sort de la tuyère avec une énergie cinétique suffisante pour maintenir l'effet   'injection   de la tuyère 18 et tube venturi   19.

Claims

REVENDICATIONS ET RESUME.

1. Méthode ae chauffage d'air et/ou gaz par échange de chaleur avec un gaz, ou mélange de gaz, chaud sortant ue la chancre ae combustion ou -lune source externe, aans un système tubulaire échangeur de chaleur, dans laquelle méthode le gaz, ou mélange de gaz, chaud est dilué, à son entrée de la chancre ae combustion ou source externe, dans le système échangeur ..-3 chaleur avec plusieurs fois son volume de gaz ou mélange de gaz, précédenment obtenu de la même source et qui a déjà traversé au moins la majeure partie de l'échangeur de chaleur,

la majeure partie du gaz ou du mélange de gaz obtenu de la chambre de combustion ou de la source externe traversant ainsi la ma- jeure partie du système échangeur de chaleur plus a'une fois avant d'être épuisé, de sorte que l'écoulement ae la masse de ce gaz, ou mélange de gaz, dans la majeure partie au moins du système échangeur de chaleur, représente plu- <Desc/Clms Page number 5> sieurs fois l'écoulement de la masse de gaz ou mélange de gaz qui pénètre dans le système échangeur de chaleur et en sort.

2. Appareil pour la réalisation de la mathode revendiquée dans la revendication 1, comprenant un échangeur de chaleur tubulaire pourvu d'ouvertures d'admission et d'échappement pour l'air ou* gaz qui reçoit la chaleur, une sortie pour le gaz chaud épuisé, et une chambre, pourvue de moyens de combustion pour la génération du gaz chaud, ou pour recevoir le gaz chaud d'une source externe, la dite chambre se terminant par une tuyère d'évacuation, et un tube venturi co-axial avec la dite tuyère et constituant avec celle-ci un injecteur disposé de manière que le jet de gaz chaud frais sortant de la tuyère entraine une couche environnante de gaz chaud qui a traversé au moins la majeure partie de l'échangeur de chaleur: 3.

Appareil selon 2 , comprenant également un prolongement tubulaire de l'extrémité d'évacuation du tube venturi, ce prolongement constituant un tube mélangeur qui délivre les gaz évacués du tube venturi dans le système échangeur de chaleur en un point éloigné de l'endroit d'admission du tube venturi.

4. Appareil selon 2 et 3, dans lequel le dispositif échangeur de chaleur est du type à contre-courant, cet appareil comprenant également une enveloppe qui entoure la tuyère d'injection, et la chambre de génération ou réception des gaz chauds, par laquelle on fait passer l'air ou le gaz devant être chauffé, avant son admission dans le système tubulaire échangeur de chaleur.

5. Appareil selon n'importe laquelle des revendications 2,3 et 4, dans lequel le gaz chaud vient d'une source externe et pénètre dans l'appareil pratiquement ou approximativement à la pression atmosphérique, et qui comprend également une pompe d'aspiration pour maintenir une pression inférieure à la pression atmosphérique dans les espaces à gaz chaud de l'appareil et pour enlever les gaz chauds épuisés contre la pression atmosphérique.

6. Appareil selon 3 , dans lequel le système tubulaire échangeur de chaleur est disposé co-axialement autour du tube venturi et tube de mélange.

7. Appareil selon 6 , dans lequel la chambre de production ou réception des gaz chauds, la tuyère d'injection, le tube venturi et le tube mélangeur sont disposés co-axialement dans une enveloppe cylindrique, cet appareil comprenant un espace collecteur d'admission entourant la tuyère d'injection et délimité par deux plaques de collecteur, cet espace recevant l'air ou le gaz à chauffer, un espace collecteur intermédiaire entourant l'extrémité éloignée de la tuyère d'injection de la chambre à gaz chaud, le dit espace intermédiaire étant délimité par l'une des extrémités de l'enveloppe et par une troisième plaque de collecteur, une enveloppe entourant la chambre à gaz chaud et la tuyère et communiquant avec les deux espaces collecteurs, un certain nombre de tubes étant disposé autour de, et parallèlement à,

l'axe de la tuyère d'injection et du tube venturi, les dits tubes de la troisième plaque de collecteur jusqu'à une quatrième plaque de collecteur disposée audelà de l'extrémité ouverte du tube mélangeur et transportant de l'air ou gaz à chauffer du dit espace collecteur intermédiaire jusqu'à un espace collecteur de sortie délimité entre la quatrième plaque de collecteur et l'extrémité de l'enveloppe qui est éloignée de la chambre à gaz chaud, le dit espace collecteur de sortie ayant une ouverture de sortie, et autres tubes allant de la première plaque de collecteur à la seconde pour transporter du gaz chaud partiellement épuisé de l'espace entourant les tubes venturi et mélangeurs dans l'espace compris entre la troisième plaque de collecteur et la plus proche des deux premières plaques de collecteur,

ce dernier espace présentant une ouverture pour l'évacuation du gaz chaud épuisé.

8. Appareil tel que revendiqué sous 7 , dans lequel chacun des <Desc/Clms Page number 6> tubes qui transportent l'air ou le gaz à chauffer est entouré coaxialement par l'un des tubes allant de la première plaque de collecteur à la seconde, de manière à être enveloppé par le gaz chaud partiellement épuisé là où il traverse l'espace collecteur d'admission.

9. Méthode de chauffage d'air ou gaz, substantiellement comme décrit en se reportant aux dessins ci-joints.

10. Appareil de chauffage d'air ou gaz, construit et adapté à fonctionner substantiellement comme décrit et illustré dans les dessins cijoints.

11. Traits caractéristiques, combinaisons et arrangements nouveaux ou perfectionnés, tels que décrits, illustrés et mentionnés, ou certains d'entre eux pris ensemble ou séparément. En annexe : 3 dessins.