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La présente invention concerne d'une manière générale des réchauffeurs tubulaires, ou des-fours tubulaires, et elle est plus particulièrement applicable à des réchauffeurs de ce genre compor- tant une zone de radiation, où le transfert de chaleur depuis les produits de combustion jusqu'au fluide contenu dans les tubes est effectué dans une grande mesure par radiation.
Jusqu'ici, la répartition de l'absorption de chaleur autou de chaque tube était généralement très inégale dans les fours tubu- laires du genre précité. L'une des raisons de ce défaut réside dans le fait que la source d'énergie de radiation est.plus ou moins une zone unique concentrée et que, par conséquent, l'énergie de radiation rencontre directement un seul côté d'un tube de chauffage donné. De
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,ce fait, l'autre côté de ce tube n'est pas soumis à une fa@iation directe et il reçoit un apport de chaleur plus faible.
Par suite de cette répartition inégale, la capacité d'un réchauffeur de dimensions données est limitée à une valeur très inférieure à -celle qu'on pourrait obtenir autrement, étant donné que le côté chaud des tubes serait grillé si leur c8té protégé se rapprochait d'un taux maximum d'absorption de chaleur.
On a découvert que dans des réchauffeurs dans lesquels on utilise un chauffage des tubes par radiation au moyen d'une source de chaleur centrale entourée par des parois de four au voisinage des tubes, il se crée des courants thermiques des gaz des produits de combustion chauds, qui circulent vers le bas autour des tubes et sur leur paroi extérieure, tandis que la fraction la plus chaude des flammes des produits de combustion émises par le ou les brûleurs est entraînée vers le haut par la circulation en tirage normal des produits de combustion. De ce fait, et en mettant. en oeuvre la présente invention, on peut utiliser ces courants descendants de gaz de combustion pour obtenir un transfert de chaleu supplémentaire par des effets de chauffage par convection.
On ne tirait pas partie jusqu'ici de ce transfert de chaleur supplémentai- re et, en conséquence, la capacité d'un réchauffeur de dimensions données était extrêmement inférieure à ses possibilités maxima.
En conséquence, la présente invention a pour objet: - une notable augmentation de la capacité de chauffage d'm réchauffeur du type à radiation, par rapport à celle qu'on pouvait obtenir jusqu'ici, en utilisant une seule source de chaleur par radiation; - un dispositif associé aux tubes de chauffage d'un réchauffeur du type à radiation, de manière à pouvoir augmenter le transfert de chaleur sur le côté des tubes qui est à l'opposé de la source d'énergie calorifique, afin de mieux équilibrer l'im- portance du transfert de chaleur autour de la périphérie d'une surface donnée des tubes de chauffage;
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- un dispositif d'augmentation de surface, placé sur le côté protégé d'un tube de radiation de chaleur afin de tirer parti des effets de chauffage par convection conjointement avec les produits de combustion circulant sur-le côté d'un tube de chauffage qui est éloigné de la source de chaleur.
On a conçu dans la présente invention un four cylindrique comportant : une enveloppe extérieure; un revêtement intérieur calo- rifuge réfractaire placé dans cette enveloppe et constituant une chambre de combustion cylindrique; une seule rangée cylindrique de tubes circonférentiellement espacés, qui sont disposés au voisinage de ce revêtement et qui sont concentriques à cette chambrer enfin, au moins un brûleur disposé de manière à projeter des flammes et des gaz chauds axialement dans la chambre en assurant un échange de chaleur par radiation avec la rangée de tubes, ceux-ci, étant espacés du revêtement et comportant des prolongements analo- gues à des ailettes,qui font saillie sur leurs côtés adjacents au revêtement,
grâce à quoi chaque tube est soumis à une absorption de chaleur provenant'd'une radiation directe de chaleur des flammes et des gaz chauds s'écoulant axialement dans le four, à la chaleur de radiation réfléchie par le revêtement calorifuge réfractaire et à la chaleur de convection provenant des courants de gaz chauds s'écoulant, entre le revêtement et l'arrière des tubes, en sens @ inverse du sens de projection des flammes et des gaz chauds, les prolongements précités étant protégés de la radiation directe de chaleur à partir des flammes et des gaz chauds.
Afin de faire comprendre l'invention, on va maintenant la décrire en se référant au dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une coupe verticale d'un type de réchauf- feur ne comportant qu'une seule chambre de radiation; ,la figure 2 est une coupe transversale horizontale faite par 2-2 de la figure 1 dans le sens des flèches ; la figure 3 est un graphique de répartition du flux calorifique relatif à un tube situé au voisinage d'un corps réfrac-
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taire et recevant une énergie de radiation à partir du côté opposé du tube; la figure 4 est une coupe transversale verticale illustran un autre type de réchauffeur comportant une zone de convection ordinaire en plus d'une zone de radiation; la figure 5 est une coupe transversale horizontale à plus grande échelle, faite par 5-5 de la figure 4 dans le sens des flèches;
la figure 6 est également une coupe transversale agrandie faite par 6-6 de la figure 4 dans le sens des flèches; les figures 7,8 et 9 sont des coupes transversales fragmentaires d'un seul tube de chauffage, illustrant diverses modifications conformes à la présente invention; la figure 10 est une vue verticale fragmentaire en élé- vation d'une modification supplémentaire du mode de réalisation de l'augmentation de surface prévu sur le côté protégé d'un tube de chauffage; la figure 11 est une coupe transversale faite par 11-11 de la figure 10 dans le sens des flèches.
@ On va d'abord se référer au graphique de la figure 3 et l'on remarquera que la répartition de la chaleur autour d'un tube de chauffage soumis à une radiation de chaleur seulement à partir d'un de ses côtés est extrêmement inégale. Il en est ainsi quand le tube est placé au voisinage d'une paroi en matière réfractaire, de sorte qu'il reçoit une fraction importante 'de chaleur réfléchie.
Comme illustré sur la figure 3, quand un tube 21 est soumis à l'énergie d'une radiation à partir d'un de ses côtés seulement (connue représenté par un plan de radiation 22) la répartition du flux d'énergie calorifique prend la forme d'une zone elliptique 23 comportant des hachures obliques partant du côté supérieur droit du dessin et aboutissant à son côté inférieur gauche. En traçant ce graphique, on a admis que le plan de radiation de l'éner- gie de radiation est plat, étant donné que cette hypothèse est suffisamment exacte chaque fois que la source d'énergie de
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radiation n'est pas trop rapprochée du tube.
En même temps que le tube 21 reçoit l'énergie de radiation provenant de la source de radiation directe représentée par le plan de radiation 22, il reçoit également l'énergie réfléchie ou irradiée de nouveau à partir d'un corps réfractaire 24 situé du côté opposé du tube. La répartition du flux calorifique autour du tube 21, en raison de l'énergie réfléchie à partir du corps réfractaire 24, est représentée par une ellipse plus petite 25, c'est-à-dire celle qui comporte des hachu- res perpendiculaires à celles de l'ellipse 23.
L'addition radiale des ellipses 23 et 25 donne la zone totale du flux de chaleur qui est illustrée sur ce graphique* Cette zone totale comprend deux paires de zones 26 et 27 comportant deux séries de hachures croisées qui représentent les zones de recouvrement des ellipses 23 et 25, en plus des zones extérieures qui représentent l'addition radiale de l'apport de chaleur, ou intensité calorifique, sur la circonféren' ce du tube 21. On peut donc remarquer en examinant le graphique de la figure 3 qu'avant la présente invention la répartiion thermique autour d'un tube de chauffage donné était extrêmement inégale.
On a conçu dans l'invention un moyen pour remédier à cette répartition inégale,'de manière à se rapprocher plus étroitement d'une réparti- tion égale de l'apport de chaleur sur la totalité de la circonféren- ce d'un tube de chauffage donné.
On a illustré sur les figures 1 et 2. un réchauffeur ou four 31 tubulaire vertical du type cylindrique qui comporte une enveloppe extérieure 32 pouvant être en acier ou un matériau simi- laire- Cette enveloppe est garnie de parois 33 en matière réfrac- taire. Au voisinage des parois réfractaires mais à quelque distance de celles-ci, est disposée sous forme d'un groupe cylindrique une seule rangée de tubes de chauffage 34. Ces derniers peuvent être raccordés selon n'importe quelle combinaison désirée en groupes re- liés en série et/ou en parallèle, mais l'ensemble circulaire ainsi constitué forme une rangée de tubes soumis au chauffage, disposée à l'intérieur de la zone de radiation du réchauffeur 31.
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L'ensemble du réchaufeur ou four 31 peut être supporte de toute manière appropriée, par exemple au moyen de montants 37 et 38. La source d'énergie thermique peut affecter diverses formes et, dans le cas présent, elle est constituée par quatre brûleurs 39 à flammes ascendantes, qui sont placés dans la sole et qui sont supportés par la charpente du réchauffeur- Les produits et les gaz de combustion chauds sont entraînés vers le haut, à travers l'espace central ouvert, dans une chambre 40 et ils doivent circuler autour d'un déflecteur conique 41 supporté de manière inversée à partir de la partie supérieure de la chambre 40. On peut obtenir cette suspension du déflecteur 41 de toute manière appropriée, par exemple au moyen de plusieurs bandes métalliques 42.
Une grande proportion des gaz et des produits de combustion chauds continue alors à circuler vers le haut en traversant une ouverture annulaire relative.ment étroite 43 et s'échappe par la cheminée (non représentée) placée à la partie supérieure du four, mais une proportion plus ,faible des gaz et des produits de combustion chauds circule vers le bas autour des tubes et derrière ceux-ci; comme expliqué ici par la suite.
Comme clairement représenté sur la figure 2, chaque tube de chauffage 34 comporte deux éléments 46 formant un prolongement de surface et s'apparentant à des ailettes. On fait remarquer que les deux ailettes 46 de chaque tube s'étendent radialement à partir de la paroi arrière ou pro'tégée du .tube. En conséquence, ces ailettes sont disposées sur le côté de chaque tube qui est voisin de la paroi réfractaire 33.
On a découvert que lorsque le déflecteur conique est disposé comme décrit et représenté, il se crée un puissant courant de gaz de combustion analogue à un tourbillon, en ce sens qu'il s'écoule en sens inverse du courant principal des produits de combustion traversant le four. Ces tourbillons descendent le long des tubes 34 et à côté de la paroi 33. Ils sont dans une grande mesure provoqués par le déflecteur conique-41 et par le gradient
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de température existant le long des tubes de chauffage 34.
L'utilisation des ailettes 46 assure à travers la paroi arrière des- tubes 34 une absorption de chaleur supplémentaire qui serait perdue sans cela, et l'on peut réaliser ces ailettes de manière à mieux égaliser l'absorption de chaleur tout autour de chacun de ces tubes de chauffage. De cette manière, 'il est possible d'augmenter la capacité d'un four de dimensions données par le fait qu'on peut tirer parti d'une source de chaleur qui était jusqu'ici perdue.
On a représenté sur la figure 4 un autre type de réchauf- feur auquel l'invention est applicable- Ce type de réchauffeur ou de four comporte une zone supérieure de convection 51 et une zone inférieure de radiation 52. Plusieurs brûleurs 53 à flammes ascendantes sont montés dans la sole d'une chambre de combustion ouverte 55. Le long de la surface intérieure de cette chambre est disposée une seule rangée cylindrique de tubes 56. A l'extérieur et au voisinage.de ces tubes, mais à quelque distance de ceux-ci, est prévue une paroi cylindrique 57 en matière réfractaire. Un @@@riau calorifuge 58 sépare la paroi 57 en matière réfractaire '.ne enveloppe extérieure 59 de la charpente.
L'ensemble du réchauf- feur est supporté par des montants 60 qui reposent sur un massif solide 61, par exemple 'en béton ou matériau analogue' Au voisinage de la partie supérieure de la chambre de combustion 55 est disposé un déflecteur 64 en forme de cône inversé qui est fixé de toute manière possible et appropriée à une chicane supérieure cylindrique 65 s'étendant concentriquement à l'intérieur de l'enveloppe 59 du réchauffeur dans la totalité de sa zone de convection supérieure 51. La partie supérieure ou zone de convection des tubes de chauffage 56 entoure la chicane cylindrique 65 et elle est située dans un espace ou passage annulaire étroit 66. Cette partie comporte une série d'ailettes radiales 67 s'étendant complètement autour de chaque tube de chauffage 56.
On obtient ainsi un contact intime @ les gaz des produits de combustion quelque peu refroidis et les
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ailettes 67 de chaque tube 56, ce qui détermine un transfert de chaleur vers l'intérieur des tubes disposés dans la zone de convection 51 du réchauffeur. D'autres éléments représentés sur la figure 4 comprennent une cheminée 70 et des portes d'accès 71, parmi d'autres éléments accessoires qui ne font pas partie en eux-mêmes de la présente invention.
Sur la partie des tubes de chauffage 56 qui se trouve dans la zone de radiation 52 du réchauffeur ést disposé un groupe de trois ailettes 75 s'étendant longitudinalement le long de chaque tube sur la totalité de la partie du tube qui est située dan; la zone de radiation. La structure et l'effet de ces ailettes sont similaires à ceux des ailettes 46 illustrées sur les figures 1 et 2.
Grâce aux ailettes 75, on tire parti de l'écoulement descendant des gaz des produits de combustion autour des tubes 56 pour obtenir un transfert par convection, par l'intermédiaire des ailettes, qui s'étendant à partir du côté extérieur des tubes vers la paroi ré- fractaire 57 mais qui ne sont pas en contact avec celle-ci.
La rangée de tubes constituée par les tubes de chauffa- ge 56 est représentée comme étant montée en série. Les paires suc- cessives de ces tubes sont raccordées par des raccords coudés de retour 76 (figure 5). Ce montage ne constitue pas la seule manière de raccorder les rangées de tubes, du fait qu'on peut utiliser pour une installation donnée n'importe quelle manière de raccorder les tubes en série et/ou en parallèle.
On fait remarquer que, bien qu'un réchauffeur du type illustré sur la figure 4 comporte des tubes verticaux s'étendant sur toute la longueur d'une zone de radiation et d'une zone de convection, ainsi qu'il est bien connu, ce réchauffeur comportait des tubes entièrement lisses dans la zone de radiation du four- En utilisant. des prolongements de surface seulement sur la surface extérieure de ces tubes dans la zone de radiation du four, confor- mément à la présente invention, on peut égaliser dans une très grande mesure la répartition du taux de transfert de chaleur sur
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toute la périphérie des tubes de chauffage dans la zone de radiation
En conséquence, on peut fortement augmenter la capacité d'un four de dimensions données.
On a représenté sur les figures 7, 8 et 9 trois variantes de prolongenents de surface apparentés à des ailettes, qui doivent être appliqués sur le côté protégé d'un tube de chauffage donné dans chaque cas- La figure 7 illustre particulièrement en coupe transversale un tube de chauffage 78, qui est disposé au voisinage d'une paroi 79 en matière réfractàire et qui reçoit 1-*énergie calori- fique directe de radiation à partir du côté opposé du tube 78.
Une ailette radiale 80 s'étend longitudinalement le long de la paroi extérieure du tube 78 à l'endroit de son côté arrière, ou côté le plus rapproché de la paroi 79 en matière réfractaire- De ce fait, les produits de combustion chauds qui circulent autour du tube
78 rencontrent l'ailette .80 et y transfèrent de la chaleur par convection, pour augmenter-la chaleur de radiation transférée d'une part à la surface intérieure du tube de chauffage 78 directement à partir des gaz du four, et d'autre part à la surface extérieure du tube par réflexion à partir du revêtement réfractaire chaud du four.
On a illustré de manière similaire sur la figuré 8 un tube de chauffage 84. Celui-ci s'étend au voisinage d'une paroi 85 en matière réfractaire- On a prévu dans cette variante deux ailettes 86 s'étendant radialement le long de la surface extérieure du tube
84 sur toute sa longueur (à l'intérieur d'une zone de radiation du réchauff,eur, .dans laquelle est placé le tube 84).
La figure 9 représente un autre mode de réalisation ou agencement des ailettes- Un tube de chauffage 90 comporte un jeu .de cinq ailettes 91 à 95. On remarquera que les ailettes 91 à 95 s'étendent radialement à partir de la surface du tube 90,sur celui de ses côtés qui est adjacent à une paroi 96 en matière réfractaire.
Il y alieu de noter que l'ailette 93 est plus longue (ou s'étend radialement plus. loin à partir de la surface du tube 90) que n'impor-
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te quelle autre ailette, tandis que les ailettes 92 et 94 (situées à des intervalles angulaires égaux de part et d'autre de l'ailette 93) ne s'étendent pas radialement aussi loin. Finalement, les deux dernières ailettes ou ailettes extérieures 91 et 95 sont encore plus courtes dans le sens radial, de sorte qu'aucune des ailettes ne s'étend trop loin au delà d'une projection de la surface avant du tube 90 qui se trouve sur l'autre côté du tube à partir de la paroi réfractaire 96.
On a illustré sur les figures 10 et 11 un autre genre de forme de prolongement de surface qu'on peut appliquer à un tube de chauffage donné pour l'utiliser conformément à la présente inven- tion. On a représenté, dans ce mode de réalisation un fragment d'un tube de chauffage 100. Celui-ci comporte sur son côté extérieur (côté éloigné de la source d'énergie de radiation primaire) une séri@ de saillies ou de tiges 101 qui s'étendent radialement à partir de la surface de ce tube.
On tient à faire remarquer que, bien qu'on ait illustré sur les figures 10 et 11 ces saillies ou tiges dans une disposition en quinconce, cette disposition correspond simplement à l'une des manières de les appliquer à la surface d'un tube de'chauffage* Toutefois, on conseille de disposer les tiges 101 sur la surface du tube 100 de manière à ménager un passage pour les gaz des produits de combustion qui s'écoulent au delà du tube de chauffage.
On fait remarquer que les prolongements de surface prévus sur le côté voisin de la paroi du four dans la zone de radiation absorbent une certaine quantité de chaleur par radiation secondaire à partir des parois, outre la chaleur absorbée par convection en raison de l'écoulement des produits de combustion.
Bien qu'on .ait décrit certains modes de réalisation de l'invention, il est entendu qu'on peut y 'apporter diverses modifi- cations sans.s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention.