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L'invention concerne un dispositif de prépara- tion de mélanges de gaz contenant de l'hydrogène et de l'oxyde de carbone par combustion partielle d'un hydrocar- bure qvec l'oxygène avec addition facultative de vapeur dans la chambre de réaction dans laquelle la combustion a lieu sous une pression supérieure à la pression atmosphé- rique comprise en/particulier entre 5 et 35 atmosphères absolues.
La température des gaz ainsi obtenue est généra- lement comprise entre 1000 et 1500 C et par suite ils constituent une source potentielle d'énergie. Il n'a ce- pendant pas été possible jusqu'à présent d'utiliser cette énergie du fait que ces gaz sont à une température très élevée et contiennent aussi une certaine quantité de car- bone libre. Par exemple, si on fait usage des échangeurs de chaleur ordinaires du type à tubes à flamme, on se heur. te à de sérieuses difficultés. On ne peut pas choisir des tubes à flamme du type courant, sinon avec de très mauvais résultats étant donné qu'on ne peut pas servir du même appareil pendant longtemps sans que des réparations soient nécessaires.
En effet, il se forme souvent un dé- p8t considérable de suie sur la paroi intérieure des tubes en faisant ainsi notablement diminuer le coefficient de trahsmission de chaleur. En raison de la grande différen- ce de température qu'on obtient dans le cas présent, il est également nécessaire que l'appareil soit d'une qualité spéciale et de forte résistance, et on constate, que les échangeurs de chaleur ordinaires ne remplissent pas ces conditions mécaniques.
L'invention a pour objet un appareil de prépara- tion de mélange de gaz contenant de l'hydrogène et de l'oxy de de carbone et ne présentant pas les inconvénients préci-
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tés. En conséquence, suivant l'invention l'appareil du type précité est caractérisé en ce qu'il comporte un échan- geur comprenant un ou plusieurs tuyaux en hélice,'de pas- sage des gaz chauds à refroidir et autour desquels on peut faire circuler un fluide de refroidissement.
La raison pour laquelle les difficultés préci- tées ne se présentent pas dans l'appareil de l'invention doit être probablement attribué à la grande vitesse de circulation dans les tuyaux et, en raison de la courbure de ces tuyaux, à la force centrifuge considérable qui peut s'accompagner de tourbillons secondaires empêchant ainsi la suie de se déposer dans les tuyaux. Ce résultat est particulièrement surprenant car on devrait s'attendre à ce que l'inconvénient des dépôts de carbone à l'intérieur des tuyaux soit encore plus grave avec des tuyaux en héli- ce qu'avec des tuyaux rectilignes, en rendant encore plus difficile leur nettoyage. De plus, on peut encore atté- nuer cet inconvénient en donnant une forme de construc- tion aux tuyaux de refroidissement.
Le ou les tuyaux de refroidissement de l'échan- geur de chaleur sont construits de préférence de façon à pouvoir recevoir un mouvement de Vibration par les fluides qui y passent et ou passent autour d'eux.
Les tuyaux de refroidissement de l'échangeur de chaleur en fonctionnement sont donc en permanence à l'état de légère vibration, ces vibrations étant probablement dues à la vaporisation du fluide de refroidissementau cours de l'échange de chaleur. Le mouvement ascendant rapide des bulles de vapeur dans le liquide provoque de nombreuses collisions et un mouvement intense dans le liquide auxquels les vibrations des tuyaux de refroidissement peuvent être attribuées.
Suivant l'invention, le tuyau qui fait arriver
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le fluide de refroidissement dans l'échangeur de chaleur peut déboucher dans un ou plusieurs canaux annulaires, formés par un tuyau faisant arriver les gaz chauds à re- froidir, et communiquent avec un tuyau de refroidissement, et par un tuyau disposé concentriquement autour de lui et réuni à la paroi de l'échangeur de chaleur.
L'avantage de ce mode d'arrivée du fluide de re- froidissement consiste à l'amener en contact plus intime- ment avec les gaz chauds en des points déterminés où la température des gaz est la plus élevée et celle du fluide de refroidissement la plus basse. Cette solution empêche aussi les éléments de construction de subir des contrain- tes thermiques excessives.
Suivant une des formes de construction de l'ap- pareil de l'invention, l'échangeur de chaleur consiste en un récipient cylindrique qui comporte une paroi extérieure, un tube intérieur et une plaque inférieure à laquelle se réunissent le ou les tubes de refroidissement disposés dans l'intervalle annulaire formé par la paroi extérieure et le tube intérieur, l'extrémité d'entrée du ou des tubes de refroidissement se raccordant à un orifice de sortie de la chambre de réaction et l'admission du fluide de re- froidissement étant adjacente au tube intérieur.
La forte contrainte thermique que subissent les éléments en contact avec les gaz chauds et, dans le cas de l'échangeur de chaleur en question, la portion du ou des tubes de refroidissement en particulier qui se réunit directement à la plaque inférieure, exerce aussi une in- fluence nuisible sur la résistance mécanique qui, ainsi qu''il est connu, diminue lorsque la température s'élève.
Pour avoir la certitude que l'échangeur de cha- leur en question remplit les conditions mécaniques voulues on peut augmenter l'épaisseur suivant l'invention de la
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portion du ou des tubes de refroidissement qui se réunit à la plaque inférieure, tandis que le reste du tuyau doit évidemment être à paroi mince pour le rendre aussi flexi- ble que possible. On a constaté qu'en augmentant l'épais- seur du tuyau sur une longueur d'environ une demi-spire du tuyau de refroidissement, la résistance devient suffisante pour résister aux efforts qui s'exercent.
On réalise un refroidissement satisfaisant, par- ticulièrement aux points les plus chauds, c'est-à-dire aux points où arrivent les gaz chauds, en disposant suivant l'invention sur le tube intérieur, au voisinage de la pla- que inférieure, un ajutage d'arrosage, de façon à arroser avec le fluide de refroidissement arrivant par ce tuyau à grande vitesse la plaque inférieure chaude avant qu'il pénè tre dans l'espace annulaire.
On a constaté en effet que la plaque inférieure -et la portion initiale des tuyaux de refroidissement su- bissent une très forte contrainte thermique et qu'il est nécessaire d'assurer un contact aussi intime que possible entre ces portions et le fluide de refroidissement. Si on ne prend pas cette mesure, le fluide de refroidissement, par exemple l'eau, risque de se vaporiser en raison de cette température élevée, s'il n'est pas remplacé au moment voulu par une nouvelle quantité de fluide et les bulles de vapeur ou de gaz, en se formant, compromettent notable- ment la transmission de chaleur.
Suivant une autre forme de réalisation de l'in- vention, l'échangeur de chaleur consiste en un récipient cylindrique formé qui comporte au moins un orifice de sor tie du fluide de refroidissement et au moins un tuyau de refroidissement comportant un orifice d'entrée et un ori- fice de sortie du fluide à refroidir disposés dans un in- tervalle annulaire formé par la paroi extérieure du réci-
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pient et un tube intérieur concentrique fermera son extré- mité voisine de la partie inférieure du récipient et ou- vert à l'autre extrémité et comportant à son extrémité fermée un orifice de sortie du liquide de refroidissement.
L'avantage de cette forme de réalisation de l'échangeur de chaleur cohsiste en ce qu'une partie du fluide de refroidissement, chauffé à ébullition sous l'ef fet de la température élevée du gaz à refroidir, pénètre dans le tube intérieur par son extrémité ouverte, ctest-à-, dire que la portion de ce fluide qui est encore liquide et sa portion vaporisée peuvent sortir par la partie supé- rieure de l'échangeur de chaleur. On réalise déjà de cette manière une séparation entre les portions liquide et vaporisée du fluide de refroidissement à l'intérieur de l'échangeur de chaleur.
Cette forme de construction de l'invention a encore l'avantage de maintenir, à l'en- contre du mélange de vapeur et de liquide barbotant et bouillant dans l'intervalle annulaire où s'effectue la transmission de chaleur, dans le tube intérieur une colon- ne de liquide sensiblement, calme dont le niveau peut être maintenu à une certaine hauteur, en donnant ainsi une in- dication au sujet de la quantité de liquide nécessaire à faire circuler suivant la quantité de vapeur qui se for- me.
Le ou les tuyaux de refroidissement de l'échan- geur de chaleur de cette forme de réalisation de l'inven- tion consistent de préférence en deux portions concentri- ques par rapport à l'axe de l'hélice et réunies entre elles par un élément d'accouplement du côté opposé à la partie inférieure du récipient. Il est évident qu'on peut ainsi loger le ou les tuyaux de refroidissement dans un espace relativement restreint et que, de plus, les tuyaux d'arrivée et de départ des gaz se trouvent à peu près
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à la même hauteur.
On dispose de préférence un cyclone dans le ré- cipient du côté éloigné de la partie inférieure (ou de la partie supérieure) en faisant communiquer le côté de l'ad- mission du cyclone avec l'intérieur du récipient et le cy- clone comportant un orifice de sortie de la vapeur commu- niquant avec un tuyau d'échappement ainsi qu'un tuyau d'échappement du fluide de refroidissement liquide qui se prolonge par l'extrémité ouverte du tuyau intérieur dans ce tuyau. En raison de la forme de construction ramas- sée en spirale, le fluide de refroidissement qui peut con- sister en eau, par exemple, s'échauffe assez rapidement, atteint son point d'ébullition et se transforme en partie en vapeur. Lorsqu'on opère à grande vitesse, une grande quantité de liquide risque d'être entraînée avec la va- peur et ce liquide est retenu dans le cyclone.
La partie inférieure du récipient et le tube in- térieur communiquent de préférence par des trous de fai- ble diamètre et, par suite, les intervalles formés par les deux tuyaux sont en communication ouverte. Ces trous permettent de vider complètement du liquide l'échangeur de chaleur lorsqu'il ne fonctionne pas.
Suivant une troisième forme de réalisation de l'invention, tous les tuyaux de refroidissement sont dis- posés dans un tuyau en hélice déplus grand diamètre et de même nature et l'intervalle hélicoidal annulaire entre les deux tuyaux contient un tuyau d'arrivée et un tuyau de sortie du fluide de refroidissement.
Un avantage spécial de cette forme de réalisa- tion consiste à rendre relativement faible le risque d'ac- cident en cas de rupture das tuyaux, même si la pression devient considérable, étant donné que le tuyau fonctionne d'une manière comparable à celle des tuyaux d'unehau- diere dite "monotubulaire à circulation unique" (type
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Benson ou analogue). De plus, en cas de rupture des tuyaux, la perye d'eau ou de vapeur est relativement fai ble. En outre, il est parfaitement possible de remplacer une série défectueuse de tuyaux en hélice pendant la mar- che, en la démontant temporairement, pourvu toutefois que l'échangeur de chaleur comporte plus d'une série de tuyaux en hélice.
Enfin, si l'échangeur de chaleur comporte plus d'une série de tuyaux en hélice, on peut faire varier sa capacité en accouplant ou désacoouplant une ou plusieurs séries de tuyaux.
Chaque série de tuyaux, formée par un tuyau de refroidissement et un tuyau de plus grand diamètre de même nature, se raccorde de préférence à des éléments de distribution communs en raccordant l'admission des tuyaux de refroidissement à un élément de distribution raccordé à l'orifice de sortie de la chambre de réaction et en raccordant les intervalles entre les tuyaux de refroidis- sement et les tuyaux de plus grand diamètre à un élément de distribution du fluide de refroidissement, chacun des orifices de sortie des gaz refroidis et chacun des orifi- ces de sortie du fluide de refroidissement étant aussi raccordés à des tuyaux collecteurs respectifs des gaz re- froidis et du fluide de refroidissement.
L'utilité de cette solution devient évidente si on désire -employer plus d'une série de tuyaux de refroidissement, car il est alors possible de débrancher chaque série de tuyaux en hélice d'une manière simple en disposant des soupapes entre les éléments de distribution des fluides et chaque tuyau de refroidissement, ainsi qu'entre les tuyaux col- lecteurs et chaque tuyau de refroidissement, sans empê cher chacun des fluides de passer d'une manière continue des éléments de distribution dans le tuyau collecteur-
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Il convient-aussi de refroidir chacun des orifi- ces de sortie qui établissent la communication entre l'élé.
ment de distribution des gaz à refroidir et l'extrémité d'entrée du tuyau en hélice, sinon la quantité des éléments de construction nécessaires serait excessive, en raison de la température très élevée des gaz. Ce refroidissement peut s'effectuer suivant l'invention en ménageant dans chaque élément de raccordement comprenant la bride en question un canal de refroidissement séparé. On peut fi- nalement loger chaque série de tuyaux en hélice dans une chambre cylindrique fermée, pour faire encore diminuer le risque en cas de rupture des tuyaux.
L'invention est décrite en détail ci-après avec le dessin schématique à l'appui, qui représente à titre d'exemple différentes formes de réalisation de l'appareil de l'invention et sur lequel : - la figure 1 représente schématiquement l'en- semble de l'appareil; - les figures 2 à 5 représentent une forme de réalisation de l'échangeur de chaleur faisant partie de l'appareil ; la figure 2 est une coupe longitudinale de l'échangeur de chaleur, la figure 3 une coupe longitudina- le de la partie supérieure de l'échangeur de chaleur sui- vant la ligne III-III de la figure 2, la figure 4 est une coupe transversale suivant la ligne IV-IV de la figure 2 et la figure 3 représente l'ajutage d'arrosage;
- les figures 6 et 7 représentent une autre for me de réalisation de l'échangeur de chaleur, respective- ment en coupe longitudinale et en coupe transversale, et - les figures 8 à 10 représentent une troisième forme de réalisation de l'appareil de l'invention, la fi- gure 8 est une élévation schématique de l'appareil; la fi gure 9 une coupe longitudinale suivant la ligne IX-IX de
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la figure 8 et la figure 10 représente un détail de la figure 9.
Suivant la figure 1, la portion A désigne le réacteur proprement dit, qui comporte un tuyau a faisant arriver le combustible à une portion de brûleur A du réacteur, ainsi qu'un tuyau b faisant arriver l'oxygène 'et, éventuellement, de la vapeur, tandis que la portion B établit une communication entre le réacteur et un élé- ment d'accouplement C. Les gaz chauds arrivent par la portion B et l'élément d'accouplement C dans l'échangeur de chaleur D, qui comporte un tuyau de refroidissement hélicoïdal, une tubulure de sortie c des gaz refroidis, une tubulure d'admission d du fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, et une tubulure de sortie e du mé- ,lange de vapeur et d'eau. Les gaz sortant par la tubu- lure c peuvent subir ensuite, si on le désire, un traite, ment de purification par un moyen quelconque habituel.
La figure 2 est une coupe longitudinale d'une forme de réalisation de l'échangeur de chaleur D de la figure 1. Cet échangeur de chaleur comporte une plaque inférieure 1 avec bride 2. Un ajutage d'arrosage 3 forme l'extrémité d'un tuyau intérieur 7 qui comporte aussi des bandes de guidage 5 des tuyaux de refroidissement 4. La paroi extérieure de l'échangeur de chaleur se réunit à la plaque inférieure 1 par'un joint soudé par exemple.
Le tuyau intérieur 7 se raccorde en haut par une portion conique 8 avec une portion de terminaison 10 qui fait par- tie d'un tuyau de sortie des gaz 13 (tubulure c de la figu re 1). Une portion de paroi 12 forme la séparation entre la portion du tuyau d'échappement auquel se raccorde l'ex- trémité des tuyaux en hélice par un bout de tuyau 9 plus épais pour le renforcer, et la portion 10 dans laquelle le fluide de refroidissement arrive dans l'échangeur de cha-
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leur par un tuyau 15 qui correspond à la tubulure d'en- trée d de la figure 1.
Le tuyau intérieur 7 de cette forme de réalisa. tion de l'échangeur de chaleur est suspendu librement, c'est-à-dire qu'il est attaché d'un seul côté sur le tuyau central d'échappement du gaz 13. Cette forme de construction a l'avantage de soustraire le tuyau inté- rieur 7 aux contraintes thermiques et de lui permettre ainsi qu'aux autres éléments de l'échangeur de chaleur, de se dilater librement lorsque la température s'élève ou inversement.
La partie supérieure 11 de l'échangeur de cha- leur comporte un tuyau d'échappement 14 du fluide de re- froidissement correspondant à la tubulure de sortie e de la figure 1. Enfin, le gaz chaud arrive par l'orifice d'admission de la portion initiale 16 plus épaisse des tuyaux de refroidissement 4.
Il peut être aussi avantageux de supporter les tuyaux de refroidissement à paroi mince dont la longueur est asaez grande. Pour permettre aux tuyaux de vibrer li' brement en totalité ou en partie, ,l'échangeur de chaleur comporte en divers points des éléments 17 de support li bre et/ou fixe des tuyaux de refroidissement entre leurs extrémités.
La figure 3 est une coupe transversale de la partie supérieure de l'échangeur de chaleur suivant la ligne III-DII de la figure 2 et indique de quelle manière les tuyaux de refroidissement 4 se raccordent au tuyau d'échappement des gaz 13. La figure 4 indique de quelle manière l'ajutage d'arrosage 3 du fluide de refroidisse- ment est disposé par rapport à la portion initiale 16 des tuyaux de refroidissement des gaz chauds. On voit aussi sûr cette figure que la longueur 16 de la portion
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plus épaisse des tuyaux de refroidissement 4 est à per près égale à une demi-spire.
Il est nécessaite de remplacer le fluide de re- froidissement par une nouvelle quantité de fluide, suffi- samment vite et au point qui convient, et on a constaté à cet effet que la forme de l'ajutage d'arrosage 3 et l'em- placement de son orifice de sortie sont particulièrement importants. L'ajutage d'arrosage 3 a donc la forme dtune fente dont l'orifice est voisin du point de raccordement du ou des tuyaux de refroidissements 4 et de la plaque inférieure.
Ces points sont en effet les points les plus chauds de l'échangeur de chaleur et c'est en raison de cette forme spéciale de l'ajutage d'arrosage que le fluide de refroidissement peut y arriver, tandis que, d'autre part, on obtient par cette forme une répartition satisfai- sante du fluide de refroidissement sur la plaque infé- rieure. La figure 5 représente sous forme de détail séparé l'ajutage d'arrosage qui forme l'extrémité supérieure du tuyau intérieur, observé dans la direction de la flèche P de la figure 4. La fente étroite a pour effet de projeter à grande vitesse et violemment dans une direction appro- priée un courant du fluide de refroidissement contre la plaque inférieure de l'échangeur de chaleur.
Il y a lieu.de remarquer également que la forme Hélicoïdale des tuyaux de refroidissement 4 des gaz chauds permet de disposer la surface de refroidissement nécessaire dans un échangeur de chaleur vertical de hauteur modérée.
Le fluide de refroidissement de l'échangeur de chaleur de cette forme de réalisation de l'invention con- siste en eau qu'on y fait passer par circulation forcée pour assurer une transmission de chaleur appropriée. (10 par la production de vapeur). La température de l'eau en
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circulation est d'environ 215 C dans l'échangeur de cha- leur en fonctionnement. La température à laquelle les gaz chauds arrivent est d'environ 1300 C et celle à laquelle les gaz refroidis sortent est d'environ 250 C.
La figure 6 est une coupe longitudinale d'une autre forme de réalisation de l'échangeur de chaleur D de la figure 1 et la figure 7 est une coupe transversale sui- vant la ligne VII-VII de la figure 6.
Le tuyau 101 de cette forme de réalisation est le tuyau qui fait arriver les gaz chauds à refroidir prove nant du réacteur.
Un tuyau 102 est disposé concentriquement au voi sinage de l'échangeur de chaleur autour du tuyau d'alimen- tation 101, de façon à former par les deux tuyaux un espa- ce annulaire par lequel on fait arriver un fluide de re- froidissement général de l'eau et correspondant au tuyau d'admission d de la figure 1. La vapeur formée sort de l'échangeur de chaleur par un tuyau 103 et l'eau par un tuyau 104. Enfin, le tuyau de sortie 105 correspondant au tuyau c de la figure 1 est le tuyau de sortie des gaz refroidis.
L'échangeur de chaleur comporte aussi un réci- pient cylindrique 106 contenant un tuyau intérieur 107 ouvert à une extrémité et dont l'autre extrémité fermée se prolonge au delà du récipient 106. L'intervalle annu- laire 108 loge les tuyaux hélicoïdaux 109 et 110 dont les extrémités supérieures sont réunies par un tuyau 111. l'a xe commun de ces deux tuyaux coïncide avec l'axe du réci- pient 106 et du tyau 107, mais leur rayon est différent par rapport à cet axe, en formant ainsi deux tuyaux héli- coidauxc "concentriques". On peut disposer plus d'une sé- rie dé ces tuyaux hélicoïdaux dans l'intervalle annulaire.
Une ou plusieurs plaques de retenue 113 peuvent
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être disposées dans la partie supérieure du récipient pour empêcher la vapeur d'entraîner une trop grande quantité d liquide si l'ébullition du fluide de refroidissement est excessive.
Un cyclone 114, disposé dans la partie supérieur du récipient 106, sert à séparer le liquide qui revient alors dans le cycle du liquide par un tuyau de retour 115, tandis que la vapeur sèche sortant de l'échangeur de cha- leur, sort par le tuyau d'échappement 103. Un tube de niveau d'eau en verre 116, monté de la manière habituelle, est disposé en dehors du récipient 106 dans le tuyau d'é- chappement 104 du fluide de refroidissement chaud. Un tuyau de vidange 117 est disposé dans la partie inférieure du tuyau intérieur 107, tandis que plusieurs petits trous
118 permettent de vider l'espace annulaire, si on le dé- sire.
Il convient que le fluide de refroidissement liquide ne reste plus exposé encore au chauffage à l'ex- trémité de sortie du tuyau intérieur,'dont l'extrémité fermée se prolonge en conséquence au delà de la partie inférieure du récipient 106, et cette'extrémité du tuyau intérieur 107 comporte dans ce cas au delà du récipient une tubulure d'échappement 104 du liquide de refroidisse- ment.
Le fluide de refroidissement est maintenu à une certaine hauteur dans le tuyau intérieur pendant la marche il est donc nécessaire de disposer l'indicateur de niveau en dehors de l'échangeur de chaleur proprement dit. Il est évident que l'ensemble de l'appareil doit être suscep- tible de résister à une forte pression.
L'échangeur de chaleur de la forme de réalisa- tion des figures 6 et 7 fonctionne de la manière suivante;
Les gaz chauds arrivent par un ou plusieurs
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tuyaux 101 et commencent à se refroidir même avant d'en- trer dans l'échangeur de chaleur proprement dit puisque l'eau de refroidissement arrive dans l'espace annulaire 112 entourant ce tuyau. Le tuyau prend une forme hélicoï- dale à l'intérieur de l'échangeur de chaleur en faisant suivre aux gaz chauds un trajet hélicoïdal ascendant dans le tuyau en hélice 109. Les gaz changent de direction à l'ex- trémité supérieure du tuyau hélicoïdal et descendent par le ou les autres tuyaux hélicoïdaux 110, pour sortir fina- lement à l'état refroidi de l'échangeur de chaleur par le ou les tuyaux 105.
Le fluide de refroidissement qui arrive par un ou plusieurs espaces annulaires 112 s'échauffe très rapi- dément dans l'espace annulaire 108 et atteint son point d'ébullition. Une partie du liquide bouillant se rassem- ble dans le tuyau intérieur 107 dans lequel le liquide se maintient à un certain niveau. Une partie du liquide bouillant se vaporise et ce courant de vapeur se sépare du reste du liquide dans le cyclone 114. Les plaques de retenue 113 donne la certitude que ce courant n'entraîne pas une trop forte quantité de liquide. Le tuyau de re- tour 115 du cyclone se prolonge au-dessous du niveau de liquide maintenu dans le tuyau intérieur et vérifié par le tube de niveau d'eau 16 de façon à former automatiquement un joint liquide.
Les figures 8 à 10 représentent une troisième forme de réalisation de l'invention.
Une portion 201 de la figure 8 représente le réacteur proprement dit, A de la figure 1, qui comporte un tuyau 202 (a de la figure 1) faisant arriver le combusti- ble dans laportion du brûleur-203 (A'de la figure 1) du réacteur, ainsi qu'un tuyau 204 (b de la figure 1) qui fait arriver--l'oxygène et la vapeur d'eau éventuelle, une
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portion 205 qui établit la communication entre le réacteur 201 et un tuyau de distributeur 206.
Les gaz chauds pas- sent ,par ce tuyau de distribution et les éléments d'accou- plement 207 dans les éléments 208 de l'échangeur de cha- leur qui contiennent chacun une série de tuyaux hélicol- deux Chaque élément comporte un tuyau d'échappement 209 9c de la figure 1) des gaz refroidis un tuyau d'admission 210 (d de la figure 1), figure 9, du fluide de refroidis- sement par exemple de l'eau et un tuyau d'échappement 211 (e de la figure 1) du mélange d'eau et de vapeur. Les tuyaux d'admission 210 du fluide de refroidissement commu- niquent avec un tuyau de distribution 212 de ce fluide, les tuyaux d'échappement communiquent avec un tuyau collec teur 213 et les tuyaux d'échappemen de-la vapeur 211 avec un tuyau collecteur 214.
Chaque tuyau distributeur ou collecteur comporte une fausse bride, telle' que la bride 215 du tuyau distributeur 206 qui les rend plus faciles à examiner et permet d'x accoupler de nouveaux éléments d'une manière simple.
La figure 10 représente à plus grande échelle la portion initiale de la série de tuyau 216, leur accouple- ment avec le tuyau de distribution 206 et d'autres dispo- sitifs d'accouplement. Le tuyau intérieur 217 par lequel passent les gaz chauds forme avec le tuyau extérieur 218 un canal annulaire hélicoïdal 220 dans.lequel passe le fluide de refroidissement. Celui-ci arrive par des canaux 221 ménagés dans une bride 219 et communiquant avec un canal annulaire 222 disposé autour de la bride. Le tuyau de distribution 212 du fluide de refroidissement peut être raccordé à ce canal annulaire.
L'élément d'accouplement 207 comporte une'tubulure d'admission 210 de l'eau de re- froidissement, qui coule dans un canal annulaire 226 formé entre le tuyau intérieur 227 et le tuyau extérieur 228,
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ainsi que dans des canaux 224 et une bride 225 pour arri- ver dans un canal annulaire 223 disposé autour de la bride, Si on le désire la tubulure d'échappement 229 peut se rac- corder directement avec le tuyau d'alimentation non repré- senté du canal annulaire 222, de façon à accoupler-en séri les deux groupes de refroidissement.
Enfin les divers éléments peuvent comporter des soupapes appropriées non représentées pour rendre les figures plus simples et permettent d'accoupler ou de déssa coupler un ou plùsieurs des éléments 208 à volonté.
REVENDICATIONS
Dispositif de préparation de mélanges de gaz con- tenant de l'hydrogène et de l'oxyde de carbone par combus- tion partielle d'un hydrocarbure avec l'oxygène, avec ad- dition facultative de vapeur dans la chambre de réaction dans laquelle la combustion a lieu sous une pression supé rieure à la pression atmosphérique comprise en particu- lier entre 5 et 35 atmosphères absolues, ce dispositif étant caractérisé par les points suivants, séparément ou en combinaisons : 1) Il comporte un échangeur de chaleur comprenant un ou plusieurs tuyaux en hélice de passage des gaz chauds à refroidir et autour desquels on peut faire circuler un fluide de refroidissement.
2 Le ou les tuyaux de refroidissement de l'échan- geur de chaleur sont construits de façon à pouvoir rece- voir un mouvement de vibration par les fluides qui y pas- sent et/ou passent autour d'eau.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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The invention relates to a device for preparing gas mixtures containing hydrogen and carbon monoxide by partial combustion of a hydrocarbon with oxygen with the optional addition of vapor in the reaction chamber in the reaction chamber. in which combustion takes place at a pressure greater than atmospheric pressure, in particular between 5 and 35 atmospheres absolute.
The temperature of the gases thus obtained is generally between 1000 and 1500 C and therefore they constitute a potential source of energy. However, it has so far not been possible to use this energy because these gases are at a very high temperature and also contain a certain amount of free carbon. For example, if we use ordinary heat exchangers of the flame tube type, we collide. te in serious difficulty. It is not possible to choose flame tubes of the current type, otherwise with very poor results, since the same device cannot be used for a long time without repairs being necessary.
In fact, a considerable deposit of soot often forms on the inner wall of the tubes, thereby significantly reducing the heat transfer coefficient. Due to the large temperature difference obtained in the present case, it is also necessary that the apparatus is of a special quality and strong resistance, and it is observed that ordinary heat exchangers do not fill. not these mechanical conditions.
The object of the invention is an apparatus for preparing a mixture of gases containing hydrogen and carbon oxy and which does not have the specific drawbacks.
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your. Consequently, according to the invention, the apparatus of the aforementioned type is characterized in that it comprises an exchanger comprising one or more helical pipes, for passing hot gases to be cooled and around which it is possible to circulate. a cooling fluid.
The reason why the aforementioned difficulties do not present themselves in the apparatus of the invention must probably be attributed to the high speed of circulation in the pipes and, because of the curvature of these pipes, to the considerable centrifugal force. which can be accompanied by secondary vortices thus preventing soot from settling in the pipes. This result is particularly surprising since one would expect that the disadvantage of carbon deposits inside the pipes would be even more serious with helical pipes than with straight pipes, making it even more difficult. their cleaning. In addition, this drawback can be further alleviated by giving some form of construction to the cooling pipes.
The heat exchanger cooling pipe or pipes are preferably constructed so as to be able to receive a vibrating movement by the fluids which pass therein and or pass around them.
The cooling pipes of the heat exchanger in operation are therefore permanently in the state of slight vibration, these vibrations being probably due to the vaporization of the cooling fluid during the heat exchange. The rapid upward movement of the vapor bubbles in the liquid causes many collisions and intense movement in the liquid to which the vibrations of the cooling pipes can be attributed.
According to the invention, the pipe which causes
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the cooling fluid in the heat exchanger can open into one or more annular channels, formed by a pipe bringing in the hot gases to be cooled, and communicating with a cooling pipe, and by a pipe arranged concentrically around it and joined to the wall of the heat exchanger.
The advantage of this method of supplying the coolant consists in bringing it into more intimate contact with the hot gases at determined points where the temperature of the gases is the highest and that of the coolant the highest. lower. This solution also prevents the building elements from being subjected to excessive thermal stresses.
According to one of the forms of construction of the apparatus of the invention, the heat exchanger consists of a cylindrical vessel which has an outer wall, an inner tube and a lower plate to which the cooling tube or tubes meet. arranged in the annular gap formed by the outer wall and the inner tube, the inlet end of the cooling tube (s) connecting to an outlet of the reaction chamber and the inlet of the cooling fluid being adjacent to the inner tube.
The high thermal stress experienced by the elements in contact with the hot gases and, in the case of the heat exchanger in question, the portion of the cooling tube (s) in particular which meets directly with the lower plate, also exerts a detrimental influence on the mechanical strength which, as is known, decreases with increasing temperature.
To be sure that the heat exchanger in question meets the desired mechanical conditions, the thickness can be increased according to the invention of the
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the portion of the cooling tube (s) that meets at the bottom plate, while the rest of the pipe must obviously be thin-walled to make it as flexible as possible. It has been found that by increasing the thickness of the pipe over a length of about half a turn of the cooling pipe, the resistance becomes sufficient to withstand the forces which are exerted.
Satisfactory cooling is achieved, particularly at the hottest points, that is to say at the points where the hot gases arrive, by arranging according to the invention on the inner tube, in the vicinity of the lower plate, a sprinkling nozzle, so as to sprinkle with the cooling fluid arriving through this pipe at high speed the hot lower plate before it enters the annular space.
It has in fact been observed that the lower plate and the initial portion of the cooling pipes undergo a very high thermal stress and that it is necessary to ensure as close contact as possible between these portions and the cooling fluid. If this measurement is not taken, the coolant, e.g. water, may vaporize due to this high temperature, if it is not replaced at the appropriate time by a new quantity of fluid and the bubbles. vapor or gas, as it forms, significantly compromises heat transmission.
According to another embodiment of the invention, the heat exchanger consists of a shaped cylindrical vessel which has at least one cooling fluid outlet port and at least one cooling pipe having an inlet port. and an outlet for the fluid to be cooled arranged in an annular gap formed by the outer wall of the vessel.
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pient and a concentric inner tube will close its end close to the lower part of the container and open at the other end and having at its closed end an outlet for the coolant.
The advantage of this embodiment of the heat exchanger coheses in that part of the cooling fluid, heated to boiling under the effect of the high temperature of the gas to be cooled, enters the inner tube through its open end, that is, that the portion of this fluid which is still liquid and its vaporized portion can exit through the upper part of the heat exchanger. A separation between the liquid and vaporized portions of the cooling fluid inside the heat exchanger is already achieved in this way.
This form of construction of the invention also has the advantage of maintaining, against the mixture of vapor and bubbling and boiling liquid in the annular space where the heat transmission takes place, in the inner tube. a substantially calm column of liquid the level of which can be maintained at a certain height, thus giving an indication of the amount of liquid needed to circulate depending on the amount of vapor that forms.
The cooling pipe or pipes of the heat exchanger of this embodiment of the invention preferably consist of two portions which are concentric with respect to the axis of the propeller and joined together by a coupling element on the side opposite to the lower part of the container. It is obvious that it is thus possible to accommodate the cooling pipe (s) in a relatively small space and that, moreover, the gas inlet and outlet pipes are located approximately
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at the same height.
Preferably, a cyclone is placed in the receptacle on the side remote from the lower part (or upper part) by communicating the inlet side of the cyclone with the interior of the receptacle and the cyclone comprising. a vapor outlet port communicating with an exhaust pipe as well as an exhaust pipe for liquid coolant which extends through the open end of the inner pipe into this pipe. Due to the collapsed spiral construction, the coolant, which may consist of water, for example, heats up fairly quickly, reaches its boiling point and partly turns into vapor. When operating at high speed, a large amount of liquid may be entrained with the steam and this liquid is retained in the cyclone.
Preferably, the lower part of the container and the inner tube communicate by small diameter holes and hence the gaps formed by the two pipes are in open communication. These holes allow the heat exchanger to be completely drained of liquid when it is not operating.
According to a third embodiment of the invention, all the cooling pipes are arranged in a larger diameter helical pipe of the same nature and the annular helical gap between the two pipes contains an inlet pipe and a pipe. coolant outlet pipe.
A special advantage of this embodiment is that it makes the risk of an accident in the event of pipe rupture relatively low, even if the pressure becomes considerable, since the pipe operates in a manner comparable to that of the pipes. pipes of a so-called "monotubular single circulation" boiler (
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Benson or the like). In addition, in case of rupture of the pipes, the perye of water or steam is relatively low. Furthermore, it is perfectly possible to replace a defective series of helical pipes during operation by temporarily dismantling them, provided, however, that the heat exchanger has more than one series of helical pipes.
Finally, if the heat exchanger has more than one series of helical pipes, its capacity can be varied by coupling or decoupling one or more series of pipes.
Each series of pipes, formed by a cooling pipe and a larger diameter pipe of the same nature, is preferably connected to common distribution elements by connecting the inlet of the cooling pipes to a distribution element connected to the outlet of the reaction chamber and connecting the gaps between the cooling pipes and the larger diameter pipes to a coolant distribution member, each of the cooled gas outlets and each of the orifices. these cooling fluid outlets also being connected to respective collecting pipes for the cooled gases and the cooling fluid.
The usefulness of this solution becomes obvious if it is desired to use more than one series of cooling pipes, since it is then possible to disconnect each series of helical pipes in a simple manner by arranging valves between the distribution elements. of the fluids and each cooling pipe, as well as between the header pipes and each cooling pipe, without preventing each of the fluids from continuously passing from the distribution elements into the header pipe.
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It is also advisable to cool each of the output ports which establish communication between the element.
distribution of the gases to be cooled and the inlet end of the helical pipe, otherwise the quantity of the necessary components would be excessive, due to the very high temperature of the gases. This cooling can be carried out according to the invention by providing in each connecting element comprising the flange in question a separate cooling channel. Finally, each series of helical pipes can be housed in a closed cylindrical chamber, to further reduce the risk in the event of pipe rupture.
The invention is described in detail below with the supporting schematic drawing, which shows by way of example different embodiments of the apparatus of the invention and in which: - Figure 1 shows schematically the whole device; - Figures 2 to 5 show an embodiment of the heat exchanger forming part of the device; figure 2 is a longitudinal section of the heat exchanger, figure 3 a longitudinal section of the upper part of the heat exchanger along line III-III of figure 2, figure 4 is a cross section taken on line IV-IV of figure 2 and figure 3 shows the sprinkler nozzle;
- Figures 6 and 7 show another embodiment of the heat exchanger, respectively in longitudinal section and in cross section, and - Figures 8 to 10 show a third embodiment of the apparatus of the heat exchanger. In the invention, Figure 8 is a schematic elevation of the apparatus; the fi gure 9 a longitudinal section along the line IX-IX of
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Figure 8 and Figure 10 show a detail of Figure 9.
According to Figure 1, portion A designates the actual reactor, which comprises a pipe a bringing the fuel to a burner portion A of the reactor, as well as a pipe b bringing in the oxygen 'and, optionally, steam, while portion B establishes communication between the reactor and a coupling element C. The hot gases enter through the portion B and the coupling element C into the heat exchanger D, which has a helical cooling pipe, an outlet pipe c for the cooled gases, an inlet pipe d for the cooling fluid, for example water, and an outlet pipe e for the mixture of steam and water. The gases exiting through the pipe c can then undergo, if desired, a purification treatment by any customary means.
Figure 2 is a longitudinal section of one embodiment of the heat exchanger D of Figure 1. This heat exchanger comprises a lower plate 1 with flange 2. A spray nozzle 3 forms the end of an inner pipe 7 which also comprises guide strips 5 for the cooling pipes 4. The outer wall of the heat exchanger meets the lower plate 1 by a welded joint for example.
The inner pipe 7 is connected at the top by a conical portion 8 with a terminating portion 10 which forms part of a gas outlet pipe 13 (pipe c of FIG. 1). A wall portion 12 forms the separation between the portion of the exhaust pipe to which the end of the helical pipes is connected by a thicker pipe end 9 to reinforce it, and the portion 10 in which the cooling fluid arrives in the heat exchanger
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their by a pipe 15 which corresponds to the inlet pipe d of FIG. 1.
The inner pipe 7 of this form is realized. tion of the heat exchanger hangs freely, that is, it is attached on one side only to the central gas exhaust pipe 13. This form of construction has the advantage of removing the inner pipe 7 to thermal stresses and to allow it, as well as the other elements of the heat exchanger, to expand freely when the temperature rises or vice versa.
The upper part 11 of the heat exchanger comprises an exhaust pipe 14 for the cooling fluid corresponding to the outlet pipe e in FIG. 1. Finally, the hot gas arrives through the inlet port. the thicker initial portion 16 of the cooling pipes 4.
It may also be advantageous to support thin-walled cooling pipes whose length is asaez large. To allow the pipes to vibrate freely in whole or in part, the heat exchanger comprises at various points support elements 17 free and / or fixed cooling pipes between their ends.
Figure 3 is a cross section of the upper part of the heat exchanger along the line III-DII of Figure 2 and shows how the cooling pipes 4 connect to the exhaust gas pipe 13. Figure 4 shows how the coolant spray nozzle 3 is disposed relative to the initial portion 16 of the hot gas cooling pipes. This figure can be seen as sure as the length 16 of the portion
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thicker of the cooling pipes 4 is approximately equal to half a turn.
It is necessary to replace the cooling fluid with a new quantity of fluid, quickly enough and at the suitable point, and it has been found for this purpose that the shape of the spray nozzle 3 and the em - placement of its outlet are particularly important. The sprinkler nozzle 3 therefore has the form of a slot, the orifice of which is close to the point of connection of the cooling pipe or pipes 4 and of the lower plate.
These points are indeed the hottest points of the heat exchanger and it is due to this special shape of the spray nozzle that the coolant can get there, while, on the other hand, this form results in a satisfactory distribution of the cooling fluid on the lower plate. Figure 5 shows in separate detail the sprinkler nozzle which forms the upper end of the inner pipe, viewed in the direction of arrow P in Figure 4. The narrow slit has the effect of throwing at high speed and violently in a suitable direction a stream of the coolant against the bottom plate of the heat exchanger.
It should also be noted that the helical shape of the hot gas cooling pipes 4 makes it possible to have the necessary cooling surface in a vertical heat exchanger of moderate height.
The coolant for the heat exchanger of this embodiment of the invention consists of water which is forced through it to provide proper heat transfer. (10 by the production of steam). The water temperature in
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circulation is about 215 C in the heat exchanger in operation. The temperature at which the hot gases arrive is around 1300 C and the temperature at which the cooled gases exit is around 250 C.
Figure 6 is a longitudinal section of another embodiment of the heat exchanger D of Figure 1 and Figure 7 is a cross section taken along the line VII-VII of Figure 6.
The pipe 101 of this embodiment is the pipe which supplies the hot gases to be cooled from the reactor.
A pipe 102 is arranged concentrically in the vicinity of the heat exchanger around the supply pipe 101, so as to form through the two pipes an annular space through which a general cooling fluid is supplied. of water and corresponding to the inlet pipe d of FIG. 1. The steam formed leaves the heat exchanger through a pipe 103 and the water through a pipe 104. Finally, the outlet pipe 105 corresponding to the pipe c of figure 1 is the outlet pipe for the cooled gases.
The heat exchanger also has a cylindrical vessel 106 containing an inner pipe 107 open at one end and the other closed end of which extends beyond vessel 106. Annular gap 108 accommodates helical pipes 109 and 110, the upper ends of which are joined by a pipe 111. the common axis of these two pipes coincides with the axis of the receptacle 106 and of the pipe 107, but their radius is different with respect to this axis, thus forming two "concentric" helical pipes. More than one set of these helical pipes can be arranged in the annular gap.
One or more retaining plates 113 may
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be placed at the top of the container to prevent the steam from drawing too much liquid if the coolant boils too much.
A cyclone 114, placed in the upper part of the container 106, is used to separate the liquid which then returns to the liquid cycle through a return pipe 115, while the dry vapor leaving the heat exchanger exits through the exhaust pipe 103. A glass water level tube 116, mounted in the usual manner, is disposed outside the container 106 in the exhaust pipe 104 of the hot coolant. A drain pipe 117 is arranged in the lower part of the inner pipe 107, while several small holes
118 make it possible to empty the annular space, if desired.
The liquid coolant should no longer remain exposed to heating at the outlet end of the inner pipe, the closed end of which therefore extends beyond the lower part of the vessel 106, and this' The end of the inner pipe 107 in this case comprises, beyond the receptacle, an exhaust pipe 104 for the cooling liquid.
The coolant is kept at a certain height in the internal pipe during operation, so it is necessary to place the level indicator outside the heat exchanger itself. It is obvious that the whole of the apparatus must be capable of withstanding a strong pressure.
The heat exchanger of the embodiment of Figures 6 and 7 operates in the following manner;
Hot gases arrive through one or more
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pipes 101 and begin to cool even before entering the heat exchanger itself since the cooling water arrives in the annular space 112 surrounding this pipe. The pipe takes a helical shape inside the heat exchanger, causing the hot gases to follow an upward helical path in the helical pipe 109. The gases change direction at the upper end of the helical pipe. and descend through the other helical pipe or pipes 110, to finally exit in the cooled state from the heat exchanger through the pipe or pipes 105.
The cooling fluid which arrives through one or more annular spaces 112 heats up very rapidly in the annular space 108 and reaches its boiling point. Some of the boiling liquid collects in the inner pipe 107 where the liquid is maintained at a certain level. Some of the boiling liquid vaporizes and this vapor stream separates from the rest of the liquid in cyclone 114. Retaining plates 113 make sure that this stream does not entrain too much liquid. The cyclone return pipe 115 extends below the liquid level maintained in the inner pipe and checked by the water level tube 16 so as to automatically form a liquid seal.
Figures 8 to 10 show a third embodiment of the invention.
A portion 201 of FIG. 8 represents the actual reactor, A of FIG. 1, which comprises a pipe 202 (a of FIG. 1) bringing the fuel into the portion of the burner-203 (A 'of FIG. ) of the reactor, as well as a pipe 204 (b of figure 1) which brings in - oxygen and possible water vapor, a
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portion 205 which establishes communication between the reactor 201 and a distributor pipe 206.
The hot gases pass, through this distribution pipe and the coupling elements 207 in the elements 208 of the heat exchanger which each contain a series of helical pipes. Each element comprises a pipe of the heat exchanger. exhaust 209 9c of figure 1) of the cooled gases an intake pipe 210 (d of figure 1), figure 9, of the coolant eg water and an exhaust pipe 211 (e of Figure 1) of the mixture of water and steam. The coolant inlet pipes 210 communicate with a coolant distribution pipe 212, the exhaust pipes communicate with a manifold pipe 213 and the steam exhaust pipes 211 with a manifold pipe. 214.
Each distributor or header pipe has a dummy flange, such as the flange 215 of the distributor pipe 206 which makes them easier to examine and allows new elements to be coupled in a simple manner.
Figure 10 shows on a larger scale the initial portion of the series of pipes 216, their coupling with the distribution pipe 206 and other mating devices. The inner pipe 217 through which the hot gases pass forms with the outer pipe 218 a helical annular channel 220 through which the cooling fluid passes. The latter arrives through channels 221 formed in a flange 219 and communicating with an annular channel 222 arranged around the flange. The coolant distribution pipe 212 can be connected to this annular channel.
The coupling element 207 has an inlet pipe 210 for cooling water, which flows in an annular channel 226 formed between the inner pipe 227 and the outer pipe 228,
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as well as in channels 224 and a flange 225 for entering an annular channel 223 disposed around the flange. If desired the exhaust manifold 229 can be connected directly with the supply pipe not shown. felt of the annular channel 222, so as to couple-in series the two cooling groups.
Finally, the various elements may include appropriate valves, not shown, to make the figures simpler and allow one or more of the elements 208 to be coupled or un-coupled at will.
CLAIMS
Apparatus for preparing gas mixtures containing hydrogen and carbon monoxide by partial combustion of a hydrocarbon with oxygen, with the optional addition of steam in the reaction chamber in which the combustion takes place under a pressure greater than atmospheric pressure, in particular between 5 and 35 atmospheres absolute, this device being characterized by the following points, separately or in combinations: 1) It comprises a heat exchanger comprising one or more helical pipes for the passage of hot gases to be cooled and around which a cooling fluid can be circulated.
2 The cooling pipe (s) of the heat exchanger are constructed in such a way that they can receive a vibratory movement by the fluids which pass through it and / or pass around the water.
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