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La présente invention est relative aux récupérateurs pour fours et autres échangeurs de chaleur analogues à récupé- ration, appelés à fonctionner aux hautes températures, c'est-à- dire, celles comprises dans la gamme de 800 à 1300 degrés cen- tigrade. De tels récupérateurs sont utilisés à titre d'appareils auxiliaires pour fours, par exemple les fours de normalisation, utilisés pour chauffer les lingots, et étant destinés à
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préchauffer l'air et/ou le gaz'combustible, appelés à être braies afin d'assurer le chauffage des objets contenus dans le four.
Les récupérateurs du type décrit ci-dessus comportent généralement une chambre dans laquelle sont disposés les élé- ments, l'air froid étant introduit dans ces éléments et amené à traverser ceux-ci, tandis que les gaz de combustion ou d'échappe- ment chauds sont,évacués du four et amenés à traverser ladite chambre. La chaleur des gaz d'échappement chauds est transmise, à travers les parois desdits éléments, à l'air et/ou au gaz combustible qui, de cette façon est ou sont préchauffés avant leur mélange en vue de la combustion dans le four. Ces éléments sont métalliques dans certains cas, tandis que, dans d'autres, ils sont établis en matériaux réfractaires.
Dans le cas des fours de normalisation pour lingots, les gaz de combustion prélevés dans ceux-ci sont à une température de 1250 degrés centigrade environ. Lorsque les éléments du ré- cupérateur étaient établis en matériaux réfractaires, ils ré- sistaient au contact avec ces gaz de combustion, au voisinage de cette dernière température, sans subir de décomposition; par contre, il est difficile, dans la pratique, de maintenir des joints hermétiques; en effet, on risque de voir l'air passer dans les gaz de combustion ou ces derniers s'infiltrer dans les conduits à air, avec, dans l'un comme dans l'autre cas, une dé- térioration des conditions de combustion. Par conséquent, on devait appliquer des pressions très peu élevées et presque équilibrées.
Afin d'éviter ces difficultés, on en est venu à établir les éléments du récupérateur en métal, par exemple, en acier résistant à la chaleur. Toutefois, lorsque des éléments métalliques sont soumis à l'action d'un milieu de chauffage contenant des agents .oxydants, alors que ces éléments sont à une température élevée, ceux-ci sont susceptibles de se
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décomposer par suite de la formation de pailles et/ou de boursoufflures.
Par conséquent, il est nécessaire de réduire la température des gaz de combustion sortant du four, avant qu'ils ne soient mis en contact avec les éléments métalliques, cet-te réduction étant obtenue par des introductions d'air, ce qui aggrave les attaques d'oxydation subies par les éléments métalliques, d'où diminution du rendement de la transmission de chaleur et le risque d'un résultat final défavorable. De ' plus, la température limite à laquelle lesdits gaz de chauf- fage sont finalement évacués du récupérateur est inférieure à celle que l'on voudrait obtenir en vue de l'utilisation ulté- rieure de ces gaz.
Pour donner un résultat favorable, la tem- pérature des gaz de chauffage issus du récupérateur doit se situer dans la gamme de 850 à 950 degrés centigrade,ce qui permet de donner des dimensions économiques à la chaudière à chaleur perdue ou à un autre dispositif utilisant ces gaz; il s'ensuit que si la température des gaz perdus, au moment où ceux-ci sont mis en contact avec les éléments du récupérateur, est seulement de 850 degrés centigrade environ, ce desideratum ne peut pas être satisfait.
La présente invention a pour objet d'établir un élément d'échange thermique perfectionné pour un récupérateur de four ou un échangeur de chaleur à récupération analogue, cet élément permettant d'utiliser les gaz de combustion ou d'échappement à une -température sensiblement égale à celle à laquelle ils sont évacués d'un four, cela sans aucun risque de mécompte.
Selon la présente invention, un élément d'échange ther- mique pour récupérateur de four ou échangeur de chaleur à récu- pération analogue, comporte trois tubes concentriques à axe vertical, tous lesdits tubes étant écartés les uns des autres par des intervalles annulaires, le tube intérieur et le tube intermédiaire étant métalliques, tandis que le tube extérieur
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est formé en un matériau réfractaire, le tube intérieur étant ouvert tant à son extrémité supérieure qu'à son extrémité in- férieure, le tube intermédiaire étant ouvert à son extrémité supérieure et fermé à son extrémité inférieure, l'extrémité inférieure ouverte du tube intérieur étant écartée dans le sens axial par rapport à l'extrémité inférieure fermée du tube intermédiaire,
ledit élément étant appelé à être monté dans le récupérateur de, telle façon que tous les trois tubes susdits puissent se contracter et se dilater axialement et/ou trans- versalement, indépendamment les uns des autres, et de façon telle que lesdits tubes métalliques ne soient pas exposés di- rectement au milieu appelé à céder sa chaleur.
Quelques modes de réalisation de l'invention sont re- présentés dans les dessins annexés, dans lesquels :
La Fig. l est une vue d'élévation en coupe d'un mode de réalisation de l'élément échangeur de chaleur selon la pré- sente invention où l'on voit la disposition de cet élément dans un récupérateur de four.
La Fig. 2 est une vue schématique d'élévation et en coupe d'une partie modifiée de cet élément.
Dans la Fig. 1, la chambre intérieure d'un récupérateur est désignée par 11, cette chambre étant munie d'une sole 12 et d'une voûte 13, établies en maçonnerie réfractaire ou autre matériau réfractaire. le fluide de chauffage d'admission, qui peut être constitué par les gaz de combustion perdus d'un four, pénètre dans la chambre 11 du récupérateur suivant une direc- tion horizontale ou verticale. La chambre 11 contient un cer- tain nombre d'éléments échangeurs de chaleur, un de ces élé- ments étant représenté en 16.
L'air froid, appelé à être traité dans le récupérateur, pénètre à travers un conduit métallique 17, suivant la direction de la flèche 18, tandis que l'air qui avait été chauffé dans
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le récupérateur est évacué à travers un conduit métallique 19 suivant la direction de la flèche 20.
L'élément d'échange thermique 16 comporte un tube cylin- drique extérieur 21, établi en une matière réfractaire appro- priée, à conductivité et à pouvoir d'émission thermiques éle- vés, un tube cylindrique intermédiaire 22, établi en un métal approprié résistant à la chaleur, ainsi qu'un tube cylindrique intérieur 23, également établi en un métal résistant à la chaleur.
Tous les trois tubes 21, 22 et 23 sont disposés concen- triquement les uns par rapport aux autres, l'axe commun de ces tubes étant vertical, lesdits tubes étant écartés les uns des autres dans le sens vertical, de manière à déterminer une chambre annulaire 24 entre les tubes 21 et 22, ainsi qu'un passage annulaire 25 entre les tubes 22 et 23.
Une plaque de base 26 est fixée, par soudage ou autrement à l'extrémité inférieure du tube intermédiaire 22, de manière à assurer une obturation hermétique de cette extrémité inférieure.
La plaque 26 s'avance en saillie vers l'extérieur au-delà de la paroi du tube 22, de manière à constituer une plate-forme sur laquelle repose l'extrémité inférieure du tube extérieur 21; ainsi, le tube 21 est supporté par le tube 22. Dans certains cas, la plaque 26 peut être protégée par une matière réfrac- taire en contact aveo cette plaque, ou par d'autres moyens.
Le tube réfractaire extérieur 21 peut être constitué par plusieurs tronçons cylindriques superposés, alignés dans le sens axial, aboutés les uns aux autres aux joints 27, un seul de ces derniers ayant été représenté. Dans les joints 27, ainsi qu'aux extrémités de ce tube, on prévoit des bagues métalliques 28 engagées dans des évidements annulaires pratiqués dans les faces des extrémités.du tube et dans les faces d'aboutement des joints, afin de constituer des éléments de renforcement
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pour ledit tube et pour maintenir celui-ci dans la position voulue dans le cas où une fissure ou une autre détérioration se produirait suivant le sens général de l'axe.
La bague 28, prévue à l'extrémité inférieure du tube 21, peut également être engagée dans un évidement annulaire pratiqué dans la face supérieure de la plaque 26, ce qui a pour effet de maintenir le tube sur la plaque dans une position exactement concentrique par rapport au tube intermédiaire 22.
L'extrémité supérieure du tube intermédiaire 22 est mu- nie extérieurement d'une collerette annulaire 29 réunie à cette extrémité par soudage ou d'une autre manière, à joint herméti- que, cette collerette étant appelée à être fixée, à l'aide de @ 'boulons 30 ou par un autre moyen, à la paroi inférieure 31 du conduit d'arrivée d'air froid 17, également d'une manière hermétique, de sorte que le tube 22 et le tube 21 sont suspen- dus depuis ladite paroi 31.
La profondeur, c'est-à-dire, la longueur axiale du tube réfractaire extérieur 21, est telle qu'elle s'étend au moins sur toute la profondeur verticale du récupérateur de chaleur ou de la chambre de chauffage 11, de manière à proté- ger le tube intermédiaire contre le contact direct avec les gaz chauds qui pénètrent dans la chambre 11. Avantageusement, l'extrémité inférieure de l'assemblage constitué par le tube extérieur 21 et le tube intermédiaire 22 est disposée dans le périmètre des parois d'un évidement 32 prévu dans la sole 12 de la chambre de récupérateur 11, tout en n'étant pas en contact avec ces parois, tandis que l'extrémité supérieure du tube extérieur 21 est située librement dans l'orifice 33 prévu dans la voûte 13 et à travers lequel émerge l'élément en question.
L'extrémité supérieure du tube extérieur 21 est écartée de la collerette 29, de sorte que ce tube peut se dilater de
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se contracter librement par rapport au tube intermédiaire 22.
Des bourrages annulaires 34, qui peuvent être constitués en amiante, sont disposés entre le tube extérieur 21 et le tube intermédiaire 22, aux extrémités du tube 21, afin d'empêcher l'entrée du gaz de chauffage dans l'espace annulaire 24.
Le tube métallique intérieur 23 est ouvert à ses deux extrémités..Il est muni à son extrémité supérieure d'une col- lerette extérieure annulaire 35, fixée à ce tube à joint her- métique par soudage ou d'une autre manière, cette collerette étant d'autre part fixée à la paroi inférieure 36 du conduit à air chauffé 19 (laquelle constitue d'autre part la paroi su- périeure du conduit à air froid 17) à l'aide de boulons 37, de manière à assurer un joint hermétique. Ainsi, le tube 23 est suspendu depuis la paroi 36 et traverse un orifice 38 de cette paroi, de façon à se situer à l'intérieur du tube intermédiaire 22, concentriquement à celui-ci.
Le noyau 39 qui, dans le mode d'exécution représenté, est constitué par un cylindre creux à extrémité inférieure fer- mée, est disposé concentriquement dans le tube intérieur 23, de manière à déterminer un passage annulaire 40 entre lui-même et ce dernier. Le noyau est pourvu à son extrémité inférieure d'un bossage 41, par lequel il prend appui sur la plaque 26. Ce noyau peut être muni de saillies 42 réparties à intervalles sur la périphérie du noyau, à son extrémité supérieure et à son ex- trémité inférieure et appelées à s'appuyer sur la surface in- térieure du tube 23, de manière à maintenir l'écartement annu- laire entre le tube 23 et le noyau.
Pendant la marche, les gaz chauds qui arrivent dans la chambre 11 du récupérateur viennent frapper le tube extérieur 21 de chaque élément échangeur de chaleur 16. La chaleur desdits gaz est transmise à travers la paroi du tube 21 à la chambre annulaire 24 et est rayonnée de là vers le tube intemédiaire 22.
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L'air froid, qui pénètre dans le passage annulaire 25, venant du conduit d'arrivée 17, se réchauffe et s'élève à travers le passage annulaire 40 jusqu'au conduit de sortie 19, d'où il est dirigé, à l'état préchauffé, vers le lieu d'utilisation, qui peut être le brûleur d'un four.
L'espace 24, situé entre les tubes 21 et 22, contient de l'air'qui est oxydant à l'origine; toutefois, au bout d'un bref laps de temps pendant lequel les gaz chauds agissent sur le tube 21 et où, par conséquent, la chaleur est transmise à travers cet air au tube 22, l'oxygène présent dans cet air est absorbé par la paroi du tube métallique 22 et n'exerce désormais plus uns action oxydante. Aucun autre air ne peut accéder'audit espace 24. A titre de variante, l'espace 24 peut être rempli d'un gaz inerte.
Le tube extérieur 21 et le tube intermédiaire 22 sont établis de telle manière que lorsque la surface extérieure du tube 21 est mise en contact avec des gaz d'échappement ayant une température d'environ 1. 250 degrés centigrade, la tempé- rature de la surface intérieure du tube 22 ne dépasse pas la température à laquelle les oxydes se forment sur ce tube et qui peut être de 850 degrés centigrade par exemple. Le tube extérieur 21 peut être doté d'une rigidité mécanique appro- priée afin de résister à la fissuration au contact des gaz chauds, en considérant que la densité de la chaleur sur la surface intérieure de ce tube augmente avec l'épaisseur de la paroi de celui-ci.
Le diamètre intérieur du tube réfractaire extérieur 21 et le diamètre extérieur du tube métallique intermédiaire 22 ont été étudiés de telle manière que les deux surfaces possè- dent à peu près le même pouvoir d'émission.
Le tube intermédiaire 22 peut être établi en acier ré- sistant à la chaleur et sa surface extérieure peut être @ leiée.
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les deux surfaces - extérieure et intérieure - de co tube pou- vant être oxydées. Le tube intérieur peut également être établi en acier résistant à la chaleur, la surface extérieure et la surface intérieure de ce tube étant oxydées. Le noyau 39 peut être établi en acier au carbone.
Les éléments selon la présente invention permettent d'utiliser-des gaz de combustion chauds, ayant une température de 1. 250 degrés centigrade.environ, sans une réduction préala- ble de la température, de sorte que la température à laquelle lesdits gaz sont finalement évacués du récupérateur peut être voisine de 950 degrés centigrade. De plus, et bien que le tube extérieur 21 soit susceptible, dans des cas extrêmes, de se fissurer, ou de subir une rupture d'une autre espèce, par suite de sa mise en contact avec les gaz à la température éle- vée de 1.250 degrés centigrade, l'air en cours de préchauffage n'aura pas la possibilité de s'échapper pour autant.
Une telle fissuration ou rupture n'entraîne pas un effondrement du tube
21, étant donné que le poids propre de ce tube, le quel est supporté par la plaque 26, fait en sorte que toutes les cre- vasses périphériques demeurent essentiellement obturées, tan- dis que, d'autre part, les bagues de retenue 28 maintiennent la cohérence des diverses parties du tube au cas où il se ma- nifeste des fissures longitudinales.
Comme le tube extérieur 21 est posé librement sur la plaque 26, il peut se contracter ou se dilater par rapport au tube 22.
L'air étant un médiocre conducteur de chaleur, l'élé- ment selon l'invention a été conçu de telle façon que le cou- rant d'air qui se dirige vers le bas'par le passage annulaire
25 et vers le haut par le passage annulaire 40 est relative- ment mince, de façon'qu'il puisse se mouvoir à une grande vi- tesse et, par conséquent, sous une haute pression. Il s'ensuit
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que les intervalles annulaires entre les tubes 22 et 23 et entre les tubes 23 et le noyau 39 sont peu importants. Pour compenser ce fait et pour faire en sorte que l'air demeure' à l'intérieur de l'élément pendant un laps de temps adéquat pour assurer un préchauffage suffisant, on peut prévoir une chicane hélicoïdale dans le passage annulaire 25.
Comme mon- tré dans la Fig. 2, cette chicane peut être constituée par une bande métallique 43 en hélice, disposée à l'intérieur dudit passage 25 et soudée par points à la surface extérieure du tube 23. Cette disposition a pour effet d'allonger le tra- jet suivi par l'air à travers ledit passage 25. De plus, le pas de l'hélice peut aller en augmentant vers l'extrémité in- férieure du passage 25, c'est-à-dire, dans le sens suivi par l'air.
La section transversale du passage annulaire 25 peut aller en diminuant vers l'extrémité inférieure de celui-ci, afin de maintenir, voire même augmenter, la vitesse de l'air à travers ce passage, ce résultat étant obtenu par le fait que le diamètre extérieur du tube intérieur 23 va en augmen- tant progressivement vers l'extrémité inférieure de ce tube, comme montré dans la Fig. 2, et/ou par le fait que le diamètre intérieur du tube intermédiaire 22 va en diminuant progressi- vement vers ladite extrémité inférieure, chacune de ces dis- positions ayant pour effet de réduire progressivement la section transversale dudit passage 25.
De plus, la section transversale du passage annulaire 40, situé entre le tube intérieur 23 et le noyau 39 peut aller en diminuant progres- sivement vers son extrémité supérieure, de manière à mainte- nir ou à augmenter la vitesse de l'air préchauffé qui se di- rige vers le haut à travers ce passage. Ceci peut être obtenu en faisant en sorte 'que le diamètre intérieur du tube 23 aille en diminuant progressivement vers son extrémité supérieur.
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et/ou que le diamètre extérieur du noyau 39 aille en augmentant vers l'extrémité supérieure de ce dernier. Dans certains cas, les variations des diamètres des tubes et du noyau peuvent être assurées par échelons successifs, au lieu de l'être d'une façon progressive.
Le fait que les organes de l'élément traversé par l'air appelé à être préchauffé sont constitués en métal offre la cer- titude d'une herméticité complète aux hautes pressions ; de plus, il n'est pas prévu de joints soumis à des températures élevées, c'est-à-dire, de l'ordre de 800 degrés centigrade et plus.
Le tube métallique intermédiaire 22 est entouré d'un gaz inerte et, par conséquent, non oxydant, de sorte que sa surface extérieure peut être exposée aux températures supérieures à celles de la gamme à laquelle correspond la formation d'oxydes sur les aciers résistant à la chaleur. Chacune des pièces tant métalliques que' réfractaires de l'élément peut se dilater et se contracter librement, indépendamment de toutes les autres.
Les éléments de récupérateur peuvent présenter n'importe quelle longueur acceptable, par exemple jusque vingt-cinq pieds environ. Chaque élément est indépendant et peut être aisément remplacé.
REVENDICATIONS.
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