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Cet appareil est destiné, en ordre principal, à économiser la vapeur dans les échangeurs de chaleur, par récupération d'une partie de la chaleur d'é- ! chauffement.
Dans les échangeurs normalement utilisés dans les cas de réchauffement par vapeur, le réchauffement est obtenu par simple condensation de la vapeur, c'est-à-dire par l'utilisation de la chaleur de vaporisationo
Quant à l'eau de condensation, dont la chaleur d'échauffement est d'au- tant plus grande que la pression de vapeur est plus élevée, elle s'écoule vers le purgeur en perdant par détende, à la sortie de ce dernier, une partie de sa chaleur d'échauffement.
D'autre part dans ces mêmes changeurs, l'alimentation en vapeur est discontinue et le fonctionnement du purgeur est indépendant.
Ainsi les puissances variables de ces appareils, en fonction des ser- vices qu'il assurent, sont déterminés par les ouvertures et les fermetures consé- cutives d'une vanne automatique, placée sur la conduite de vapeur qui les alimen- teo
Dans les échangeurs faisant partie du présent brevet, le réchauffe- ment est obtenu non seulement par condensation de la vapeur mais aussi par re- froidissement de son eau de condensationo Comparativement on peut donc les consi- dérer comme des économiseurs de vapeur.
D'autre part dans ces échangeurs également, l'alimentation en vapeur n'est plus discontinue mais continue. Quant au purgeur il est supprimé, et rem- placé par une vanne automatique qui ouvre ou qui ferme, la conduite d'évacuation des condensats, en fonction de la puissance à assurer.
Ainsi, ses puissances variables sont déterminées par les variations du niveau de l'eau de condensation dans l'échangeuro
En somme la surface totale de l'échangeur se compose de deux parties
1 - la partie de la surface au dessus du niveau de l'eau de conden- sation qui est utilisée pour la condensation de la vapeur -vive.
2 - là partie de la surface en dessous du niveau de l'eau de conden- sation qui peut être utilisée pour le refroidissement de l'eau de condensation.
Si on tient compte d'une part qu'à toute augmentation duniveau de l'eau de condensation dans le corps de l'échangeur correspond une diminution de la surface de condensation de l'échangeur, égale à l'augmentation de la surface de refroidissement et qu'a toute diminution du niveau correspond une augmentation de la surface de -condensation égale à la diminution de la surface de refroidis- sement, et si on-tient compte d'autre part que pour une même surface donnée la puissance déterminée par la condensation représente plusieurs fois celle qui ré- sulte du refroidissement de son eau de condensation;
, on comprendra que les varia- tions de niveau de l'eau de condensation sont susceptibles de déterminer des puis- sances variables suivant le rapport entre la surface de condensation et .la surface de refroidissement que ces variations déterminent.
Ainsi la puissance de l'échangeur atteint son maximum, lorsque l'échan- geur ne contient pas d'eau de condensation. La puissance normale est atteinte lorsque le niveau de l'eau atteint les 2/3 environ du diamètre du corps de l'é-
Changeur. La.puissance est pratiquement nulle lorsque le faisceau est complète- ment noyé par l'eau de condensation.
DESCRIPTION.
L'échangeur se compose essentiellement
I ) D'un corps qui porte un orifice (I) correspondant à l'entrée de la vapeur et d'un orifice (2) correspondant à la sortie de l'eau de condensationo
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2 ) D'un plateau (P) supportant le faisceau multibulaire. Ce faisceau' multitubulaire est constitué de tubes pliés en épingles à cheveux. Toutes les épin- gles sont disposées dans un plan vertical, c'est à aire que les axes des tubes des deux parties de l'épingle sont disposés l'un au dessus de l'autre par rapport à un plan horizontal. Les tubes inférieures des épingles sont horizontaux tandis que les tubes supérieurs des épingles sont légèrement inclinés sur cette même hori- zontale.
Cette inclinaison des tubes de la partie supérieure du faisceau permet de faire varier la surface de condensation de la vapeur alimentaire en fonction du niveau de l'eau de condensation dans le corps de l'échangeur, et cela suivant une certaine loi qui peut être une progression arithmétique, progression géométri- que, loi exponentielle ou logarithmique. La pente de ces tubes supérieurs des épin- gles n'est donc pas la même pour chaque épingle.
La pente des tubes supérieurs de chaque épingle étant donc déterminée pour assurer une variation fonctionnelle de la surface de condensation en fonction de la variation du niveau de l'eau de con- densation dans le corps de l'échangeur, on disposera donc ces épingles dans la plaque tubulaire de manière à remplir deux conditions supplémentaires. a) Seuls les tubes prévus pour la condensation de vapeur présenteront une pente variable. b) Le volume en eau de condensation de la zone séparant les tubes in- clinés (condensation) des tubes horizontaux (refroidissement) représent X litres de condensat.
Ces X litres d'eau de condensation constituent une "chambre d'eau" dont la capa,ci- té en litre sert d'élément de sécurité dans le fonctionnement de la régulation.
Sur la fig. I, la "chambre d'eau" est délimitée approximativement par les lignes de niveau N5N6 et N7N8.
3 ) D'une tête spéciale T qui porte un orifice (3) correspondant à l'entrée du fluide à réchauffer, d'un orifice (4) correspondant à la sortie du fluide après réchauffement, et d'un orifice (5) servant au passage de la tige de commande d'une soupape à trois voies. Cette tête est également munie d'un système de chicanes divisant le volume de cette tête en trois parties inégales.
4 ) D'une soupape de réglage à trois voies permettant de faire varier les débits d'eau en réchauffement dans chacune des parties du faisceau (condensa- tion ou refroidissement avec pourtant un débit total restant constant. On cons- tate sur la fig. 2 que la manoeuvre de cette soupape permet de répartir la quan- tité totale d'eau en réchauffement dans la surface de chauffe et cela suivant les calories à échanger dans chacunes des parties de la surface de chauffe. Cette soupape à trois voies est d'un type bien spécial. En effet le siège de commande est constitué par un disque de forme elliptique incliné sur l'horizontale.
La ro- tation de ce siège elliptique devant les ouvertures (r) et (s) permet de faire varier leurs sections de passage inversement l'une par rapport à l'autre et cela en maintenant une section de passage résultante constante.
La fig. 3 est une représentation schématique de cette vanne à trois voies.
5 ) D'un système de régulation au moyen d'une vanne automatique V placée sur la conduite d'évacuation de l'eau de condensation. Cette vanne est commandée par la température de sortie du fluide à réchauffer, par le niveau même de l'eau de condensation dans le corps de l'échangeur, ou par tout autre organe chargé de contr8ler la service à assurer par le fluide après réchauffement.
FONCTIONNEMENT.
Lorsque l'échangeur est en fonctionnement, et qu'il fourni la puissan- ce calorifique désirée, la vanne V se ferme automatiquement. A ce moment l'eau de condensation atteint le niveau NIN2 par exemple. Comme l'alimentation en vapeur est-continue, celle-ci continue à se condenser de sorte que le niveau NIN2 se re- lève progressivement jusqu'à atteindre et même dépasser le niveau N3N4 qui marque la partie supérieure du faisceau, lorsque celui-ci est complètement noyé par l'eau
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de condensation. Ce relèvement du niveau a pour conséquence une diminution de la surface de condensation et une augmentation égale de la surface de refroidisse- ment, ce qui se traduit par une diminution progressive de la puissance totale de l'échangeur pour aboutir finalement à une puissance pratiquement nulle lorsque l'échangeur est complètement noyé.
REMARQUE.
La variation de puissance de l'échangeur en fonction de la variation du niveau de l'eau de condensation dans le corps de l'échangeur, n'est pas direc- tement proportionnelle à cette variation de niveau. Cette variation de la valeur de la surface de condensation en fonction du niveau du condensat dans le corps de l'échangeur peut revêtir une forme de progression géométrique... arithmétique ...
(voir page précédente). La soupape à trois voies complète ce système de variation de surface, en envoyant plus ou moins d'eau à réchauffer vers la partie de la surface présentant un coéfficient de transmission globale plus ou moins grand.
Cette diminution de puissance est alors perçue par l'organe qui con- trôle la vanne V. Celle ci s'ouvre, et sous la pression de la vapeur, l'eau de condensation est refoulée de l'échangeur, vers le conduit d'évacuation à travers la vanne V. Dès que le niveau de l'eau de condensation dans le corps de l'échan- geur baisse, la surface de condensation augmente et la surface de refroidissement diminue, la puissance de l'appareil augmente. Le niveau de l'eau atteint ainsi NIN2. Il peut même descendre plus bas au niveau N5N6 par exemple. Mais à ce mo- ment la puissance de l'appareil dépasse la puissance désirée. Dès lors l'organe de contrôle ferme la vanne V, et la vapeur continuant de se condenser, le niveau commence à se relever, tandis que la puissance de l'échangeur diminue.
Néanmoins pour empêcher que la vapeur vive ne vienne trop vite en contact avec la zone de la surface réservée au refroidissement de l'eau de condensation, une certaine ré- serve d'eau de condensation est prévue au dessus de N7N8. L'évacuation de cette réserve d'eau de condensation à travers la vanne V prend un temps suffisamment -long que pour permettre à l'organe de contrôle d'agir sur la vanne V.
Lorsque le niveau de l'eau de condensation atteint et:dépasse le ni- veau N3N4, la puissance de l'échangeur tombe pratiquement à zéro. A partir de ce moment l'eau de condensation qui se forme encore malgré tout dans le corps de l'é- changeur peut être évacuée par une tubulure située au dessus du fonds de l'échan- geur.
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This device is intended, in main order, to save steam in heat exchangers, by recovering part of the heat from! heating.
In the exchangers normally used in cases of heating by steam, the heating is obtained by simple condensation of the steam, that is to say by the use of the heat of vaporization.
As for the condensation water, whose heat of heating is greater than the vapor pressure is higher, it flows towards the trap, losing by expansion, at the outlet of the latter, some of its warm-up heat.
On the other hand, in these same changers, the steam supply is discontinuous and the operation of the trap is independent.
Thus the variable powers of these devices, depending on the services they provide, are determined by the subsequent openings and closings of an automatic valve, placed on the steam line which supplies them.
In the exchangers forming part of the present patent, the heating is obtained not only by condensation of the steam but also by cooling of its condensation water. Comparatively, they can therefore be considered as steam economizers.
On the other hand in these exchangers also, the steam supply is no longer discontinuous but continuous. As for the trap, it is removed and replaced by an automatic valve which opens or closes the condensate evacuation pipe, depending on the power to be provided.
Thus, its variable powers are determined by the variations in the level of the condensation water in the exchanger.
In short, the total area of the exchanger is made up of two parts
1 - the part of the surface above the level of the condensed water which is used for the condensation of the live vapor.
2 - that part of the surface below the level of the condensed water which can be used for cooling the condensed water.
If we take into account, on the one hand, that any increase in the level of condensation water in the body of the exchanger corresponds to a decrease in the condensing surface of the exchanger, equal to the increase in the cooling surface. and that any decrease in the level corresponds to an increase in the condensing surface equal to the decrease in the cooling surface, and if we take into account on the other hand that for the same given surface the power determined by the condensation is several times that which results from the cooling of its condensation water;
It will be understood that the variations in the level of the condensation water are liable to determine varying powers depending on the ratio between the condensing area and the cooling area which these variations determine.
Thus the power of the exchanger reaches its maximum, when the exchanger does not contain condensation water. Normal power is reached when the water level reaches approximately 2/3 of the diameter of the body of the e-
Changer. The power is practically zero when the beam is completely submerged by the condensation water.
DESCRIPTION.
The exchanger consists essentially
I) A body which carries an orifice (I) corresponding to the inlet of the steam and an orifice (2) corresponding to the outlet of the condensation water
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2) A plate (P) supporting the multibular bundle. This multitubular bundle consists of tubes folded into hairpins. All the pins are arranged in a vertical plane, this is where the axes of the tubes of the two parts of the pin are arranged one above the other with respect to a horizontal plane. The lower tubes of the pins are horizontal while the upper tubes of the pins are slightly inclined on this same horizontal.
This inclination of the tubes in the upper part of the bundle makes it possible to vary the condensation surface of the food vapor as a function of the level of the condensation water in the body of the exchanger, and this according to a certain law which may be a arithmetic progression, geometric progression, exponential or logarithmic law. The slope of these upper tubes of the pins is therefore not the same for each pin.
The slope of the upper tubes of each pin being therefore determined to ensure a functional variation of the condensation surface as a function of the variation in the level of the condensed water in the body of the exchanger, these pins will therefore be placed in the tube sheet so as to fulfill two additional conditions. a) Only the tubes intended for vapor condensation will have a variable slope. b) The volume of condensation water in the zone separating the inclined tubes (condensation) from the horizontal tubes (cooling) represents X liters of condensate.
These X liters of condensed water constitute a "water chamber", the capacity of which, in liters, serves as a safety element in the operation of the regulation.
In fig. I, the "water chamber" is approximately delimited by the level lines N5N6 and N7N8.
3) A special head T which carries an orifice (3) corresponding to the inlet of the fluid to be heated, an orifice (4) corresponding to the outlet of the fluid after heating, and an orifice (5) serving the passage of the control rod of a three-way valve. This head is also provided with a baffle system dividing the volume of this head into three unequal parts.
4) A three-way regulating valve making it possible to vary the flow rates of heating water in each part of the bundle (condensing or cooling with, however, a total flow rate remaining constant. We see in fig. 2 that the operation of this valve makes it possible to distribute the total quantity of water being heated in the heating surface and this according to the calories to be exchanged in each part of the heating surface. This three-way valve is of a very special type, in fact the control seat is made up of an elliptical disc tilted horizontally.
The rotation of this elliptical seat in front of the openings (r) and (s) makes it possible to vary their passage sections inversely with respect to each other and this while maintaining a constant resulting passage section.
Fig. 3 is a schematic representation of this three-way valve.
5) A regulation system by means of an automatic valve V placed on the condensate water discharge pipe. This valve is controlled by the outlet temperature of the fluid to be heated, by the level of the condensation water in the body of the exchanger, or by any other organ responsible for controlling the service to be provided by the fluid after heating.
OPERATION.
When the exchanger is in operation, and it provides the desired heat output, valve V closes automatically. At this time the condensed water reaches the level NIN2 for example. As the supply of steam is continuous, it continues to condense so that the level NIN2 gradually rises until it reaches and even exceeds the level N3N4 which marks the upper part of the beam, when the latter is completely flooded by water
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of condensation. This increase in the level results in a decrease in the condensing surface and an equal increase in the cooling surface, which results in a gradual decrease in the total power of the exchanger, ultimately resulting in practically zero power. when the exchanger is completely flooded.
NOTE.
The variation in the power of the exchanger as a function of the variation in the level of the condensation water in the body of the exchanger is not directly proportional to this variation in level. This variation in the value of the condensation surface as a function of the level of condensate in the body of the exchanger can take a form of geometric ... arithmetic ... progression.
(see previous page). The three-way valve completes this surface variation system, sending more or less water to be heated towards the part of the surface having a greater or lesser overall transmission coefficient.
This reduction in power is then perceived by the member which controls the valve V. This opens, and under the pressure of the steam, the condensation water is discharged from the exchanger, towards the duct of discharge through valve V. As soon as the level of condensation water in the exchanger body drops, the condensing surface increases and the cooling surface decreases, the power of the device increases. The water level thus reaches NIN2. It can even go lower to level N5N6 for example. But at this moment the power of the device exceeds the desired power. Consequently, the control organ closes the valve V, and the vapor continuing to condense, the level begins to rise, while the power of the exchanger decreases.
However, to prevent live steam from coming too quickly into contact with the area of the surface reserved for cooling the condensed water, a certain reserve of condensed water is provided above N7N8. The evacuation of this reserve of condensed water through the valve V takes a time long enough to allow the control unit to act on the valve V.
When the level of the condensed water reaches and: exceeds the N3N4 level, the power of the exchanger drops to practically zero. From this moment on, the condensation water which still forms in the body of the exchanger can be discharged through a pipe located above the bottom of the exchanger.