Echangeur de chaleur. La présente invention est relative à un échangeur de chaleur.
On sait, que l'échange thermique entre une source produisant de la chaleur par la combustion, dans l'air ambiant, d'un combus tible organique (charbon, mazout, gaz d'éclai rage ou autres) et un fluide à chauffer, en lénéral de l'eau, pose des problèmes qui n'ont pas encore été résolus d'une façon rationnelle, en raison de<B>ce</B> qu'il n'a pas été tenu compte de tous les facteurs mis en jeu.
Dans l'état actuel de la. technique, les gaz incandescents provenant -de la source de com bustion, ne pouvant pas pratiquement, sauf quelques rares exceptions, être mis en con tact direct avec le fluide à chauffer, il en résulte que, dans un échangeur de chaleur, lesdits gaz doivent être séparés du fluide à chauffer par une cloison de grande conducti bilité thermique, qui doit être, nécessaire ment, la plus mince possible. Toutefois, étant donné que la. pression du fluide à chauffer, en général de l'eau dont, la température d'ébulli tion est relativement basse, augmente rapide ment, il est nécessaire de prévoir, pour les réservoirs dans lesquels ledit fluide est logé et qui sont en contact avec les gaz chauds de la combustion, des parois très résistantes.
Actuellement, on établit lesdits réservoirs, sous la forme de tubes étirés qui, s'ils donnent toute satisfaction su point de vue de la. soli dité, exigent. cependant l'emploi d'une très grande longueur, parce que leur surface déve- loppée est petite et parce que la surface exté rieure d'un tube ne reçoit pas la même quan tité de calories en tous ses points et, par consé quent, n'est jamais utilisée au maximum.
Si l'on considère maintenant le coefficient de transmission de chaleur par rayonnement, surtout lorsqu'il s'agit de flammes colorées, comme celles produites par la combustion du mazout, on constate qu'aux températures su périeures à 500 C, ce coefficient est considé rablement plus grand que le coefficient de transmission de chaleur par convection. Il en résulte qu'il est rationnel dans un échangeur thermique, d'augmenter la. surface de chauffe qui est exposée au rayonnement direct de la zone de combustion, et, au contraire, de limi ter la surface de chauffe à transmission par convection, aux températures au-dessous de 600 ou même de 500 C.
Or, il est difficile et coûteux de construire une chambre de com bustion comportant des parois en tubes, ce qui serait cependant nécessaire lorsqu'il s'agit d'un fluide à chauffer à haute pression, et permettrait d'utiliser à fond la transmission thermique par rayonnement. En conséquence, actuellement, les échangeurs de chaleur ont ordinairement la plus grande partie de la surface de chauffe soumise à l'échange de chaleur par convection.
Il résulte de ce qui précède, que, pour ob tenir une certaine puissance thermique, il est nécessaire de prévoir des surfaces de chauffe importantes qui conduisent à des échangeurs qui sont obligatoirement volumineux, coûteux et difficilement réalisables sans maçonneries en briques, ce qui empêche d'assurer une par faite étanchéité des chambres de combustion, des carneaux de fumée, etc., et provoque des entrées d'air froid à l'intérieur.
La construction d'une chambre de com bustion sous pression devenant, dans ces con- ditions, difficilement réalisable, la. combustion du combustible utilisé se fait, par conséquent, dans une zone de dépression, caractérisée par la pauvreté de l'air comburant en oxygène, par la création de cheminées d'écoulement des gaz de combustion, par la diminution de brassage, par les entrées d'air froid, et, comme corollaire, par un faible coefficient de transmission thermique par convection.
Toutes les considérations qui précèdent font qu'en raison de la grande longueur des tubes, de l'épaisseur des parois des réservoirs, du poids important et de la non-étanchéité des maçonneries, des grandes pertes de cha leur vers l'extérieur, par suite de l'impor tance des parois, du mauvais coefficient de transmission thermique, les échangeurs de chaleur ordinaires, les chaudières en parti culier, sont- des appareils entraînant à des frais très élevés de première installation. D'autre part, leur rendement est générale ment faible, sauf pour les grandes unités mo dernes.
L'invention a pour but de créer un échan geur de chaleur, cette désignation devant être prise dans son sens le plus large, réalisant une synthèse des connaissances actuelles des lois de transmission de chaleur et d'écoule ment de fluides, en tenant compte des besoins d'entretien, de surveillance et de contrôle de fonctionnement de l'appareil, tout en simpli fiant sa construction métallique, afin de di minuer son poids et de réaliser un prix très bas de première installation et une économie maximum d'exploitation, grâce à un très grand rendement, impossible à obtenir dans les générateurs ordinaires.
L'échangeur de chaleur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte une source de chaleur placée suivant l'axe principal d'une enceinte formant chambre de combustion et agencée pour résister à une surpression, des moyens étant prévus pour faire circuler le fluide à chauffer autour de cette enceinte, sous la forme d'une nappe de faible épaisseur.
Au dessin annexé, on a représenté, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'objet de l'invention..
La fig.1. est une vue en élévation., partie en coupe, illustrant une forme d'exécution schématique.
La fig. 2 est une vue en élévation-coupe, suivant II-II de la fig. 3, illustrant une forme d'exécution industrielle.
Les fi-. 3 et 4 sont respectivement des vues en plan et de profil de cette deuxième forme d'exécution.
La fig. 5 est une vue en coupe suivant V-V de la fig.4.
L'échangeur de chaleur représenté à la fig. 1 comporte un corps interne à deux pa rois 1 et 2 ménageant entre elles un espace 3, ce corps délimitant une enceinte 4, dite cham bre de combustion.
A l'extrémité supérieure de la chambre de combustion, et suivant l'axe vertical de cette dernière, est. prévue une source de chaleur qui peut être constituée, par exemple, par un brû- J 'eur à gaz combustible, alimenté en gaz à l'aide d'une tuyauterie 5., et auquel l'air pri maire et l'air secondaire peuvent être délivrés par les tuyauteries 6 et 7, respectivement. De préférence, le brûleur proprement dit dé bouche dans un tunnel de carburation 8, pourvu d'ouvertures latérales 9 permettant d'agir sur la forme des flammes produites par ce brûleur.
Grâce au montage indiqué, les flammes du brûleur sont. dirigées de haut en bas dans l'enceinte 4 dont- la paroi interne 1 doit se trouver à une distance sensiblement constante des limites de la zone de com bustion.
En ce qui concerne l'espace 3 qui est des tiné à. la circulation du fluide à chauffer, il doit être calculé en fonction de ce fluide et de la vitesse limite choisie dans chaque cas particulier. A sa. partie supérieure, l'espace 3 est mis en communication, par des tuyaux 10 avec le conduit 11 de sortie du fluide chauffé.
Avant de pénétrer dans l'espace 3, le fluide à chauffer circule dans un espace déli mité par les deux parois 12 et 13 d'un corps récupérateur entourant le corps interne à deux parois. Ce corps récupérateur est lui- même entouré par une tôle 14 et par deux cylindres 15 et 16, délimitant entre eux un espace 17.
Le fluide à chauffer qui arrive par la tuyauterie 18, est envoyé à l'aide d'une pompe 19 et par l'intermédiaire d'un tuyau 20, dans l'espace 21 délimité par les deux pa rois 12 et 13 du corps récupérateur. De cet espace, le fluide réchauffé est conduit, par les tuyaux 22, le collecteur 23 et les tuyaux 24 et 25, à l'espace 3.
Les gaz de combustion qui sortent de la chambre 4 doivent, avant d'être évacués par les carneaux 26, parcourir l'espace 27, déli mité par le corps interne et le corps récupé rateur puis l'espace 28, délimité par ce corps récupérateur et la tôle 1.
Quant à l'air d'alimentation du brûleur, il pénètre par les ouvertures grillagées 29, pour ensuite circuler entre les cylindres 16 et 15, puis entre le cylindre 15 et la tôle 14.
Les divers circuits indiqués ci-dessus, per mettent de récupérer au maximum les calo ries produites par la combustion du combus tible, étant donné qu'avant de sortir de l'ap pareil, les gaz de combustion servent à réchauffer le fluide circulant dans le corps récupérateur, et à réchauffer l'air d'alimen tation du brûleur.
Les divers corps constitutifs de l'appareil sont suspendus librement à leur extrémité su périeure et pénètrent de manière étanche dans un socle S dans lequel sont prévues une porte de visite et de nettoyage 30, ainsi que les diverses conduites amenant le fluide à chauffer.
L'air primaire étant mis en circulation dans la tuyauterie 6, par le ventilateur 31, et l'air secondaire dan la. tuyauterie 7, par le ventilateur 32, il est possible, étant donnée l'étanchéité de la chambre de combustion 4, de mettre celle-ci sous pression, c'est-à-dire d'y faire régner une pression supérieure à la pression atmosphérique.
L'échangeur de chaleur représenté aux fig. 2 à 5 comporte une chambre de combus tion 51, pourvue de deux parois ménageant entre elles un espace libre 52, ladite chambre de combustion, dont la. forme se rapproche de celle d'une sphère, étant constituée par un corps -de révolution ayant pour axe, l'axe principal de l'appareil. A son extrémité infé rieure, la chambre de combustion 51, pré sente une partie conique 53, munie d'une ouverture qui met en communication l'inté rieur de la chambre 51 avec une cuvette 54 formant organe d'obturation.
A sa partie su périeure, la chambre de combustion 51 est fer mée par un chapeau 55 formant en même temps boîte de distribution pour l'air secon daire. A l'intérieur -de la chambre de combus tion 51, et par l'intermédiaire d'une rondelle ou support analogue, est suspendu librement un cône ou tunnel de rayonnement 56, réalisé en au moins deux parties, afin qu'il puisse se dilater librement.
Dans la. rondelle ou ana logue qui supporte le cône de rayonnement 56, sont ménagées plusieurs ouvertures 57 munies éventuellement -de tubes évent pour le passage de l'air secondaire, le chapeau 55 étant., de plus, pourvu d'ouvertures 58, dispo sées convenablement dans le prolongement des ouvertures 57 et permettant de viser les flammes à l'intérieur de la chambre de com bustion 51.
Le fluide à chauffer pénètre dans l'espace 52 de la chambre de combustion 51,à partir de la cuvette @54 par l'intermédiaire d'un ou plusieurs tubes 60, formant une boucle dila- table. Pour la sortie du fluide à chauffer de la chambre de combustion 51, celle-ci est munie à sa partie supérieure, dont la forme, à cet endroit, est telle que le fluide à chauffer ne peut y rester sans mouvement et subir une surchauffe locale, de tubes 61, connectés par groupes à des collecteurs tubulaires 62, d'où le fluide est dirigé, par des conduites 63, vers les pompes de circulation extérieure ou vers le réseau extérieur si les pompes ne sont pas placées en aval de l'échangeur de chaleur, mais en amont.
Il est à noter que grâce au montage indiqué, selon lequel les pompes sont placées à la sortie du fluide à chauffer, ce dernier ne peut pas être mis sous pression. En ce qui concerne les pompes de circulation extérieure, elles sont, de préférence, fixées sur des châssis -64 placés sur le socle 65 de l'appareil (fig.4).
La source de chaleur est constituée par un brûleur au mazout ou au gaz ou encore, éven tuellement, au charbon pulvérisé, placé dans une ouverture centrale @66 de la boîte à air comburant 5'5. L'air primaire réchauffé, est aspiré par le surpresseur du brûleur dans la boîte à air et il réchauffe, en se mélangeant avec lui, le combustible arrivant à la cham bre de combustion ,51.
La combustion de ce combustible, s'effectue sous une certaine pres sion qui est égale à la perte de charge des gaz de fumée dans l'échangeur de chaleur, et peut être augmentée par la fermeture plus ou moins grande du registre @68 placé dans le carneau des fumées,67 et contrôlé par un vo lant de manoeuvre 69 (fig. <B>5).</B>
L'air secondaire préchauffé et envoyé par le ventilateur 70 dans la boîte à air 55 y pé nètre par une gaine de soufflage 71 disposée tangentiellement. Cet air entre ensuite dans la chambre de combustion 5l en passant en grande partie par le tunnel '56 et aussi par les ouvertures 57, ces dernières dirigeant l'air autour de l'armature extérieure dudit tunnel 56, pour le refroidir un peu, et le long de la paroi intérieure de la chambre de combustion 51, afin de faciliter la combustion des par ticules de combustible qui pourraient s'échap per de la zone de combustion au centre de la chambre. Il est à remarquer, en outre, que cet air donne lieu à la formation d'une enve loppe gazeuse plus froide le long de ladite paroi intérieure qui n'absorbe pas le rayonne ment de la zone de combustion (absence de C02 et de 1320).
Les gaz de combustion passent ensuite entre la paroi extérieure du corps de la cham bre de combustion 51 et la, paroi intérieure du corps du récupérateur 72,. Afin d'augmenter la surface d'échange thermique entre les gaz de combustion et les parois avec lesquelles ils entrent en contact, la, paroi extérieure du corps de la chambre de combustion est pour vue d'ailettes (telles que 73, fig.5) augmen tant sa surface, ainsi que la paroi intérieure du corps du récupérateur 72, qui est munie d'ailettes (telles que 74 fig. 5.) augnnentant aussi sa surface. L'espace interne 7:5 délimité par les deux parois du corps 7'2' est en rap port avec la vitesse qu'on veut donner à l'écoulement des gaz de fumée.
L'espace 52 du corps de la chambre de combustion et l'espace 75 du corps du récu pérateur 72 sont pourvus de volets directeurs désignés, respectivement., par 76 et 77. Ces volets sont constitués, de préférence, en fer demi-rond et sont fixés sur la face interne de la paroi extérieure du corps de la chambre de combustion 51 et sur la face interne de la pa roi extérieure du corps du récupérateur 72, de manière à laisser subsister un passage pour que le fluide à chauffer puisse s'écouler entre lesdits volets et la face interne des deux pa rois intérieures délimitant les espaces 52 et 75.
Grâce à cette disposition le fluide à chauffer, pulsé par la pompe de distribution (non représentée) parcourt, d'une part, un chemin en spirale en remontant vers le haut clans les deux espaces 5'2 et 7:5. et, d'autre part, passe en vitesse en court-circuit entre les pa rois intérieures précitées et les volets direc- i teurs 7-6 et 77. L'inclinaison des volets direc teurs 76 et 77 étant choisie, de façon que les deux mouvements indiqués pour le fluide s'effectuent sous un angle qui est, de préfé rence, de l'ordre de 60 , il en résulte des c mouvements tourbillonnaires dans l'écoule ment du fluide, qui empêchent une sur chauffe locale éventuelle.
L'arrivée du fluide extérieur à chauffer a lieu par les conduites 78 qui traversent le s socle 6,5 de l'appareil et qui pénètrent dans l'espace 75 du corps du récupérateur, après avoir traversé la cuvette de fond 54. Les con duites 78 sont pourvues de boucles dilatables.
A sa sortie du corps du récupérateur 72, 9 le fluide à chauffer est conduit par les tuyaux 79 aux collecteurs 80, qui le dirigent vers le conduit 81, aboutissant à la cuvette 54 par les tubes 82, ce fluide passant ensuite de cette cuvette à l'espace 52 de la chambre de combustion 51 par les conduites 60, ainsi qu'on l'a déjà dit.
Il résulte de ce qui précède que la circu lation du fluide à chauffer s'effectue métho diquement de la zone la plus froide (espace 75 chi corps du récupérateur) vers la zone la plus chaude (espace 52 de la chambre de com bustion 51) en passant par la zone de tempé rature intermédiaire (cuvette 54).
Tout comme la paroi intérieure qui est pourvue des ailettes 74, la paroi extérieure du corps du récupérateur 72 est munie d'ailettes 83 en<B>V,</B> le nombre des ailettes 83 pouvant être le double de celui des ailettes 74 afin d'équilibrer la transmission des deux côtés du corps du récupérateur dont le côté intérieur est, placé dans une zone où la température est plus élevée que celle dans laquelle se trouve le côté extérieur.
'Toutes les ailettes 74 et 83 comportent des fentes (de l'ordre de 10 mm, tous les 100 min environ par exemple), afin, d'une part, d'aug menter le coefficient de transmission par con vection et, d'autre part, de supprimer une fa tigue exagérée sur les corps à double paroi. De plus, les fentes précitées sont disposées en quinconce pour distribuer plus régulièrement ladite fatigue.
Après qu'ils ont parcouru de bas en haut l'intervalle 84 existant entre la paroi exté rieure de la chambre de combustion 51 et la paroi intérieure du corps du récupérateur 72, les gaz de combustion font un changement de direction de 180 pour redescendre vers le socle 65, en passant à travers l'intervalle 85 existant entre la paroi extérieure du corps du récupérateur 72 et la face interne de l'enve loppe principale 86 de l'appareil, les gaz de combustion cèdent ainsi de la chaleur à cette enveloppe principale avant de passer par une ouverture ménagée dans la plaque supérieure 109 du socle 65, pour entrer dans le carneau 67, contrôlé par le registre 68,, et- aller à la cheminée d'évacuation.
Quelques volets 87, servant aussi comme supports des éléments centraux de l'appareil, sont disposés de faon à équilibrer l'écoule ment des gaz de combustion vers la cheminée à travers le carneau circulaire 67. Ces volets de support transmettent le poids de la partie centrale de l'appareil, par l'intermédiaire de quatre pieds 88 (en fer [J) aux deux longe rons transversaux 89 (en fer [J) soudés à l'armature. du socle 65, armature qui est réalisée en fers profilés renforcés par des goussets.
Cette disposition permet un soulèvement et un transport facile de l'échangeur de cha leur qui, dans ce but, présente des ouvertures (ou des crochets) ménagées dans la ceinture circulaire haute du socle, constituée par un fort profilé 90, destiné à recevoir les chaînes ou câbles d'un palan d'arrimage. A remarquer; en outre, que l'appareil comporte, à sa partie inférieure, un cadre 91 en gros fers profilés, permettant de le poser sur une simple dalle, sans aucune fondation, le poids total de l'ap pareil étant très réduit, même pour des unités de moyenne puissance, de l'ordre de 2 000 000 cal/h.
Pour empêcher tout échappement des gaz de combustion hors de la chambre 51 vers ]'intérieur du socle 65, les tubes d'arrivée 78, traversant la cuvette inférieure 54, sont mu nis d'un bourrage en amiante et de dispositifs de serrage. De même, un autre bourrage cir culaire 92 en amiante supprime tout court- circuit éventuel des gaz chauds entre la chambre de combustion 51 et le carneau 67 et oblige ces gaz à remonter vers le haut par l'espace annulaire 84.
Une trappe d'explosion 93, munie d'une gaine de protection 9'4 du personnel et d'une conduite de visite 95 la reliant avec la cuvette inférieure 4, sup prime les risques dus à une surpression éven tuelle venant à se produire à l'intérieur de la chambre de combustion 51. Une porte étanche 96, livre accès à la gaine 94.
L'air comburant nécessaire au fonctionne ment du brûleur est aspiré de l'extérieur à travers un grillage protecteur 97. Cet air passe, ensuite, entre l'enveloppe extérieure <B>98</B> et une cloison intermédiaire 9.9, contourne l'extrémité inférieure de cette dernière et remonte en passant dans l'intervalle ménagé entre la face interne de cette cloison 99 et la face externe de la paroi de l'enveloppe prin cipale 86 qui est munie d'ailettes en<B>V,</B> ana logues aux précédentes. Ces ailettes servent non seulement à augmenter la surface d'échange de chaleur entre l'enveloppe princi pale 86 et l'air comburant, mais aussi à conso lider la position de la cloison intermédiaire 99.
A sa sortie de l'intervalle précité, l'air ré chauffé pénètre par les trous 100' dans le col lecteur circulaire 100, prévu à la partie supé rieure de l'appareil, d'où il est aspiré par le ventilateur 70,à travers la conduite 101, pour être envoyé, à travers la conduite 71 pourvue d'un registre de réglage 102, dans la boîte à air 55. Cette dernière est munie d'une trappe de surpression 103 de l'air comburant, qui permet de visiter le tunnel 5'6.
Pour récupérer au maximum la chaleur tendant à s'échapper vers l'extérieur de l'ap pareil, dont le calorifugeage est assuré par l'air aspiré de l'extérieur, on prévoit vine série d'ouvertures 104, disposées circulairement et permettant d'aspirer depuis l'intérieur du socle 65 de l'air réchauffé, notamment par la cuvette 54 et le carneau 67, et le mélanger avec l'air extérieur aspiré par le ventilateur 70. Il en résulte que l'air venant de l'exté rieur est déjà préchauffé par l'air en prove nance du socle 65.
Une série d'ouvertures 105 placées sur le même cercle que les tubes<B>79</B> de sortie du fluide à chauffer du corps du récupérateur 72 permet d'examiner et de nettoyer, par soufflage, brossage ou lavage, les passages annulaires 84 et 8:5 pour la circulation des gaz de combustion. De même, des portes laté rales 106, prévues sur le carneau 67, et des grandes portes 107, prévues sur le socle @65, permettent de visiter et de nettoyer ledit car neau et l'intérieur du socle.
Pour la. liaison du carneau 67 avec la che minée, il. est prévu une forte cornière 108, ladite cheminée devant pouvoir produire le faible tirage, qui est seulement nécessaire lorsque le brûleur fonctionne au ralenti, pour éviter l'engorgement de la chambre de com bustion 51 et des conduites des gaz quand le débit du ventilateur de l'air comburant est très faible ainsi que l'allumage du brûleur.
On signalera, pour terminer, que les ouver tures 5 8 sont munies de dispositifs transpa rents de protection et que le volant 69 de commande du registre<B>68</B> est prévu dans une position surélevée pour permettre de placer la plaque supérieure 109 du socle 65 au niveau du sol, de façon que le carneau<B>67</B> puisse être connecté directement avec le carneau des fu mées en maçonnerie passant sous la dalle reposant sur le sol.
Il résulte de la description qui précède que tous les corps à double paroi, chambre de combustion 51 et récupérateur 7'2, sont sus pendus librement au chapeau 55 de l'appareil et sont soutenus par l'enveloppe principale 8'6. Etant donné que cette dernière se dilate vers le haut et que les corps précités se di latent vers le bas, il s'ensuit que les positions relatives de ces éléments restent pratiquement les mêmes lors du fonctionnement de l'appa reil. En ce qui concerne l'enveloppe exté rieure 98, qui est aussi suspendue au chapeau, elle ne se dilate pas en raison de ce qu'elle est entourée par de l'air froid.
Cette enveloppe 98 glisse donc, lors de la dilatation de l'enve loppe principale $6, dans la couronne de base formée par une forte cornière qui est biseautée intérieurement en haut pour ne pas venir endommager la partie visible de ladite enve loppe 98 lorsque celle-ci se déplace. L'étan chéité nécessaire entre la chambre de combus tion 51 et le carneau 67, lorsque les positions relatives des corps dilatables et de l'enveloppe principale changent, est assurée par le bour rage circulaire 92 de la cuvette 54.
Si le fluide à haute température produit par l'échangeur de chaleur est destiné à faire de la vapeur par l'adjonction d'un vaporisa teur, un surchauffeur de vapeur peut. être prévu entre le corps de la chambre de com bustion 51 et le corps de récupérateur 72. Dans ce but, on pourrait supprimer la partie conique de la. base du corps de récupérateur <B>72</B> et lui donner à cet endroit une forme cy lindrique permettant de loger les tubes du faisceau du surchauffeur de la vapeur. De même, l'air comburant nécessaire au fonc tionnement du brûleur pourrait être aussi soufflé par un ventilateur placé au-dehors de l'échangeur de chaleur, la grille d'aspiration pouvant être alors supprimée.
Il est à noter, en outre, qu'au lieu d'être suspendu à l'inté rieur (le la chambre de combustion, le tunnel pourrait. être posé sur son support de manière à se trouver en dehors de la chambre de com bustion. De plus, la combustion pourrait se faire non de haut en bas, mais de bas en haut ou même horizontalement suivant la position de l'échangeur.de chaleur. Dans le cas d'une combustion de bas en haut, la cuvette de la chambre de combustion ainsi que les conduits d'échappement des gaz de fumée seront pré vus à la partie supérieure de l'appareil. Il est à. remarquer, enfin, que le nombre des corps à double paroi pourra être supérieur à deux et qu'on pourra prévoir, par exemple, deux corps récupérateurs au lieu d'un seul.
Heat exchanger. The present invention relates to a heat exchanger.
We know that the thermal exchange between a source producing heat by the combustion, in the ambient air, of an organic fuel (coal, fuel oil, lighting gas or others) and a fluid to be heated, in general water, poses problems which have not yet been solved in a rational way, owing to <B> this </B> that not all the factors involved have been taken into account. stake.
In the current state of the. technique, since the incandescent gases coming from the combustion source cannot practically, with a few rare exceptions, be placed in direct contact with the fluid to be heated, it follows that, in a heat exchanger, said gases must be separated from the fluid to be heated by a partition of great thermal conducti bility, which must be, necessarily, as thin as possible. However, since the. pressure of the fluid to be heated, in general water, the boiling temperature of which is relatively low, increases rapidly, it is necessary to provide, for the reservoirs in which said fluid is housed and which are in contact with the hot combustion gases, very resistant walls.
Currently, said reservoirs are established in the form of drawn tubes which, if they are satisfactory from the point of view of. solidity, require. however the use of a very great length, because their developed surface is small and because the external surface of a tube does not receive the same quantity of calories at all its points and, consequently, is never used to the maximum.
If we now consider the coefficient of heat transmission by radiation, especially when it comes to colored flames, such as those produced by the combustion of fuel oil, we see that at temperatures above 500 C, this coefficient is considerably greater than the coefficient of heat transfer by convection. It follows that it is rational in a heat exchanger, to increase the. heating surface which is exposed to direct radiation from the combustion zone, and, on the contrary, to limit the heating surface with convection transmission, to temperatures below 600 or even 500 C.
Now, it is difficult and expensive to build a combustion chamber comprising tube walls, which would however be necessary when it comes to a fluid to be heated at high pressure, and would allow the transmission to be fully used. thermal radiation. As a result, at present, heat exchangers ordinarily have most of the heating surface subject to convection heat exchange.
It follows from the foregoing that, in order to obtain a certain thermal power, it is necessary to provide large heating surfaces which lead to exchangers which are necessarily bulky, expensive and difficult to achieve without brickwork, which prevents d '' ensure that combustion chambers, smoke flues, etc. are perfectly sealed and cause cold air to enter inside.
The construction of a pressurized combustion chamber becomes, under these conditions, difficult to achieve, the. combustion of the fuel used takes place, therefore, in a depression zone, characterized by the lack of oxygen in the combustion air, by the creation of flue stacks for the combustion gases, by the reduction in mixing, by the inlets of cold air, and, as a corollary, by a low coefficient of thermal transmission by convection.
All the foregoing considerations mean that, due to the great length of the tubes, the thickness of the walls of the tanks, the great weight and the non-waterproofness of the masonry, great losses of heat to the outside, for example Due to the size of the walls, the poor thermal transmission coefficient, ordinary heat exchangers, especially boilers, are devices involving very high initial installation costs. On the other hand, their efficiency is generally low, except for large modern units.
The object of the invention is to create a heat exchanger, this designation to be taken in its broadest sense, achieving a synthesis of current knowledge of the laws of heat transmission and fluid flow, taking into account the maintenance, monitoring and operation control requirements of the device, while simplifying its metal construction, in order to reduce its weight and achieve a very low initial installation price and maximum operating economy, thanks to at a very high efficiency, impossible to obtain in ordinary generators.
The heat exchanger according to the invention is characterized in that it comprises a heat source placed along the main axis of an enclosure forming a combustion chamber and arranged to withstand an overpressure, means being provided to circulate the fluid to be heated around this chamber, in the form of a thin sheet.
In the accompanying drawing, there is shown, by way of example, two embodiments of the object of the invention.
Fig. 1. is an elevational view, partly in section, illustrating a schematic embodiment.
Fig. 2 is a sectional elevation view, taken along II-II of FIG. 3, illustrating an industrial embodiment.
The fi-. 3 and 4 are respectively plan and profile views of this second embodiment.
Fig. 5 is a sectional view along V-V of fig.4.
The heat exchanger shown in fig. 1 comprises an internal body with two walls 1 and 2 leaving between them a space 3, this body defining an enclosure 4, called a combustion chamber.
At the upper end of the combustion chamber, and along the vertical axis of the latter, is. provided for a heat source which may be constituted, for example, by a fuel gas burner, supplied with gas by means of a pipe 5., and to which the primary air and the secondary air can be delivered through lines 6 and 7, respectively. Preferably, the actual burner opens into a carburizing tunnel 8, provided with side openings 9 making it possible to act on the shape of the flames produced by this burner.
Thanks to the mounting shown, the burner flames are. directed from top to bottom in the enclosure 4, the inner wall 1 of which must be located at a substantially constant distance from the limits of the combustion zone.
Regarding space 3 which is tiné à. circulation of the fluid to be heated, it must be calculated as a function of this fluid and of the limit speed chosen in each particular case. At his. upper part, the space 3 is placed in communication, by pipes 10 with the duct 11 for the outlet of the heated fluid.
Before entering the space 3, the fluid to be heated circulates in a space delimited by the two walls 12 and 13 of a recovery body surrounding the internal body with two walls. This recovery body is itself surrounded by a sheet 14 and by two cylinders 15 and 16, delimiting a space 17 between them.
The fluid to be heated, which arrives via the pipe 18, is sent using a pump 19 and via a pipe 20, into the space 21 delimited by the two walls 12 and 13 of the recovery body . From this space, the heated fluid is led, through the pipes 22, the manifold 23 and the pipes 24 and 25, to space 3.
The combustion gases leaving the chamber 4 must, before being evacuated through the flues 26, travel through the space 27, delimited by the internal body and the recovery body, then the space 28, delimited by this recovery body and sheet 1.
As for the supply air to the burner, it enters through the mesh openings 29, to then circulate between the cylinders 16 and 15, then between the cylinder 15 and the sheet 14.
The various circuits indicated above make it possible to recover as much as possible the heat produced by the combustion of the fuel, given that before leaving the appliance, the combustion gases serve to heat the fluid circulating in the fuel. recovery body, and to heat the burner supply air.
The various constituent bodies of the apparatus are suspended freely at their upper end and enter in a sealed manner into a base S in which are provided an inspection and cleaning door 30, as well as the various pipes bringing the fluid to heat.
The primary air being circulated in the pipe 6, by the fan 31, and the secondary air in the. piping 7, by the fan 32, it is possible, given the tightness of the combustion chamber 4, to put the latter under pressure, that is to say to make it prevail a pressure greater than the pressure atmospheric.
The heat exchanger shown in fig. 2 to 5 comprises a combustion chamber 51, provided with two walls leaving between them a free space 52, said combustion chamber, including the. shape approximates that of a sphere, being constituted by a body -of revolution having for axis, the main axis of the apparatus. At its lower end, the combustion chamber 51 has a conical part 53, provided with an opening which places the interior of the chamber 51 in communication with a bowl 54 forming a closure member.
At its upper part, the combustion chamber 51 is closed by a cap 55 forming at the same time a distribution box for the secondary air. Inside the combustion chamber 51, and by means of a washer or the like support, there is freely suspended a radiation cone or tunnel 56, made in at least two parts, so that it can be expand freely.
In the. washer or the like which supports the radiation cone 56, several openings 57 are provided, optionally provided with vent tubes for the passage of secondary air, the cap 55 being., moreover, provided with openings 58, suitably arranged in the extension of the openings 57 and making it possible to target the flames inside the combustion chamber 51.
The fluid to be heated enters the space 52 of the combustion chamber 51 from the bowl 54 through one or more tubes 60, forming an expandable loop. For the outlet of the fluid to be heated from the combustion chamber 51, the latter is provided at its upper part, the shape of which, at this location, is such that the fluid to be heated cannot remain there without movement and undergo local overheating. , tubes 61, connected in groups to tubular collectors 62, from where the fluid is directed, by conduits 63, to the external circulation pumps or to the external network if the pumps are not placed downstream of the heat exchanger, but upstream.
It should be noted that thanks to the assembly indicated, according to which the pumps are placed at the outlet of the fluid to be heated, the latter cannot be pressurized. As regards the external circulation pumps, they are preferably fixed on frames -64 placed on the base 65 of the apparatus (fig.4).
The heat source is constituted by an oil or gas burner or even, possibly, pulverized coal, placed in a central opening @ 66 of the combustion air box 5'5. The heated primary air is drawn by the burner booster into the air box and it heats up, mixing with it, the fuel arriving at the combustion chamber, 51.
The combustion of this fuel is carried out under a certain pressure which is equal to the pressure drop of the flue gases in the heat exchanger, and can be increased by the more or less closing of the register @ 68 placed in the heat exchanger. the smoke flue, 67 and controlled by a control valve 69 (fig. <B> 5). </B>
The preheated secondary air sent by the fan 70 into the air box 55 enters it via a blowing duct 71 arranged tangentially. This air then enters the combustion chamber 51, passing largely through the tunnel 56 and also through the openings 57, the latter directing the air around the outer frame of said tunnel 56, to cool it a little, and along the inner wall of the combustion chamber 51, in order to facilitate the combustion of fuel particles which could escape from the combustion zone in the center of the chamber. It should be noted, moreover, that this air gives rise to the formation of a cooler gaseous envelope along the said inner wall which does not absorb the radiation from the combustion zone (absence of C02 and 1320 ).
The combustion gases then pass between the outer wall of the body of the combustion chamber 51 and the inner wall of the body of the recuperator 72 ,. In order to increase the heat exchange surface between the combustion gases and the walls with which they come into contact, the outer wall of the body of the combustion chamber is for the view of fins (such as 73, fig. 5 ) increases both its surface, as well as the inner wall of the body of the recuperator 72, which is provided with fins (such as 74 fig. 5.) also increasing its surface. The internal space 7: 5 delimited by the two walls of the body 7'2 'is in relation to the speed which one wishes to give to the flow of the flue gases.
The space 52 of the body of the combustion chamber and the space 75 of the body of the recuperator 72 are provided with guiding flaps designated, respectively, by 76 and 77. These flaps are made, preferably, of half-round iron. and are fixed on the inner face of the outer wall of the body of the combustion chamber 51 and on the inner face of the outer pa king of the body of the recuperator 72, so as to leave a passage so that the fluid to be heated can s 'flow between said flaps and the internal face of the two interior walls delimiting the spaces 52 and 75.
Thanks to this arrangement, the fluid to be heated, pulsed by the distribution pump (not shown), travels, on the one hand, in a spiral path going upwards in the two spaces 5'2 and 7: 5. and, on the other hand, switches to speed by short-circuiting between the aforementioned interior walls and the directional flaps 7-6 and 77. The inclination of the directional flaps 76 and 77 being chosen, so that the two movements indicated for the fluid take place at an angle which is preferably of the order of 60, this results in swirling movements in the flow of the fluid, which prevent possible local overheating.
The arrival of the external fluid to be heated takes place via the pipes 78 which pass through the base 6.5 of the apparatus and which enter the space 75 of the body of the recuperator, after having passed through the bottom bowl 54. The cones picks 78 are provided with expandable loops.
On leaving the body of the recuperator 72, 9, the fluid to be heated is led by the pipes 79 to the manifolds 80, which direct it towards the conduit 81, ending in the bowl 54 through the tubes 82, this fluid then passing from this bowl to the space 52 of the combustion chamber 51 via the pipes 60, as has already been said.
It follows from the above that the circulation of the fluid to be heated takes place methodically from the coldest zone (space 75 chi body of the recuperator) to the hottest zone (space 52 of the combustion chamber 51). passing through the intermediate temperature zone (cuvette 54).
Just like the inner wall which is provided with fins 74, the outer wall of the body of the recuperator 72 is provided with <B> V-shaped fins 83, </B> the number of fins 83 possibly being double that of fins 74. in order to balance the transmission on both sides of the recuperator body whose inner side is, placed in an area where the temperature is higher than that in which the outer side is.
'All the fins 74 and 83 have slits (of the order of 10 mm, approximately every 100 min for example), in order, on the one hand, to increase the coefficient of transmission by convection and, to on the other hand, to remove an exaggerated stress on double-walled bodies. In addition, the aforementioned slots are staggered to distribute said fatigue more evenly.
After they have traversed from bottom to top the gap 84 existing between the outer wall of the combustion chamber 51 and the inner wall of the body of the recuperator 72, the combustion gases make a change of direction of 180 to descend towards the base 65, passing through the gap 85 existing between the outer wall of the body of the recuperator 72 and the inner face of the main casing 86 of the appliance, the combustion gases thus transfer heat to this casing main before passing through an opening in the upper plate 109 of the base 65, to enter the flue 67, controlled by the register 68 ,, and- go to the exhaust chimney.
Some flaps 87, also serving as supports for the central elements of the appliance, are arranged so as to balance the flow of combustion gases towards the chimney through the circular flue 67. These support flaps transmit the weight of the part. central unit, via four feet 88 (iron [J) to the two transverse lanyards 89 (iron [J) welded to the frame. of the base 65, a frame which is made of profiled irons reinforced by gussets.
This arrangement allows easy lifting and transport of the heat exchanger which, for this purpose, has openings (or hooks) formed in the upper circular belt of the base, formed by a strong section 90, intended to receive the chains or cables from a stowage hoist. To notice; furthermore, that the apparatus comprises, at its lower part, a frame 91 made of large profiled irons, allowing it to be placed on a simple slab, without any foundation, the total weight of the apparatus being very reduced, even for medium power units, of the order of 2,000,000 cal / h.
To prevent escape of combustion gases from chamber 51 to the interior of pedestal 65, inlet tubes 78, passing through lower cup 54, are fitted with asbestos packing and clamping devices. Likewise, another circular asbestos packing 92 eliminates any possible short circuit of the hot gases between the combustion chamber 51 and the flue 67 and forces these gases to rise upwards through the annular space 84.
An explosion hatch 93, fitted with a protective sheath 9'4 for the personnel and with an inspection pipe 95 connecting it with the lower bowl 4, suppresses the risks due to a possible overpressure which may occur at inside the combustion chamber 51. A sealed door 96 provides access to the duct 94.
The combustion air necessary for the operation of the burner is drawn in from the outside through a protective screen 97. This air then passes between the outer casing <B> 98 </B> and an intermediate partition 9.9, bypassing the 'lower end of the latter and rises while passing through the gap formed between the internal face of this partition 99 and the external face of the wall of the main casing 86 which is provided with <B> V fins, < / B> similar to the previous ones. These fins serve not only to increase the heat exchange surface between the main casing 86 and the combustion air, but also to consolidate the position of the intermediate partition 99.
On leaving the aforementioned interval, the re-heated air enters through the holes 100 'in the circular reader neck 100, provided at the upper part of the apparatus, from where it is sucked in by the fan 70, to through the pipe 101, to be sent, through the pipe 71 provided with an adjustment register 102, into the air box 55. The latter is provided with a combustion air pressure trap 103, which allows to visit tunnel 5'6.
To recover as much as possible the heat tending to escape to the outside of the apparatus, the thermal insulation of which is provided by the air sucked in from the outside, a series of openings 104 are provided, arranged circularly and allowing 'suck heated air from inside the base 65, in particular through the bowl 54 and the flue 67, and mix it with the outside air sucked in by the fan 70. As a result, the air coming from the the exterior is already preheated by the air from the plinth 65.
A series of openings 105 placed on the same circle as the outlet tubes <B> 79 </B> for the fluid to be heated from the body of the recuperator 72 makes it possible to examine and clean, by blowing, brushing or washing, the passages annulars 84 and 8: 5 for the circulation of the combustion gases. Likewise, side doors 106, provided on the flue 67, and large doors 107, provided on the base @ 65, make it possible to visit and clean said chimney and the interior of the base.
For the. connection of the flue 67 with the chimney, il. a strong angle 108 is provided, said chimney having to be able to produce the low draft, which is only necessary when the burner is operating at idle speed, to avoid the clogging of the combustion chamber 51 and of the gas pipes when the flow rate of the fan is the combustion air is very weak as is the ignition of the burner.
Finally, it should be noted that the openings 5 8 are fitted with transparent protection devices and that the handwheel 69 for controlling the register <B> 68 </B> is provided in a raised position to allow the upper plate to be placed. 109 of the base 65 at ground level, so that the <B> 67 </B> flue can be connected directly with the flue of the masonry flue passing under the slab resting on the ground.
It follows from the above description that all the double-walled bodies, combustion chamber 51 and recuperator 7'2, are freely suspended from the cap 55 of the device and are supported by the main casing 8'6. Since the latter expands upwards and the aforementioned bodies expand downwards, it follows that the relative positions of these elements remain practically the same during operation of the apparatus. As for the outer shell 98, which is also suspended from the cap, it does not expand because it is surrounded by cold air.
This envelope 98 therefore slides, during the expansion of the main casing $ 6, in the base ring formed by a strong angle which is bevelled internally at the top so as not to damage the visible part of said casing 98 when the latter. ci moves. The necessary tightness between the combustion chamber 51 and the flue 67, when the relative positions of the expandable bodies and of the main casing change, is provided by the circular packing 92 of the bowl 54.
If the high temperature fluid produced by the heat exchanger is intended to make steam by adding a vaporizer, a steam superheater can. be provided between the body of the combustion chamber 51 and the recuperator body 72. For this purpose, one could eliminate the conical part of the. base of the <B> 72 </B> recuperator body and give it a cylindrical shape at this point to accommodate the tubes of the steam superheater bundle. Likewise, the combustion air necessary for the burner to operate could also be blown by a fan placed outside the heat exchanger, the suction grid then being able to be removed.
It should also be noted that, instead of being suspended inside (the combustion chamber, the tunnel could be placed on its support so as to be outside the combustion chamber. In addition, combustion could take place not from top to bottom, but from bottom to top or even horizontally depending on the position of the heat exchanger. In the case of bottom-up combustion, the bowl of the combustion chamber as well as the flue gas exhaust ducts will be provided at the upper part of the appliance. It should be noted, finally, that the number of double-walled bodies may be greater than two and that two recovery bodies can be provided, for example, instead of one.