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Appareil de chauffage d'un fluide La présente invention a pour objet un appareil de chauffage d'un fluide, comprenant une chambre de combustion débouchant dans une chambre centrale parcourue dans le sens de sa longueur par les gaz de combustion qui passent ensuite dans une chambre extérieure entourant coaxialement la première, le fluide à chauffer passant successivement dans des tubes disposés dans l'une des chambres et dans des tubes disposés dans l'autre.
Suivant l'invention, cet appareil est caractérisé en ce que les tubes de la chambre centrale sont rectilignes, parallèles et disposés suivant les génératrices d'une surface cylindrique de même axe que la chambre centrale à distances égales l'un de l'autre, que les tubes de la chambre extérieure sont hélicoïdaux.
Le dessin représente, à :titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe axiale de cette forme d'exécution ; la fig. 2 est une coupe transversale suivant II-II de la fig. 1.
L'appareil représenté comprend une enveloppe cylindrique intérieure 11 et une enveloppe cylindrique 12 de même axe que la première et entourant celle-ci.
Ces enveloppes sont supportées en position verticale par un bâti 13. Une chambre de combustion 14 débouche dans l'extrémité supérieure de la chambre centrale formée par l'enveloppe 11.
La chambre de combustion 14 est agencée pour brûler du combustible liquide.
L'extrémité supérieure de la chambre centrale est fermée, à part l'orifice de la chambre de combustion 14, tandis que son extrémité inférieure est ouverte. L'extrémité inférieure de la chambre de section annulaire formée entre les enveloppes 11 et 12 est fermée de manière à réaliser un passage continu pour les gaz de combustion provenant de la chambre de combustion à travers la chambre centrale et la chambre de section annulaire qui l'entoure.
L'extrémité supérieure de la chambre de section annulaire est ouverte et communique avec une chambre 15 entourant cette extrémité ouverte et comportant une ouverture à bride 16 pour permettre aux gaz de la combustion de s'échapper dans un carneau ou cheminée.
Le fluide à chauffer pénètre dans l'appareil par des conduites d'alimentation diamétralement opposées 17, 17 ; on évite ainsi une déformation thermique et dissymétrique de l'appareil. Le fluide pénètre par les conduites 17, 17 dans un collecteur d'admission 18. Il s'écoule ensuite à travers un certain, nombre de tubes hélicoïdaux 19, dont les hélices ont même axe que les enveloppes. 11 et 12, disposés dans la chambre de section annulaire et communiquant avec le collecteur 18.
Les autres extrémités des tubes hélicoïdaux 19 communiquent avec un élément annulaire 24 d'un collecteur 23 d'où le fluide passe par des tubes coudés 28 dans un élément central 25 de ce collecteur pour s'écouler ensuite vers le haut par des tubes rectilignes parallèles 20. Ces tubes rectilignes 20 sont disposés dans la chambre centrale près de la paroi de celle-ci, suivant les génératrices d'une surface cylindrique de même axe que cette chambre et à distances égales l'un de l'autre.
A leur extrémité supérieure les tubes 20 débouchent dans un collecteur de sortie 21 qui entoure la chambre de combustion 14 et pourvu de raccords de décharge diamétralement opposés 22, 22 pour l'évacuation du fluide chauffé.
Les, enveloppes interne 11 et externe 12 peuvent se dilater et se contracter librement, indépendamment
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l'une de l'autre, étant supportées indépendamment par le bâti 13 à une seule extrémité et n'étant reliées l'une à l'autre que par l'extrémité opposée.
Le collecteur 23 formé des éléments 24 et 25 peut coulisser dans l'enveloppe 12 en suivant la dilatation ou contraction des tubes rectilignes 20. Cette possibilité de coulissement du collecteur 23 compense aussi en partie la dilatation et la contraction des tubes hélicoïdaux 19 qui, grâce à leur forme, peuvent subir une dilatation ou une contraction thermique différentielle par rapport à la dilatation ou contraction des tubes rectilignes.
La paroi extérieure cylindrique de l'élément annulaire 24 du collecteur 23 est ajustée exactement dans l'extrém.ité inférieure de l'enveloppe 12, au-dessous de l'extrémité ouverte de l'enveloppe 11. L'élément central 25 est ajusté exactement dans l'espace cylindrique défini par la paroi interne et cylindrique de l'élément annulaire 24. Les parois intérieures d'extrémité des éléments 24 et 25 sont dans un même plan et ferment l'extrémité inférieure du cylindre 12.
Des goupilles 26 soudées à la paroi extérieure plane de l'élément 24, s'étendent à travers des orifices d'une plaque annulaire 27 boulonnée sur la partie inférieure du bâti 13 et permettent un déplacement axial du collecteur 23 tout en l'empêchant de tourner quand les tubes hélicoïdaux 19 se dilatent ou se contractent.
Un déflecteur 29 en matière réfractaire est fixé sur la paroi interne plane de l'élément 25. La pièce 29 sert à protéger cet élément contre l'action directe des gaz de combustion extrêmement chauds quittant la chambre centrale et sert également à guider ces gaz vers l'entrée de la chambre de section annulaire.
La chambre de combustion 14 décharge dans l'extrémité supérieure de la chambre centrale les produits d'une combustion sensiblement complète. Ces produits sortent de la chambre 14 avec une vitesse très élevée. En sortant de l'extrémité inférieure de la chambre centrale ils s'écoulent en sens inverse vers le haut à travers la chambre comprise entre les enveloppes 11 et 12, avec une vitesse encore plus grande que celle qu'ils possédaient dans la chambre cen- trale,
du fait que la section de passage de la chambre de section annulaire est plus petite que celle de la chambre centrale. Cette réduction de section pourrait être supérieure à 12 %. Ainsi, la valeur du taux d'échange de chaleur par unité de différence de température est au moins maintenue.
Il faut remarquer que dans l'appareil décrit l'échange efficace de chaleur à une vitesse relativement élevée résulte du fait que les gaz de combustion ne fournissent sensiblement pas de radiation, et que le transfert de chaleur s'effectue pour la plus grande part par convection. Ainsi pour un pouvoir de chauffage donné, l'appareil décrit peut être beau- coup plus petit qu'un appareil de même puissance utilisant principalement le transfert de chaleur par radiation.
Dans un cas particulier de l'appareil décrit on pourrait donner à la section d'écoulement libre de la chambre de section annulaire une valeur égale à 87,8 % de celle de la chambre centrale.
Pour obtenir les meilleurs résultats, le fluide à chauffer doit se déplacer à travers les tubes 19 et 20, également à grande vitesse. On a trouvé avantageux dans le cas de l'appareil décrit de faire passer le fluide à travers les tubes 19 et 20 à une vitesse égale ou supérieure à 45 m/sec. Ainsi, par exemple, on a utilisé dans le cas de l'appareil décrit une vitesse de fluide à chauffer à travers les tubes hélicoïdaux 19 égale à 70 m/sec. et une vitesse égale à 90 m/sec., à travers les tubes rectilignes 20, du moment qu'il a été trouvé avantageux d'utiliser une plus grande vitesse de circulation,
du fluide à chauffer dans la partie de l'appareil où les produits de combustion se trouvent à leur température la plus élevée, et une vitesse plus faible là où l'échange de chaleur se produit à une température plus basse. L'appareil décrit avait dans ce cas onze tubes hélicoïdaux d'un diamètre de 15,8 mm et trente-deux tubes rectilignes d'un diamètre del2,7 mm. On a constaté que dans ce cas, 60 % de la chaleur transmise au fluide, en l'occurrence du gaz, étaient transférés à celui-ci dans les tubes hélicoïdaux 19.
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Apparatus for heating a fluid The present invention relates to an apparatus for heating a fluid, comprising a combustion chamber opening into a central chamber traversed in the direction of its length by the combustion gases which then pass into a chamber. exterior coaxially surrounding the first, the fluid to be heated passing successively through tubes arranged in one of the chambers and through tubes arranged in the other.
According to the invention, this apparatus is characterized in that the tubes of the central chamber are rectilinear, parallel and arranged along the generatrices of a cylindrical surface having the same axis as the central chamber at equal distances from each other, that the tubes of the outer chamber are helical.
The drawing represents, by way of example, an embodiment of the object of the invention.
Fig. 1 is an axial section of this embodiment; fig. 2 is a cross section along II-II of FIG. 1.
The apparatus shown comprises an inner cylindrical casing 11 and a cylindrical casing 12 having the same axis as the first and surrounding the latter.
These envelopes are supported in a vertical position by a frame 13. A combustion chamber 14 opens into the upper end of the central chamber formed by the envelope 11.
The combustion chamber 14 is arranged to burn liquid fuel.
The upper end of the central chamber is closed, apart from the orifice of the combustion chamber 14, while its lower end is open. The lower end of the chamber of annular section formed between the casings 11 and 12 is closed so as to provide a continuous passage for the combustion gases from the combustion chamber through the central chamber and the chamber of annular section which l 'surrounded.
The upper end of the annular section chamber is open and communicates with a chamber 15 surrounding this open end and having a flanged opening 16 to allow combustion gases to escape into a flue or chimney.
The fluid to be heated enters the apparatus through diametrically opposed supply lines 17, 17; this avoids thermal and asymmetrical deformation of the device. The fluid enters through pipes 17, 17 into an intake manifold 18. It then flows through a certain number of helical tubes 19, the propellers of which have the same axis as the envelopes. 11 and 12, arranged in the chamber of annular section and communicating with the collector 18.
The other ends of the helical tubes 19 communicate with an annular element 24 of a manifold 23 from where the fluid passes through bent tubes 28 in a central element 25 of this manifold to then flow upwards through parallel rectilinear tubes 20. These rectilinear tubes 20 are arranged in the central chamber near the wall thereof, following the generatrices of a cylindrical surface having the same axis as this chamber and at equal distances from one another.
At their upper end, the tubes 20 open into an outlet manifold 21 which surrounds the combustion chamber 14 and provided with diametrically opposed discharge connectors 22, 22 for discharging the heated fluid.
The inner 11 and outer 12 envelopes can expand and contract freely, independently
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one from the other, being independently supported by the frame 13 at one end and only connected to each other by the opposite end.
The manifold 23 formed of the elements 24 and 25 can slide in the casing 12 following the expansion or contraction of the rectilinear tubes 20. This possibility of sliding the manifold 23 also partly compensates for the expansion and contraction of the helical tubes 19 which, thanks to to their shape, can undergo a differential thermal expansion or contraction with respect to the expansion or contraction of the rectilinear tubes.
The cylindrical outer wall of the annular member 24 of the manifold 23 fits exactly into the lower end of the casing 12, below the open end of the casing 11. The central member 25 is snug. exactly in the cylindrical space defined by the internal and cylindrical wall of the annular element 24. The internal end walls of the elements 24 and 25 are in the same plane and close the lower end of the cylinder 12.
Pins 26 welded to the flat outer wall of element 24 extend through holes in an annular plate 27 bolted to the lower part of frame 13 and allow axial movement of manifold 23 while preventing it from shifting. rotate when the helical tubes 19 expand or contract.
A baffle 29 of refractory material is fixed to the flat internal wall of the element 25. The part 29 serves to protect this element against the direct action of the extremely hot combustion gases leaving the central chamber and also serves to guide these gases towards the entry of the annular section chamber.
The combustion chamber 14 discharges into the upper end of the central chamber the products of substantially complete combustion. These products leave the chamber 14 at a very high speed. Leaving the lower end of the central chamber they flow in the opposite direction upwards through the chamber between the envelopes 11 and 12, with an even greater speed than that which they possessed in the central chamber. trale,
because the passage section of the chamber of annular section is smaller than that of the central chamber. This section reduction could be greater than 12%. Thus, the value of the heat exchange rate per unit of temperature difference is at least maintained.
It should be noted that in the apparatus described the efficient exchange of heat at a relatively high rate results from the fact that the combustion gases do not provide substantially any radiation, and that the heat transfer takes place for the most part by convection. Thus, for a given heating power, the apparatus described can be much smaller than an apparatus of the same power mainly using heat transfer by radiation.
In a particular case of the apparatus described, the free flow section of the chamber of annular section could be given a value equal to 87.8% of that of the central chamber.
For best results, the fluid to be heated should move through tubes 19 and 20, also at high speed. It has been found advantageous in the case of the apparatus described to pass the fluid through the tubes 19 and 20 at a speed equal to or greater than 45 m / sec. Thus, for example, in the case of the apparatus described, a speed of the fluid to be heated through the helical tubes 19 equal to 70 m / sec has been used. and a speed equal to 90 m / sec., through the rectilinear tubes 20, since it has been found advantageous to use a higher circulation speed,
of the fluid to be heated in the part of the appliance where the combustion products are at their highest temperature, and at a lower speed where the heat exchange occurs at a lower temperature. The apparatus described had in this case eleven helical tubes with a diameter of 15.8 mm and thirty-two rectilinear tubes with a diameter of 2.7 mm. It was found that in this case, 60% of the heat transmitted to the fluid, in this case the gas, was transferred to the latter in the helical tubes 19.