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GENERATEUR DE FLUIDE ELASTIQUE.
La présente invention a trait aux générateurs de fluides élasti- ques sous pression et elle s'applique par exemple aux chaudières à vapeur de mercure ainsi qu'à toutes autres chaudières à vapeur d'eau par exemple.
Les gaz de combustion s'échappant des chambres.de combustion des chaudières ont généralement une température élevée ; pour obtenir un rende- ment convenable, il est nécessaire de prévoir des espaces de convection des- tinés à les refroidir. Dans le but d'obtenir un bon transfert de chaleur, les éléments placés à l'intérieur de ces espaces de convection doivent être entiè- rement remplis de liquide, ce qui implique une quantité prohibitive de ce der- nier dans le cas du mercure surtout, car on doit les prévoir avec une section suffisante pour éviter qu'ils ne se bouchent,
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Dans le cas particulier des chaudières à mercure, ces tubes (tout au moins ceux placés dans l'espace de convection) contiennent généralement un mélange de la vapeur et de liquide, et,
il est de toute première importance que les surfages internes des dits tubes soient parfaitement mouillées par le mercure car la transmission de la chaleur à un mélange de vapeur et de liquide ne peut être bonne que si les surfaces internes des tubes sont parfaitement mouillées.
La présente invention a pour but d'améliorer par une construction et par un agencement perfectionnés le rendement des chaudières comportant des éléments situés dans les chambres de rayonnement et de convection.
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avan- ta;es de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent donnés simplement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels
La Fig.l représente une vue de front, avec parties arrachées d'une chaudière à mercure conforme à l'invention;
La Fig.2 une coupe suivant la ligne 2-2 de la Fig.1;
La une vue en perspective de certaines parties des Fig.1, 2 et la Fig.4 représente une variante.
Les chaudières comportent généralement un réservoir collecteur et des éléments chauffés qui lui sont connectés soumis à l'action calorifique. Ces éléments reçoivent le liquide du réservoir et lui fournissent un mélange de li- quide et de vapeur qui s'y séparent. La vapeur se dirige vers le surchauffeur ou vers un appareil de consommation et le liquide est remis en circulation. Ces chaudières qui font partie du type à circulation naturelle, ne comportent aucun système de pompage mécanique pour faire circuler le liquide : ce dernier se dé- plaçant du fait de la différence de densité entre la partie contenue dans les tubes descendants et non exposés à la chaleur et celle contenue dans les tubes chauffés.
La suppression des pompes est souvent désirable dans le cas par- ticulier des chaudières à mercure à cause de la densité élevée de'ce liquide et de la difficulté de le pomper. De plus, les pompes à mercure absorbent une quan- tité d'énergie relativement grande, qui réduit le rendement global de l'instal- lation.
Dans les chaudières à mercure construites jusqu'alors, le mercure passe des tubes ascendants dans le réservoir à une vitesse considérable sous une pres- sion sensiblement supérieure à celle de l'intérieur du dit réservoir, et l'éner- gie cinétique du mélange qu'il reçoit est transformée en énergie calorifique à l'intérieur de celui-ci,
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On a constaté qu'on pouvait mieux utiliser l'énergie cinétique du mélange en vue d'activer la circulation, en faisant appel à un système chauffé, placé de préférence au-dessus du réservoir et connecté entre ce dernier et les tubes ascendants.
En d'autres termes, conformément à l'invention, on prévoit une disposition dans laquelle les tubes ascendants chauffés sont beaucoup plus longs, de telle sorte que l'énergie disponible du mélange, dans les parties des groupes de tubes placés sous le réservoir, est utilisée à forcer le dit mélange à monter dans un ou plusieurs tubes situés à un niveau supérieur à celui du ou des dits réservoirs. Dans une telle disposition, le mélange s'écoule des élé- ments chauffés dans le réservoir collecteur à une faible vitesse et sous une prec sion qui n'est que très légèrement supérieure à celle qui règne dans le collec- teur.
Comme on le verra plus loin, le système conforme à l'invention possède des avantages importants consistant par exemple à loger certains éléments chauffés au-dessus du réservoir, c'est-à-dire dans l'espace de convection de la chaudière, ce qui permet la mise en marche de celle-ci, alors que les dits élé- ments sont vides 1 il en résulte une diminution considérable de la quantité de fluide à utiliser, ce qui n'est pas sans importance quand il s'agit du mercure,
En se référant plus particulièrement au système des Fig. 1 à 3, on voit que la chaudière représentée comporte des réservoirs collecteurs 10-11-12 dont les extrémités traversent les parois 13 et 14 du foyer.
Les parties infé- rieures de ces parois délimitent l'espace de combustion ou de rayonnement 15, et la partie supérieure 16 l'espace de convection recevant les gaz de combustion provenant du foyer. Aux extrémités de chaque réservoir, on a prévu des tubes descendants représentés en 17 et 18 et destinés à recevoir le mercure. Ces tubes sont placés à l'extérieur des parois 13 et 14'du foyer et leurs extrémités infé- rieures sont connectées aux éléments 19-20-21 (Fig.Z) placés à l'intérieur et garnissant les parois du dit foyer.
L'élément 19 comporte trois tubes 22, 23 et 24, et l'élément 20 trois tubes 25-26-27; certains de ces tubes sont connectés à la manière connue à la partie inférieure du collecteur pour lui fournir le liqui- de et la vapeur qui se forme directement dans les dits tubes, alors que les au- tres sont connectés aux éléments chauffés, situés au-dessus du réservoir.
Plus particulièrement, les tubes centraux 23 et 26 des éléments 19 et 20 sont connectés directement à la partie inférieure du réservoir, alors que les tubes externes 22-24-25-27 des éléments 19 et 20 sont reliés aux éléments chauffés 28-29-30-31 respectivement. Ces éléments chauffés secondaires 28 à 31
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sont situés au-dessus du réservoir 10. Les tubes 28 à 31 constituent un groupe situé dans l'espace de convection, la majeure partie de ces tubes étant placée transversalement par rapport au sens de circulation des gaz de combustion*
Dans le cas actuel, les tubes sont en forme d'épingle à cheveux comportant des parties placées à peu près horizontalement et constituant un che- min en zigzag pour le fluide qui les traverse.
Les extrémités de sortie sont con- nectées aux réservoirs. Dans le but d'obtenir une distribution uniforme du mer- cure à l'intérieur des dits réservoirs, on relie les tubes aux différents réser- voirs. Dans ces conditions, bien qu'un groupe de tubes reçoive le mercure d'un seul réservoir, il en décharge la vapeur dans plusieurs, ce qui est particulière- ment important dans le cas où l'on emploie du mercure avec d'autres métaux tels que le sodium, le lithium, l'aluminium, le zirconium, le magnésium ou le titane, car le fait de connecter les tubes d'un groupe, à plusieurs réservoirs y assure une concentration uniforme du mercure et des métaux additionnels.
Dans l'exemple considéré, le tube 28 se décharge dans un distri- buteur 32 connecté au réservoir 10; le tube 29 se décharge dans un distributeur 32 connecté à ce réservoir 11 ; tube 30 dans un distributeur 33 connecté au réservoir 11, le tube 30 dans un collecteur 34 relié au réservoir 10 et le tube 31 dans un distributeur 35 connecté au réservoir 11. Les distributeurs 32 et 33 sont en partie à l'extérieur du foyer 13, alors que les collecteurs 34 et 35 sont à l'intérieur. Le montage est symétrique comme le montrent les Fig. 1 et 2. Le tube descendant 18 de la Fig.2 conduit le mercure liquide provenant du réservoir 10 à un certain nombre de tubes ascendants 36 et 37.
Les tubes 36 aboutissent à la partie inférieure du réservoir, alors que les tubes 37 sont connectés au grou- pe 38 situé au-dessus, et symétrique par rapport au groupe des tubes 28 à 31.
Le mercure liquide qui arrive aux réservoirs collecteurs provient d'un condenseur non représenté, dans le cas d'une installation à turbine, par l'intermédiaire de plusieurs dispositifs de préchauffage. Dans le cas actuel, un préchauffeur 39 est disposé entre chaque paire de réservoirs. Ce dispositif 39 comporte une conduite d'admission 40 connectée à un collecteur en U 41. La branche gauche de l'U est reliée à une rangée de tubes 43, placés horizontale- ment en partie un peu au-dessous du niveau des réservoirs.
Les sorties des tu- bes 43 sont reliées à un collecteur 44 qui est lui-même connecté par l'intermé- diaire de 45 au distributeur 46 placé à l'extérieur du foyer et disposé le long de la totalité de la chauddière, pour décharger le liquide préchauffé, par l'in- termédiaire d'un certain nombre de conduites 47, dans les différents réservoirs.
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La branche droite du collecteur en U est reliée à une autre rangée de tubes 48 placés de manière analogue et aboutissant au même distributeur 46.
Pour assurer l'uniformité du mélange dans les diverses régions d'un réservoir, les préchauffeurs sont de préférence placés de façon-& y aboutir en différents points. Ainsi, le préchauffeur placé entre les réservoirs 11 et 12 se décharge aux extrémités de ces derniers qui traversent la paroi arrière du foyer 14, alors que le préchauffeur situé entre les résevoirs 10 et 11 se déchar- ge, par un distributeur 49 aux extrémités de ces deux réservoirs traversant la paroi avant 13 du foyer.
Bien que les éléments chauffés connectés aux tubes ascendants (Fig. 1, 2 et 3) soient situés au-dessus des réservoirs, on peut toutefois les placer, tout au moins partiellement, à un niveau voisin ou même inférieur à ce- lui des dits réservoirs. La caractéristique essentielle de l'invention est que les tubes ascendants sont prolongés vers le haut. En d'autres termes, ils sont considérablement plus longs que les tubes descendants de telle sorte que le mé- lange qui provient des tubes ascendants a une faible vitesse. et une pression qui n'est que très légèrement supérieure à celle du réservoir.
Comme le montre schématiquement la Fig.4, le système comporte un réservoir horizontal 60 et un premier dispositif de chauffage comprenant un tube descendant 61 et un tube ascendant 62 (qui reçoit le mercure du tube 61) déchar- geant le mélange de liquide et de vapeur dans un second élément chauffé 63 qui comporte un certain nombre de tubes placés horizontalement à un niveau voisin ou très légèrement inférieur à celui du réservoir 60. La sortie de 63 lui est con- nectée par un collecteur 64*
Après avoir été chauffé et évaporé, le mercure liquide se dilate, ce qui augmente les pertes par frottement* Pour les réduire, on prévoit, comme le montre la Fig. 4, un tube chauffé qui comporte des sections de diamètre crois- sant dans la direotion du débit du fluide.
Dans l'exemple actuel, le second élé- ment chauffé 63 a un diamètre supérieur au premier élément 68. La longueur du second est au moins de 50% supérieure à celle de l'élément 62. La chaudière con- tient une certaine quantité de mercure dont le niveau à froid est indiqué par la ligne en traits mixtes 65, situées au-dessus de la zone de rayonnement et au- dessus du 'servoir 60 et de la plus grande partie du dispositif 63.
On voit donc que le générateur conforme à l'invention comporte en plus d'une enceinte destinée à contenir le fluide élastique, un premier dis- positif de chauffage, situé au-dessous du niveau de l'enceinte et recevant le
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liquide de ce dernier ; un autre dispositif de chauffage placé à un niveau de préférence supérieur'& celui de la dite enceinte est connecté en série entre cette dernière et le premier dispositif. L'énergie du fluide chauffé dans le premier dispositif de chauffage force le fluide, au travers du second dispositif dans l'enceinte. Le premier dispositif est placé de préférence entièrement à l'intérieur de la chambre de combustion, alors que le second est placé dans l'es- pace de convection.
Un équipement tel que celui décrit et dans lequel quelques-uns seulement des premiers dispositifs de chauffage sont connectés à la partie infé- rieure du réservoir, possède l'avantage additionnel de réduire le nombre des orifices à pratiquer dans le fond du réservoir ce qui réduit ainsi l'affaiblis- sement des parois. Dans une chaudière du type indiqué ci-dessus, dans laquelle les premiers dispositifs de chauffage garnissent la ou les parois de la chambre de combustion, on obtient un accroissement du débit de la chaudière en connec- tant quelques-uns de ces tubes aux seconds dispositifs de ohauffage situés au- dessus des réservoirs. Comme les éléments situés au-dessus du réservoir peuvent être vides de fluide au cours de la mise en marche de la chaudière, il en résul- te une économie considérable du liquide actif.
Comme on l'a dit précédemment, dans le cas de chaudières à mer- cure, le mélange de mercure et de vapeut s'échappe des éléments situés au-dessus du réservoir sous une pression qui n'est que très légèrement supérieure à la pression intérieure à ce dernier. Ceci signifie que les variations de température du mercure sont faibles au cours de son trajet entre les éléments de chauffe et les réservoirs.
Il est connu qu'à haute température, le mercure dissout le fer et que cette action est sensiblement proportionnelle aux variations de tempéra- ture. Par conséquent, dans les chaudières du type décrit et du fait des faibles variations de température du mercure sur son trajet au trevers des seconds dis- positifs de chauffe, il n'y a que peu de fer dissout par le mercure à la tempé- rature de fonctionnement de la chaudière. On peut donc sans danger donner aux éléments la forme de tubes.
Cette faible action dissolvante du marche est particulièrement importante dans le cas où l'on n'ajoute au mercure aucune des substances des- tinées à réduire son action dissolvante. Les seconds dispositifsde chauffage sont pratiquement horizontaux, c'est-@-dire dans une position transversale par
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rapport au sens de circulation des gaz (le combustion :
d'où il résulte que les dits éléments sont placés dans les conditions oonvenables pour absorber effica- cement la chaleur*
Bien qu'on ait représenté et décrit plusieurs formes de réalisa- tion de l'invention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières, données simplement à titre d'exemple et sans aucun caractère res- trictif et que par conséquent toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions indiquées ci-dessus, rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.
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ELASTIC FLUID GENERATOR.
The present invention relates to generators of elastic pressurized fluids and it applies for example to mercury vapor boilers as well as to all other steam boilers for example.
The flue gases escaping from the combustion chambers of boilers generally have a high temperature; to obtain a suitable output, it is necessary to provide convection spaces intended to cool them. In order to obtain a good heat transfer, the elements placed inside these convection spaces must be completely filled with liquid, which implies a prohibitive quantity of the latter in the case of mercury especially , because they must be provided with a sufficient section to prevent them from becoming blocked
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In the particular case of mercury boilers, these tubes (at least those placed in the convection space) generally contain a mixture of steam and liquid, and,
it is of the utmost importance that the internal surfaces of said tubes are perfectly wetted by the mercury because the transmission of heat to a mixture of vapor and liquid can only be good if the internal surfaces of the tubes are perfectly wetted.
The object of the present invention is to improve, through improved construction and arrangement, the efficiency of boilers comprising elements located in the radiation and convection chambers.
The new features and the advan- tages of the invention will be better understood by referring to the following description and to the accompanying drawings, given simply by way of non-limiting example and in which
Fig.l shows a front view, with parts broken away of a mercury boiler according to the invention;
Fig.2 a section taken along line 2-2 of Fig.1;
The perspective view of parts of Fig.1, 2 and Fig.4 shows a variant.
Boilers generally have a collecting tank and heated elements connected to it subjected to the calorific action. These elements receive the liquid from the reservoir and supply it with a mixture of liquid and vapor which separates there. The steam goes to the superheater or to a consumption device and the liquid is recirculated. These boilers, which are part of the natural circulation type, do not include any mechanical pumping system to circulate the liquid: the latter moves due to the difference in density between the part contained in the descending tubes and not exposed to the water. heat and that contained in the heated tubes.
The elimination of pumps is often desirable in the particular case of mercury boilers because of the high density of this liquid and the difficulty of pumping it. In addition, mercury pumps absorb a relatively large amount of energy, which reduces the overall efficiency of the plant.
In the mercury boilers built until then, the mercury passes from the risers in the tank at a considerable speed under a pressure appreciably greater than that of the interior of the said tank, and the kinetic energy of the mixture qu 'it receives is transformed into calorific energy inside it,
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It has been found that the kinetic energy of the mixture could be better utilized in order to activate the circulation, by using a heated system, preferably placed above the tank and connected between the latter and the risers.
In other words, according to the invention, an arrangement is provided in which the heated riser tubes are much longer, so that the energy available from the mixture, in the parts of the groups of tubes placed under the tank, is used to force said mixture to rise in one or more tubes located at a level higher than that of said tank or tanks. In such an arrangement, the mixture flows from the heated elements in the collecting tank at a low speed and under a pressure which is only very slightly higher than that prevailing in the collector.
As will be seen below, the system according to the invention has significant advantages consisting for example of housing certain heated elements above the tank, that is to say in the convection space of the boiler, this which allows it to be started up, when said elements are empty 1, this results in a considerable reduction in the quantity of fluid to be used, which is not unimportant when it comes to mercury ,
Referring more particularly to the system of Figs. 1 to 3, it can be seen that the boiler shown comprises collecting tanks 10-11-12, the ends of which pass through the walls 13 and 14 of the fireplace.
The lower parts of these walls define the combustion or radiation space 15, and the upper part 16 the convection space receiving the combustion gases from the fireplace. At the ends of each tank, descending tubes shown at 17 and 18 and intended to receive the mercury are provided. These tubes are placed outside the walls 13 and 14 'of the hearth and their lower ends are connected to the elements 19-20-21 (Fig.Z) placed inside and lining the walls of said hearth.
Element 19 has three tubes 22, 23 and 24, and element 20 has three tubes 25-26-27; some of these tubes are connected in the known manner to the lower part of the manifold to supply it with the liquid and the vapor which forms directly in said tubes, while the others are connected to the heated elements, located at the bottom. above the tank.
More particularly, the central tubes 23 and 26 of the elements 19 and 20 are connected directly to the lower part of the tank, while the outer tubes 22-24-25-27 of the elements 19 and 20 are connected to the heated elements 28-29- 30-31 respectively. These secondary heated elements 28 to 31
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are located above the tank 10. The tubes 28 to 31 constitute a group located in the convection space, the major part of these tubes being placed transversely with respect to the direction of circulation of the combustion gases *
In the present case, the tubes are in the shape of a hairpin with parts placed approximately horizontally and constituting a zigzag path for the fluid passing through them.
The outlet ends are connected to the reservoirs. In order to obtain a uniform distribution of mercury inside said reservoirs, the tubes are connected to the various reservoirs. Under these conditions, although a group of tubes receives the mercury from one tank, it discharges the vapor in several, which is particularly important when mercury is used with other metals. such as sodium, lithium, aluminum, zirconium, magnesium or titanium, because the fact of connecting the tubes of a group, to several tanks ensures a uniform concentration of mercury and additional metals.
In the example considered, the tube 28 discharges into a distributor 32 connected to the reservoir 10; the tube 29 discharges into a distributor 32 connected to this reservoir 11; tube 30 in a distributor 33 connected to the reservoir 11, the tube 30 in a manifold 34 connected to the reservoir 10 and the tube 31 in a distributor 35 connected to the reservoir 11. The distributors 32 and 33 are partly outside the fireplace 13 , while the collectors 34 and 35 are inside. The assembly is symmetrical as shown in Figs. 1 and 2. The drop tube 18 of Fig.2 leads the liquid mercury from the reservoir 10 to a number of risers 36 and 37.
The tubes 36 terminate at the lower part of the reservoir, while the tubes 37 are connected to the group 38 located above, and symmetrical with respect to the group of the tubes 28 to 31.
The liquid mercury which arrives at the collecting tanks comes from a condenser (not shown), in the case of a turbine installation, via several preheating devices. In the present case, a preheater 39 is arranged between each pair of tanks. This device 39 comprises an intake pipe 40 connected to a U-shaped manifold 41. The left branch of the U is connected to a row of tubes 43, placed horizontally in part a little below the level of the reservoirs.
The outlets of the tubes 43 are connected to a manifold 44 which is itself connected through the intermediary of 45 to the distributor 46 placed outside the fireplace and arranged along the entire boiler, to discharge. the preheated liquid, via a certain number of pipes 47, in the various reservoirs.
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The right branch of the U-shaped manifold is connected to another row of tubes 48 placed in a similar manner and leading to the same distributor 46.
To ensure uniformity of the mixture in the various regions of a tank, the preheaters are preferably placed so as to terminate therein at different points. Thus, the preheater placed between the reservoirs 11 and 12 discharges at the ends of the latter which pass through the rear wall of the furnace 14, while the preheater situated between the reservoirs 10 and 11 is discharged, by a distributor 49 at the ends of the heater. these two tanks passing through the front wall 13 of the fireplace.
Although the heated elements connected to the risers (Figs. 1, 2 and 3) are located above the tanks, they can however be placed, at least partially, at a level close to or even lower than the said ones. tanks. The essential characteristic of the invention is that the ascending tubes are extended upwards. In other words, they are considerably longer than the down tubes so that the mixture which comes from the risers has a low velocity. and a pressure which is only very slightly higher than that of the reservoir.
As shown schematically in Fig. 4, the system has a horizontal reservoir 60 and a first heater comprising a down tube 61 and a riser 62 (which receives mercury from tube 61) discharging the mixture of liquid and gas. steam in a second heated element 63 which comprises a certain number of tubes placed horizontally at a level close to or very slightly lower than that of the reservoir 60. The outlet of 63 is connected to it by a manifold 64 *
After being heated and evaporated, the liquid mercury expands, which increases the frictional losses * To reduce them, it is expected, as shown in Fig. 4, a heated tube which has sections of increasing diameter in the direction of the flow rate of the fluid.
In the current example, the second heated element 63 has a larger diameter than the first element 68. The length of the second is at least 50% greater than that of element 62. The boiler contains a certain amount of gas. mercury, the cold level of which is indicated by the dashed line 65, located above the radiation zone and above the 'trough 60 and most of the device 63.
It can therefore be seen that the generator in accordance with the invention comprises, in addition to an enclosure intended to contain the elastic fluid, a first heating device, located below the level of the enclosure and receiving the.
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liquid of the latter; another heating device placed at a level preferably higher than that of said enclosure is connected in series between the latter and the first device. Energy from the fluid heated in the first heater forces the fluid, through the second device into the enclosure. The first device is preferably placed entirely inside the combustion chamber, while the second is placed in the convection space.
Equipment such as that described and in which only a few of the first heaters are connected to the lower part of the tank, has the additional advantage of reducing the number of orifices to be made in the bottom of the tank which reduces thus the weakening of the walls. In a boiler of the type indicated above, in which the first heating devices line the wall or walls of the combustion chamber, an increase in the flow rate of the boiler is obtained by connecting some of these tubes to the second devices. heater located above the tanks. As the elements above the tank may be empty of fluid during the start-up of the boiler, this results in a considerable saving in working liquid.
As stated previously, in the case of mercury boilers, the mixture of mercury and vapor escapes from the elements located above the tank under a pressure which is only very slightly higher than the pressure. interior to the latter. This means that the temperature variations of the mercury are small during its journey between the heating elements and the reservoirs.
It is known that at high temperatures, mercury dissolves iron and that this action is substantially proportional to changes in temperature. Consequently, in boilers of the type described and because of the small temperature variations of the mercury on its path through the second heating devices, there is only a little iron dissolved by the mercury at the temperature. operation of the boiler. It is therefore safe to give the elements the shape of tubes.
This weak dissolving action of the market is particularly important in the event that none of the substances intended to reduce its dissolving action are added to the mercury. The second heating devices are practically horizontal, that is to say in a transverse position by
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in relation to the direction of gas flow (combustion:
from which it follows that the said elements are placed in the conditions oonvenable to absorb heat efficiently *
Although several embodiments of the invention have been represented and described, it is obvious that one does not wish to limit oneself to these particular forms, given simply by way of example and without any restrictive character. that consequently all the variants having the same principle and the same object as the arrangements indicated above, would come within the scope of the invention as they did.