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Echangeur de chaleur perfectionné.
L'invention a pour objet un échangeur de chaleur perfectionné convenant plus particulièrement pour les cas où le fluide chauffant est à une température trs élevée lorsqu'il atteint l'échangeur.
L'échangeur de chaleur objet de l'invention est du type à paires de tubes concentriques, dites tubes Field, réparties en plusieurs faisceaux principaux, ces tubes Field étant disposés en parallèle dans chacun des faisceaux) le fluide à chauffer cir- culant dans les divers faisceaux en série, et, autant que possible, à contre-courant de la circulation du fluide chauffant.
L'objet de l'invention est caractérisé principalement par le fait que dans les diverses paires de tubes concentriques, le fluide à chauffer traverse d'abord le tube interne, puis le tube externe, sauf dans le faisceau qu'il parcourt en dernier lieue où c'est l'inverse qui se produit.
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De cette façon, les tubes externes de ce dernier faisceau, qui pourraient être exposés à une température trop élevée parce qu'ils sont les premiers en contact avec le fluide chauffant, sont rafraîchis par le fait qu'ils codent de leur chaleur par rayonnement vers les tubes internes correspondants.
L'objet de l'invention peut aussi être caractérisé par diverses particularités qui ressortiront de la description et, notamment, par le fait de disposer devant le faisceau principal que le fluide chauffé parcourt en dernier lieu une ou plusieurs rangées de tubes Field traversés par une fraction du fluide à chauffer prélevée avant l'entrée de celui-ci dans l'échangeur et réunie ensuite à la fraction principale du fluide déjà chauffé.
La description qui va suivre, en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple, fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée.
Fig. 1 du dessin est une coupe longitudinale verticale, par 1-1 de la Fig. 2, d'un réchauffeur d'air conforme à l'invention, dont la Fig. 2 est une coupe horizontale par II-II de la Fig, 1,
Figs. 3 et 4 sont des coupes longitudinales verticales, analogues à celle de la Fig. 1, de deux variantes de réalisation de l'invention; on n'y a représenté que deux tubes de chaque faisceau pour simplifier les figures, mais il est bien entendu que chaque faisceau comporte une multiplicité de tubes Field qui peut être quelconque.
Fig. 5 est une coupe longitudinale d'un autre mode de réalisation de l'invention.
Dans l'échangeur de chaleur représenté aux Zigs, 1 et 2, l'air à chauffer arrive par une canalisation 1 jusque une plaque tubulaire 2 dans laquelle sont fixés les tubes internes 3 d'un premier faisceau A de quatre paires de tubes Field puis passe dans les tubes externes 4, qui sont borgnes, de ce même
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faisceau pour remonter jusqu'au collecteur 5 commun aux deux faisceaux de tubes Field que comporte l'appareil; cet air descend ensuite dans les tubes externes 6 du deuxième faisceau B, qui sont borgnes, puis remonte à travers les tubes internes 7 pour être enfin acheminé vers les lieux d'utilisation par une canalisation 8.
Le fluide chauffante par exemple, des fumées à haute température, arrive à l'appareil par un carneau 9 selon la direction indiquée par la flèche 10, sur le carneau on a construit une chambre en magonnerie il sur laquelle repose par un joint étanche le collecteur 5, les tubes Field plongeant dans la chambre 11 et dans le carneau 9 ; une cloison partielle ou chicane 12 oblige les fumées à monter le long du faisceau B puis à redescendre le long du faisceau A pour gagner le carneau de sortie 13.
Un caisson 14 constitué de toute manière appropriée connue, posé sur la.maçonnerie 11, enveloppe le collecteur 5 et évite ou réduit les déperditions de chaleur.
On voit que dans l'ensemble, l'air circule à contre-courant des fumées, en ce sens qu'il passe dans le faisceau A puis dans le faisceau B tandis que les fumées baignent d'abord B puis A ; on voit aussi que dans le faisceau A l'air le moins chaud circule de haut en bas dans les tubes 3, à contre-courant de l'air déjà plus chaud qui remonte dans les tubes 4, cet air des tubes 4 cir- culant lui-même à contre-courant des fumées qui descendent le long des tubes 4.
Ces marches à contre-courant sont favorables aux échanges de chaleur,
On voit encore que les tubes 6, les premiers touchés par des fumées à haute température, donc les plus exposés à être trop chauffés, sont rafraîchis par rayonnement d'une partie de leur chaleur vers le métal des tubes 7 dont la température est moins élevée que la leur.
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Dans les Fige. 3 et 4, on a adopté pour les mêmes éléments que ceux qui viennent d'être décrits, les mêmes références.
Dans la variante représentée à la Fig. 3 on n'a pas fait emploi d'une chicane telle que 12 des Figs. 1 et 2, ce qui permet de donner moins de hauteur à la maçonnerie 11, les faisceaux A et B étant plus développés en longueur et en largeur et moins en hauteur. En outre, le collecteur commun 5 est ici remplacé par deux collecteurs 15 et 16, un pour chaque faisceau, qui peuvent être assemblés en 17 par joint étanche démontable ; peut ainsi, pour le montage et les démontages éventuels, diviser le réchauf- feur en deux sections plus faciles à manipuler.
La variante représentée à la Fig. a été étudiée en vue de cas où la température des fumées chauffantes est si élevée, qu'une protection supplémentaire des tubes 6 est nécessaire, sur la canalisation 1 d'arrivée d'air, on a branché une conduite de dérivation 18 qui aboutit à un petit collecteur 19 monté sur le collecteur 15; à ce collecteur est fixée une rangée de tubes internes 20 concentriques à des tubes borgnes 21 fixés au collecteur 15, de sorte que la fraction d'air frais dérivée de 1 traverse successivement les organes 18, 19,20 et 21 puis se réunit, dans le collecteur 15, à l'autre fraction de l'air) laquelle a déjà été chauffée partiellement dans le faisceau A; la totalité de l'air passe ensuite dans le faisceau B. Les paires de tubes 20-21 constituent ce qu'on peut appeler un écran protecteur.
L'échangeur de chaleur représenté 4 la Fig. 5 du dessin et qu'on supposera être un récupérateur réchauffeur d'air pour four métallurgique comporte deux faisceaux principaux de tubes Field A et B, composés chacun d'un nombre quelconque convenable de tubes et un petit faisceau additionnel 0 qui constitue l'écran protecteur et qui est disposé du côté de l'arrivée du fluide chauf- fant. Les faisceaux A et B communiquent entre eux par deux collecteurs 15 et 16 disposés bout à bout de manière à former un
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caisson unique.
La fraction principale du fluide à chauffer amené par la conduite 1 arrive par la chambre 22 à la plaque tubulaire 2 à travers laquelle elle pénètre dans les tubes intérieurs 3 du faisceau A pour remonter ensuite entre ces tubes 3 et les tubes extérieurs 4. atteindre le collecteur 16, passer de là dans le collecteur 15 puis dans les tubes extérieurs 6 du faisceau B, dans ses tubes intérieurs 7, enfin dans la chambre 23 d'ou. une conduite 8 l'achemine vers le tour.
sur la conduite 1 est branchée une conduite de dérivation 24 de moindre diamètre par où l'autre fraction du fluide à chauf- fer peut être acheminée successivement vers un robinet à trois voies 25, une conduite 26, un collecteur 27, les tubes extérieurs 28 du faisceau C ses tubes intérieurs 29 et un collecteur de sortie 30 d'où, par la conduite 31, elle va rejoindre la fraction principale dans la chambre 23.
Toutes les parties de l'échangeur sont calculées et construites de telle manière que ces deux fractions du fluide à chauffer arrivent à la chambre 23 à la même pression ou sensiblement à la même pression; cela revient à dire que la résistance offerte au passage de la fraction dérivée depuis la conduite 1 jusque la chambre 23 en passant par le faisceau 0 est autant que possible égale , la résistance offerte au passage de la. fraction princi- pale du fluide entre ces deux mêmes endroits en passant à travers les faisceaux A et B.
Comme le chemin parcouru par la fraction dérivée est, dans sa partie la plus resserrée et dans le cas décrit à titre d'exemple. sensiblement de même longueur que la partie la plus resserrée du chemin parcouru par la fraction principale dans chacun des autres faisceaux, donc plus courte que le trajet de la fraction principale à travers les faisceaux disposés en série, cela implique que la résistance au passage du fluide est, par unité de longueur, plus grande (à peu près deux fois
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dans l'exemple décrit et représenté) dans l'écran protecteur que dans les autres faisceaux; cela implique aussi que dans l'écran protecteur la vitesse du fluide est plus grande que dans les autres faisceaux;
il en résulte que le coefficient de transmission de chaleur entre le métal et le fluide à chauffer y est aussi plus grand que dans les autres faisceaux, condition favorable à la fois k un refroidissement convenable des tubes de l'écran protecteur et à un abaissement de la température du fluide chauffant qui arrive par le carneau 9 tel que les tubes du faisceau A et B ne soient pas exposés au danger d'un échauffement exagéré,
En pratique, on calculera les sections de passage du fluide chauffé à travers le faisceau C de telle façon qu'en arrivant dans la chambre 23 la fraction dérivée soit non seulement à la même pression que la fraction principale mais aussi à une tempéra- ture aussi proche que possible de celle de cette dernière.
Le robinet . trois voies 25 pourrait ne pas exister sans que pour cela on sorte du cadre de l'invention et sans que rien soit modifié au mode de fonctionnement qui vient d'être exposé. Mais la présence de ce robinet présente des avantages dont il va être p arl é.
D'une part, il peut arriver que par suite d'un incident, les gaz chauffants arrivent par le carneau 9 à une température exceptionnellement élevée, mettant les tubes de l'échangeur en danger. Dans ce cas, on pourra, par une manoeuvre du robinet 25, couper la communication dérivée entre la conduite 1 et le collecteur 27 et établir une communication entre le collecteur 27 et une conduite 32 par laquelle on enverra dans le faisceau C, par tous moyens connus, un fluide plus apte à refroidir ce faisceau, soit qu'il soit plus froid que le fluide à réchauffer normalement, soit qu'il se trouve à une pression plus élevée déterminant une vitesse d'écoulement plus grande dans les tubes 28 et 29 et une
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amélioration correspondante du coefficient de transmission de chaleur;
ce fluide peut aussi être de nature différente de celle du fluide à chauffer habituel,
D'autre part, il peut arriver accidentellement que l'arrivée de fluide à réchauffer par la conduite 1 soit interrompue, ce qui mettrait tous les tubes de l'éohangeur en danger d'être brûlés.
Dans ce cas, par une manoeuvre semblable du robinet 25 et en fermant une vanne 33 intercalée dans la conduite 1, on pourra envoyer dans le faisceau C, par la conduite 32 et par tous moyens connus, un fluide convenable à la température et la pression qu'on jugera les plus convenables, lequel fluide pourra emplir les faisceaux A et B mais s'écoulera de l'échangeur par la conduite 8.
Dans le cas supposé d'un récupérateur réchauffeur d'air pour four métallurgique, ce fluide pourra être par exemple de l'air froid sous pression élevée, qu'on acheminera vers le four par la condui- te 8 à titre de secours en attendant l'extinction du four ou le rétablissement de l'arrivée normale d'air par la conduite 1. Grâ- ce à la latitude dont on dispose pour le choix du fluide ainsi envoyé à travers le faisceau C, on pourra prendre les mesures les plus efficaces pour la sauvegarde du faisceau C ainsi que des autres faisceaux, tant par le refroidissement des gaz chauffants par le faisceau C que par le rayonnement négatif de chaleur de ce faisceau par rapport aux tubes voisins.
Le refroidissement obtenu grâce au faisceau C protégera également les parois de la chambre occupée par l'échangeur de chaleur,
Comme dans le cas des réchauffeurs décrits plus haut, les réchauffeurs du genre représenté à la Fig. 5 peuvent comporter plus de deux faisceaux principaux. Dans ce cas, la fraction de fluide à chauffer sortant du faisceau C, au lieu d'être acheminée vers la chambre de sortie 23, peut l'être vers tout endroit intermédiaire entre deux des faisceaux principaux successifs, les
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sections de passage dans le faisceau 0 étant alors calculées de manière que le fluide qui en sort soit, ou à peu près) à la même pression et autant que possible à la même température que la fraction principale du fluide à chauffer à leur endroit de réunion.
Des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, sans que pour cela on sorte nécessairement du cadre de l'invention. Notamment; les murettes ou chicanes représentées en 12 et en 34 peuvent ne pas exister.
Notamment aussi, la hauteur des faisceaux de l'échangeur peut être égale ou à peu près égale 4 celle des carneaux 9 et 13.
Résumée
1. Un échangeur de chaleur perfectionné comportant une multiplicité de paires de tubes concentriques dites : tubes Field, parcourues intérieurement par le fluide chauffé et baignées extérieurement dans le fluide chauffant, ces paires de tubes étant disposées en parallèle dans plusieurs faisceaux que le fluide chauffé traverse en série et en sens contraire du sens de circulation du fluide chauffant, cet échangeur étant caractérisé par le fait que dans les diverses paires de tubes, le fluide chauffé traverse d'abord le tube interne puis le tube externe ou tube borgne, à l'exception des paires de tubes du faisceau qu'il traverse en dernier lieu, ou le sens de sa circulation est inversé.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Advanced heat exchanger.
The subject of the invention is an improved heat exchanger suitable more particularly for cases where the heating fluid is at a very high temperature when it reaches the exchanger.
The heat exchanger which is the subject of the invention is of the type with pairs of concentric tubes, called Field tubes, distributed in several main bundles, these Field tubes being arranged in parallel in each of the bundles) the fluid to be heated circulating in the tubes. various beams in series, and, as much as possible, against the flow of the heating fluid.
The object of the invention is characterized mainly by the fact that in the various pairs of concentric tubes, the fluid to be heated first passes through the inner tube, then the outer tube, except in the bundle which it traverses last. where the reverse occurs.
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In this way, the outer tubes of this last bundle, which could be exposed to too high a temperature because they are the first in contact with the heating fluid, are cooled by the fact that they encode their heat by radiation towards the corresponding internal tubes.
The object of the invention can also be characterized by various features which will emerge from the description and, in particular, by the fact of having in front of the main beam that the heated fluid passes lastly one or more rows of Field tubes crossed by a fraction of the fluid to be heated taken before it enters the exchanger and then combined with the main fraction of the fluid already heated.
The description which follows, with reference to the appended drawing given by way of example, will make it easier to understand how the invention can be implemented.
Fig. 1 of the drawing is a vertical longitudinal section, through 1-1 of FIG. 2, of an air heater according to the invention, of which FIG. 2 is a horizontal section through II-II of Fig, 1,
Figs. 3 and 4 are vertical longitudinal sections, similar to that of FIG. 1, of two variant embodiments of the invention; only two tubes of each bundle have been shown there to simplify the figures, but it is understood that each bundle comprises a multiplicity of Field tubes which can be arbitrary.
Fig. 5 is a longitudinal section of another embodiment of the invention.
In the heat exchanger shown in Zigs, 1 and 2, the air to be heated arrives through a pipe 1 to a tube plate 2 in which are fixed the internal tubes 3 of a first bundle A of four pairs of Field tubes then passes through the outer tubes 4, which are blind, of the same
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bundle to go up to the collector 5 common to the two bundles of Field tubes that the apparatus comprises; this air then descends into the outer tubes 6 of the second bundle B, which are blind, then rises through the inner tubes 7 to be finally routed to the places of use by a pipe 8.
The heating fluid, for example, high temperature fumes, arrives at the device through a flue 9 in the direction indicated by arrow 10, on the flue we have built a magonnerie chamber it on which the collector rests by a tight seal. 5, the Field tubes plunging into chamber 11 and into flue 9; a partial partition or baffle 12 forces the fumes to rise along bundle B then to descend along bundle A to gain outlet flue 13.
A box 14 made in any suitable known manner, placed on the masonry 11, envelops the collector 5 and prevents or reduces heat loss.
It can be seen that on the whole, the air circulates against the current of the fumes, in the sense that it passes through the beam A then into the beam B while the fumes first bathe B then A; we also see that in the A bundle the less hot air circulates from top to bottom in the tubes 3, against the current of the already warmer air which rises in the tubes 4, this air from the tubes 4 circulating itself against the current of the fumes which descend along the tubes 4.
These counter-current steps are favorable to heat exchange,
We can also see that the tubes 6, the first to be affected by high temperature fumes, therefore the most exposed to being overheated, are cooled by radiation of part of their heat towards the metal of the tubes 7, the temperature of which is lower. than theirs.
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In the Fige. 3 and 4, the same references have been adopted for the same elements as those which have just been described.
In the variant shown in FIG. 3 no use has been made of a baffle such as 12 of FIGS. 1 and 2, which makes it possible to give less height to the masonry 11, the beams A and B being more developed in length and in width and less in height. In addition, the common collector 5 is here replaced by two collectors 15 and 16, one for each bundle, which can be assembled at 17 by removable seal; can thus, for possible assembly and disassembly, divide the heater into two sections which are easier to handle.
The variant shown in FIG. has been studied with a view to cases where the temperature of the heating flue gases is so high that additional protection of the tubes 6 is necessary, on the air inlet pipe 1, a bypass pipe 18 has been connected which leads to a small collector 19 mounted on the collector 15; to this manifold is fixed a row of internal tubes 20 concentric with blind tubes 21 fixed to the manifold 15, so that the fraction of fresh air derived from 1 successively passes through the members 18, 19, 20 and 21 then meets, in the collector 15, to the other fraction of the air) which has already been partially heated in the bundle A; all of the air then passes into bundle B. The pairs of tubes 20-21 constitute what may be called a protective screen.
The heat exchanger shown in FIG. 5 of the drawing and which will be assumed to be an air heater recuperator for a metallurgical furnace comprises two main bundles of Field tubes A and B, each composed of any suitable number of tubes and a small additional bundle 0 which constitutes the screen protective and which is placed on the side where the heating fluid is supplied. The beams A and B communicate with each other by two collectors 15 and 16 arranged end to end so as to form a
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single box.
The main fraction of the fluid to be heated brought through line 1 arrives through chamber 22 to tube plate 2 through which it enters the inner tubes 3 of bundle A to then rise between these tubes 3 and the outer tubes 4. manifold 16, pass from there into the manifold 15 then into the outer tubes 6 of the bundle B, into its inner tubes 7, and finally into the chamber 23 from where. a pipe 8 carries it to the lathe.
on line 1 is connected a bypass line 24 of smaller diameter through which the other fraction of the fluid to be heated can be routed successively to a three-way valve 25, a line 26, a manifold 27, the outer tubes 28 of the bundle C its inner tubes 29 and an outlet manifold 30 from where, through line 31, it will join the main fraction in chamber 23.
All the parts of the exchanger are calculated and constructed in such a way that these two fractions of the fluid to be heated arrive at the chamber 23 at the same pressure or substantially at the same pressure; this amounts to saying that the resistance offered to the passage of the derivative fraction from the pipe 1 to the chamber 23 via the beam 0 is as much as possible equal, the resistance offered to the passage of the. main fraction of the fluid between these same two places passing through beams A and B.
As the path traveled by the derivative fraction is, in its narrowest part and in the case described by way of example. substantially the same length as the most constricted part of the path traveled by the main fraction in each of the other beams, therefore shorter than the path of the main fraction through the beams arranged in series, this implies that the resistance to the passage of the fluid is, per unit of length, greater (roughly twice
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in the example described and shown) in the protective screen than in the other beams; this also implies that in the protective screen the speed of the fluid is greater than in the other beams;
the result is that the heat transfer coefficient between the metal and the fluid to be heated is also greater there than in the other bundles, a favorable condition both for suitable cooling of the tubes of the protective screen and for a reduction of the temperature of the heating fluid which arrives through the flue 9 such that the tubes of the bundle A and B are not exposed to the danger of excessive heating,
In practice, the sections of passage of the heated fluid through the bundle C will be calculated in such a way that, arriving in chamber 23, the derived fraction is not only at the same pressure as the main fraction but also at a temperature as well. as close as possible to that of the latter.
Tap . three-way 25 could not exist without departing from the scope of the invention for this and without modifying the mode of operation which has just been described. But the presence of this valve has advantages of which it will be discussed.
On the one hand, it may happen that following an incident, the heating gases arrive through the flue 9 at an exceptionally high temperature, putting the tubes of the exchanger in danger. In this case, it will be possible, by an operation of the valve 25, to cut off the derivative communication between the pipe 1 and the manifold 27 and to establish a communication between the manifold 27 and a pipe 32 through which it will send in the bundle C, by any means known, a fluid more capable of cooling this bundle, either because it is colder than the fluid to be heated normally, or because it is at a higher pressure determining a greater flow speed in the tubes 28 and 29 and an
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corresponding improvement in heat transfer coefficient;
this fluid can also be of a different nature from that of the usual fluid to be heated,
On the other hand, it may happen accidentally that the flow of fluid to be heated through line 1 is interrupted, which would put all the tubes of the exchanger in danger of being burnt.
In this case, by a similar operation of the valve 25 and by closing a valve 33 interposed in the pipe 1, it is possible to send into the bundle C, through the pipe 32 and by any known means, a suitable fluid at the temperature and the pressure. that will be considered the most suitable, which fluid can fill the bundles A and B but will flow from the exchanger through line 8.
In the supposed case of an air reheater for a metallurgical furnace, this fluid could be, for example, cold air under high pressure, which will be routed to the furnace via line 8 as a backup while waiting. switching off the furnace or re-establishing the normal air supply via line 1. Thanks to the latitude available for the choice of the fluid thus sent through the beam C, the most suitable measures can be taken. effective for safeguarding the beam C as well as the other beams, both by cooling the heating gases by the beam C and by the negative heat radiation of this beam with respect to the neighboring tubes.
The cooling obtained by the C beam will also protect the walls of the chamber occupied by the heat exchanger,
As in the case of the heaters described above, heaters of the type shown in FIG. 5 may have more than two main beams. In this case, the fraction of fluid to be heated leaving the bundle C, instead of being routed to the outlet chamber 23, can be routed to any intermediate location between two of the successive main bundles, the
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sections of passage in the beam 0 then being calculated so that the fluid coming out of it is (or approximately) at the same pressure and as much as possible at the same temperature as the main fraction of the fluid to be heated at their meeting place .
Modifications can be made to the embodiments which have just been described, without necessarily departing from the scope of the invention. Especially; the low walls or baffles shown at 12 and 34 may not exist.
In particular also, the height of the bundles of the exchanger may be equal to or approximately equal to that of the flues 9 and 13.
Summary
1. An improved heat exchanger comprising a multiplicity of pairs of concentric tubes called: Field tubes, traversed internally by the heated fluid and bathed externally in the heating fluid, these pairs of tubes being arranged in parallel in several bundles through which the heated fluid passes. in series and in the opposite direction to the direction of circulation of the heating fluid, this exchanger being characterized by the fact that in the various pairs of tubes, the heated fluid first passes through the inner tube then the outer tube or blind tube, at the except for the pairs of tubes of the bundle which it passes through last, or the direction of its circulation is reversed.
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