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Appareil pour échange thermique entre deux milieux fluides.
La présente invention se rapporte à un appareil d'échange thermique destiné en particulier au préchauffage de l'air à l'aide des gaz de combustion, mais qui péut égale- ment être utilisé pour d'autres milieux fluides. Dans un but de simplicité, l'appareil n'est décrit dans ce qui suit que sous le rapport du préchauffage de l'air.
Le but de la présente invention est d'obtenir un échangeur thermique présentant de bonnes propriétés techniques, en utilisant des éléments constructifs simples. Les propriétés techniques recherchées dans un réchauffeur d'air sont.par ex- emple : un bon rendement en température, d'une part de l'air,
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d'autre part des gaz, lors du passage dans le réchauffeur d'air, tandis que la chute de pression de l'air ainsi que la perte de tirage dos gaz au passage doivent être faibles.
Par rendement en température de l'air, on entend le rapport entre l'accroissement de la température de l'air obtenu dans le réchauffeur et la différence de température entre l'air etles gaz il' entrée cu réchauffeur. Le rendement en température des gaz est le rapport entre lachute detempé- rature des gaz dans le réchauffeur et la différence de tem- pérature entre l'air et les gaz à l'entrée du réchauffeur.
Ainsi, les rendements en température sont une mesure de l'échauffement de l'air et du refroidissement des gaz, par rapport à l'échauffement et au refroidissement théoriquement possibles. Dans le nouvel appareil, on peut obtenir tous les rendements en température, depuis les plusfaibles jusqu'aux plus levés, tandis que la chute de pression de l'air et la perte de tirage des gaz peuvent être faibles.
La surface chauffante de l'appareil consiste en un certain nombre de tubes, qui sont recourbés et fixés de manière telle que chacun d'eux puisse se dilater, indépen- damment des tubes voisins, ce qui constitue un grand avan- tage pour les réchauffeurs d'air, qui fonctionnent la plupart du temps sous des températures élevées et Grès variables tantpour l'air que pour les gaz. L'air circule à l'intérieur des tubes, tandis que les gaz circulent à l'extérieur de ceux-ci. L'appareil est construit de telle manière que les gaz et l'air circulent dans toutes les parties de l'appareil en se croisant, l'aide d'au moins deux compartiments pour les gaz et de deux compartiments pour l'air, l'appareil fonctionne d'autre part partiellement comme un appareil à contre-courants.
Si plusieurs appareils sont accouplés, on obtient des conditions correspondant aux avantages des appareils à courants croisés aussi bien qu'à contre-courants. Ce dis-
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positif est à utiliser de préférence lorsque l'on désire obtenir des rendements en température très élevés, comme par exemple, dans le cas des foyers au charbon pulvérisé.
Les avantages de la transmission à courants croisés sont entre autres que le coefficient de transmission de chaleur entre les gaz et la paroi du tube est élevé à une certaine vitesse. L'avantage de la circulation à contre- courants' est que l'on obtient dans le-cas du contre-courant pur la différence de température maximum entre le gaz et l'air,. pendant toute la durée de la transmission. La quantité de chaleur transférée des gaz à l'air est déterminée par l'équation
Q, = k x tm x F dans laquelle k est le coefficient de transmission entre les gaz et l'air, tm la différence de température entre les gaz et l'air, et F la surface de transmission de chaleur ; meilleur résultat,est donc'obtenu avec.des valeurs élevées. du coefficient de transmission de chaleur et de la différence de température.
Un autre avantage de la construction est. que les gaz se refroidissent dans le réchauffeur d'air; de telle ma nière que la température de ce dernier reste sensiblement constante à la sortie. On arrive de cette manière à éviter la formation d'espaces "morts" dans le réchauffeur, et c'est pourquoi la combinaison de la circulation à courants croisés et à contre-courants est intéressante, Dans les réchauffeurs d'air tubulaires connus jusqu'à présent, il est de règle que les gaz de combustion circulent à l'intérieur des tubes, et l'air à l'extérieur de ceux-ci. Dans les réalisations de ce genre, certaines parties de la surface chauffante ne sont pas utilisées, par suite d'espaces "morts" semblables.
Voir à ce sujet "Die Luftverwarmung im Dampfkesselbetrieb" par Wilhelm Gumz, page 226, éditeur Otto Spamer, Leipzig,I933.
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En étudiant une section horizontale ou une couche mince située dans le haut du rschauffeur, on constate que du côté gauche du réchauffeur d'air, les gaz rencontrent l'air le plus chaud., tandis que du cô té droit ils rencontrent l' .air le plus froid. Si l'on compare cette section avec une autre section située un peu plus bas, on constate que les gaz rencontrent, du gauche, de l'air légèrementmoins échauf- fé, tandis que du côté droit ils rencontrent de l'air légère- ment plus chaud que dans la section supérieure. La même con- statation peut se faire pour toute section située en-dessous de la précédente.
Le refroidissement des gaz et l'échauffe- ment de l'air deviennent donc sensiblement constants dans les différentes sections du réchauffeur du côté des gaz, c'est- à-direque la somme de la température de !',air entrant et de celle de l'air sortant, pour une même section, devient pres- que constante. il ne se forme donc aucun coin froid¯ dans le réchauffeur. Une conséquence de l'apparition de tels coins froids est que les gaz peuvent être refroidis en dessous du point de rosée, ce qui. provoque de la condensation sur la surface, qui se corrode de ce faitpar la rouille.
De plus, l'appareil est construit de telle manière que des plaques de guidage puissent être aisément insérées dans des chambres d'inversion pour les gaz de combustion de manière à pouvoir diriger ceux-ci à volonté dans l'une ou l'autre conduite. Différents types de réchauffours d'air tubulaires sont représentés aux pages 150 à 155 du livre venant d'être mentionné.
La plupart des appareils d'ancienne construction ont ceci de commun que tous les tubes sont droits, et sertis ou. bien soudés à des plaques terminales. Cette construction est évidemment extrêmement désavantageuse au point de vue de la dilatation. Il est bien évident qu'il existe prsticuement toujours une certaine différence de tem- pérature entre les différents, tubes parcourus par les gaz ainsi qu'entre Indifférents points de l'air circulant autour
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de ceux-ci.
Il en résulte que la température des parois et par conséquent la dilatation des tubes devient inégale.
Comme tous les tubes sont fixés entre les mêmes plaques, des tensions très importantes prennent naissance aussi bien dans les plaques que dans les tubes.
Toutes tensions semblables sont évitées par la présente invention.
L'échangeur thermique dont il s'agit ici est'ré ali- sé d'autre part de telle manière qu'un dispositif.de ramona- ge puisse être aisément installé, de façon à maintenir l' exté- rieur des tubes très propres. L'intérieur des tubes est par- couru par de l'air propre. Par conséquent, il n'est pas né- cessaire de prévoir un dispositif fixe de ramonage pour con- server propre l'intérieur des tubes, en cours de fonctionne- ment.
Les figures ci-jointes représentent quelques réali- sations différentes de réchauffeurs d'air conformes à la présente invention.
La figure 1 est une vue latérale d'une de ces réali- sations;'les figures 2 et 3 sont respectivement des coupes selon les lignes II-II et III-III de la figure 1. La figure 4 représente, à une plus grande échelle, une partie de la fig.3.
Les figures 5 et 5 a représentent une variante de la réalisation précédente. La fig. 5 représente une coupe verticale de la fig. 5a, laquelle est une vue latérale de cette variante. Toutefois, une coupe horizontale dans la fig.
5a se présenterait comme la figure 3.
Les .figures 6,7 et 8 représentent, de manière ana- logue aux figures 1, 2 et 3, une troisième réalisation de l' invention. Les chiffres romains concordent avec les numéros des figures correspondant aux différentes coupes.
Les figures 9,10 et 11 représentent de manière analogue une vue latérale et diverses coupes d'une autre réalisation.
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Les groupes de figures 12, 13 et 14, 15, 16 et 17, ainsi eue 18, 19 et 20 représentent chacun une vue latérale et des coupes d'autres réalisations, de manière analogue aux figures précédentes.
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Les fi3 m 2i a 26 représentent encore deux autres réalisations de l'Invention, La fleure 21 est une coupe ver-
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'-*cale, la figure 22 une vue 3D bout de la fig. 23 une vue en plan de la premiers da 1¯di-Ci, tandis oue les figures 24, 25 et 26 représentent de manière similaire la deuxième réalisation.
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Comme on 1a déju signale, 19 surface chauffante du. réchauffeur consiste en un certain nombre tie tubes l, lesouels, comme lemontre par exemple la figure 2, sont courbésen forme de U. Ces tubes sont enfermés dans une enveloppe 2, compor-
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tant deux séparations 3 ot 4. Lc paroi 3 est située à. la par- tie supérieure du. réchauffeur, et est parallèle a. la face su- périeure de l'enveloppe, tandis Que la paroi 4 est 3eT'-J'iîQi.CLl- laire a la précédente, 1"t'JS=:,aCe supérieur est donc divisé en deux conduits 6 et 7.
En dessous de la paroi 3, le paroi 4 se termine à une certaine distance du ::.as de --qCl?vClOJ-:e9 de sorte qu'un conduit 8-9 en forme de U est constitué dans cette chambre, une partie de ce conduit étant limitée vers le bas par une paroi 5.
La paroi 4 étant intercalée entre les deux moitiés des tubes et la paroi 5 séparant la chambre de droite dans le bas, chacun des deux groupes de moitiés de tubes est situé dans une partie séparée des conduits 8 et '9. L'air à échauffer circule dans les conduits 6 et 7, dans le sens des flèches, ainsi- que dans les tubes 1, et les gaz, ou dans le cas présent le milieu générateur de chaleur, circule dans la
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direction des flèches dans les conduits 8 et 9, c'est-à-dire perpendiculairement aux plans des tubes en U.
La paroi 5 comporte pour chacune des branches des
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tubes situées à droite de la paroi 4 un orifice de passage dans lequel le tube peut se déplacer, de telle manière aue les tu- bes peuvent être démontés et replacés trè.s aisément..
On constate en examinant les figures que les gaz et l'air circulent à courants croisés, c'est-à-dire à angles droits, dans toutes les parties de l'appareil. Celui-ci étant divisé, comme on l'a décrit, en deux compartiments, aussi bien pour l'air que pour les gaz, le réchauffeur fonctionne également en partie comme un appareil à contre-courants. Les tubes 1 sont disposés en rayées perpendiculaires à la direc tion de circulation du milieu extérieur et ce de telle manière que les tubes de chaque rangée soient décalés d'un demi inter- valle par rapport à ceux de la rangée précédente, dans le but d'être mieux balayés par le fluide chauffant ..'Pour empêcher les gaz d'emprunter le chemin compris entre les branches des U, derrière les tubes 1, des plaques de guidage 12 sont pré- vues entre les branches.
La dernière des plaques de.guidage 12 ainsi que certains des tubes, mis en coupe, sont représen- tés à la figure 4. Ces plaques'de guidage peuvent être in- clinées, comme représenté en pointillé à la.figure 3, dans le but de faciliter le soufflage des tubes , à l'aide d'un dis- positif approprié à cet usage. L'ajustage de ce dispositif est représenté en 2a. Grâce à ce dispositif,.les tubes peu- vent être soumis à une balayage en direction oblique, puisque les plaques de guidage peuvent être inclinées.
La réalisation représentée par les figures 5 et 5a diffère de celle venant d'être décrite par le fait que les conduits d'entrée et de sortie 6 et 7 sont remplacés par deux tubes.6* et 7a, ce qui simplifie la construction et rend l' appareil mieux approprié aux pressions élevées, ce qui peut avoir de l'importance pour certains milieux.
Dans la réalisation conforme aux figures 6 à 8, les extrémités des tubes en U sont repliées vers l'extérieur, et aboutissent dans les conduits d'entrée et de sortie 6 et
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situées sur les côtésde l'enveloppe. La paroi 5 pout être remplacée, ci# variante, par une paroi 5a, constituent le prolongement ce la paroi 4.
Dans la réalisation conforme aux figures 9 et 10, deux appareils ont été accouplés, de manière à fonction er comme un appareil unicue. Dans ce cas, l'air ainsi que le gaz circulent en zig-zag, comme l'indiquent les flèches. On peut voir clairement par les figures 10 et 11 dequelle menière sont disposées les parois de séparation 3 et 4 pour imprimer au milieu chauffant la direction désirée.
La paroi 4a rempla- ce les faces accolées des éléments individuels, Bais ne se pro- longe pas au-dessus de la paroi 3, de manière à ménager une chambre 13, constituant une connection entre les tubes en U du premier élément et ceux du second. Si plusieurs éléments sont accouplés de cette manière en série, l'élévation de tempé- rature de l'air et la chute de température des gaz peuventêtre considérables, et l'appareil atteintun rendementélevé. La chambre 13 peut toutefois être supprimée, et les tubes en U peuvent être remplacés par de longs tubes courbés en zig-zag.
La figure 20 représente des tubes disposés de cette manière, et qui correspondent donc aux tubes en U.
Deux ou plusieurs éléments peuvent être connectés en parallèle au lieu de l'être en série ; dans ce cas la chute de pression de l'air devient moindre. Si l'air circule alors de telle manière qu'il attaque les groupes de tubes par une extrémité, c'est-à-dire parallèlement au plan des tubes en U (voir figure suivante) la paroi 4 peut être supprimée.
La réalisation selon les figures 12 à 14 diffère principalement de celles décrites précédemment par le fait que les orifices d'entrée et de sortie des gaz sont situés sur la face longitudinale de l'appareil, de sorte que les gaz attaquent les tubes parallèlement au plan du U constitué par ceux-ci.
Le sens de circulation des gaz est indiqué par les flèches a.
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L'appareil peut également être construit de telle manière que l'orifice d'entrée des gaz soit situé au milieu de la face lon- gitudinale par laquelle les tubes doivent dans ce cas être démontés et que les gaz soient dirigés grâce à des écrans dans les deux directions à partir des orifices, d'entrée, qu'ils renversent leur sens de circulation aux deux extrémités . et quittent l'appareil par l'autre côté longitudinal'..
Dans la réalisation conforme aux figures 15 à 17, l'appareil a une profondeur réduite, par rapport à ceux ve- nant d'être décrits, mais est par contre allongé dans le sens longitudinal; les gaz pénètrent par une extrémité, et sortent par le côté opposé, D'autre part, le conduit des gaz est en forme de S ; part de l'orifice d'entrée, passe au-dessus d' une cloison 15, revient par dessous cette cloison, et une autre cloison 16, puis revient dans le sens opposé par dessus cette dernière cloison 16 et se dirige vers l'orifice de sor- tie, Cette réalisation est représentée à la fig..16 comme étant munie de deux ajutages 2a pour le ramonage.
Dans les appareils dont la profondeur est faible par rapport à la largeur, il peut être nécessaire de prévoir .un écran pour les tubes courts, dans le but d'obtenir une tem- pérature uniforme de l'air sortant, ou du fluide correspondant.
De plus, les tubes sont connectés dans l'enveloppe de telle manière qu'il soit possible d'obtenir des orifices d'entrée bien arrondis, par exemple en prévoyant des bagues devant les tubes.
Dans la réalisation conforme aux figures 18 à '20, les orifices d'entrée et de sortie des gaz sont situés du côté in- férieur de l'appareil, et les'tubulures d'entrée et de sort'ie de l'air sont'disposées dans la paroi verticale de l'appareil; la réalisation diffère de celle correspondant aux figures 5 et 5a par le fait qu'on lui a imprimé une rotation d'un quart . de tour. De plus, elle comporte'une différence essentielle, en ce sens que les tubes en U ent été remplacés par des tubes
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recourbes en S, divises en deux Groupes, situés de part et d' autre de la paroi 4. Cette paroi est munie de plaques de gui- dage 12, comme on l'a indicué précédemment.
Grâce à l'utilisa- tion de ces tubes en S', la longueur de tous les tubes devient la même, et par conséquent la résistance qu'ils opposant au passage du fluide devient égale pour tous les tubes.
Une caractéristique commune à tous les appareils venant d'être décrits, et qui a déjà été soulignée en citant les avantages de la présente invention, est que chacun des tubes peut se dilater librement, grâce au fait que ses deux extrémitéssontfixéesdu mêmecôtéde laboucle qu'il consti- tue, Il est bien certain que l'autre extrémité de la boucle se déplace également;, mais il suffit, pour qu'elle puisse le faire librement, de prévoir un espace libre suffisant dans l'
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appareil.
D'autre 9art, Ceci ¯É'c^,llSSti0lîG C.'G,üO't7tC:.ilt Çue appareil fonctionnede manière combinée, en courants croisés ainsi qu'en contre-courants. Ceci apparaît fot clairement dans les figures 10 et 11.
On constate par ces figures que le principe du contre-courant est respecté, pour autant que le fluide ' qui se refroidit (c'est-à-dire 'le fluide apportant la chaleur ) quitte l'appareil du même cô té de l'appareil qu' entre le fluide froid (c'est-à-dire celui qui absorbe la cha- leur), et vice versa.
Un autre avantage de cet appareil est que l'un quel- conque des tubes en U peut être retiré, par exemple Gens le ;lui: d'être remplacé par un nouveau. Il suffitsimplement de reti- rer celui ou ceux des tubes qui sont situés dans le même plan que celui à remplacer, à l'extérieur de celui-ci.
L'appareil peut également êtreutilisé pour trans- mettre de la chaleur à partir de vapeurs,par exemple de la vapeur d'eau, à de l'air ou à un autre milieu: dans ce cas, on fait passer le fluide émetteur de chaleur dans les tubes 1 et la, qu'entoure le milieu absorbant la chaleur.
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L'appareil peut également être utilisé pour les échangeursthermiques entre liquides,
Les réalisations décrites dans ce qui précède peu- vent également être exécutées de telle manière que le milieu absorbant la chaleur, par exemple l'air, soit prélevé en deux ou en plusieurs points de l'échangeur, le long du cir- cuit du milieu chauffant, de telle manière que du fluide chauffé à des températures différentes, par exemple de l'air à une température déterminée, convenant comme air primaire pour une chaudière, et de l'air à une température considérablement supérieure, convenant comme air secondaire pour une chaudière, puisse être obtenu.
L'échangeur thermique peut également être utilisé pour d'autres milieux gazeux que l'air et les gaz de combus- tion. Toutefois, dans un but de simplification, l'appareil, comme dans le cas précédent, sera décrit uniquement en tant que réchauffeur d'air.
Les réchauffeurs d'air des types connus jusqu'à présent sont construits de telle manière que dans certains d' entre eux il n'est pas possible, tandis que dans d'autres il n'a pas été estimé intéressant d'obtenir de l'air secondaire à une température supérieure à celle de l'air primaire. Par conséquent, dans les installations.de; cette espèce, tout l'air nécessaire à la combustion n'est chauffé que jusqu'à 100 ou 150 environ.
Dans les chaudières au charbon vulcanisé, dans les- quelles la quantité d'air secondaire est'considérablement plus importante que la quantité d'air primaire (c'est-à-dire l'air servant-à véhiculer la poussière de charbon), l'air combinant est habituellement préchauffé jusqu'à une tempéra- ture nettement plus élevée que 100' à 150 , et atteint sou- vent 200 à 400 C, s'il est possible d'arriver à cette tempé- rature.
Ces températures élevées peuvent être utilisées. avantageusement pour l'air secondaire, mais non pour l'air
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servant au transport du char:,on. Par conséquent, dans les chaudières au charbon pulvérisé, seul l'air secondaire est ré- chauffé, et l'air primaire est utilise sans préchauffage, ou encore, on cet forcé de réchauffer d'abord l'air destiné au transport du charbon à la même température que l'air secon- daire, puis de le refroidir en le diluant avec de l'air froid jusqu'à la température requise.
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Les fi3ures 21 à. 26 montrent comment l'jnvenbion peut être mise à, profit pour obtenir simultanément et dans le même appareil, différentes températures du fluide chauffé.
Dans les figures 21 à 23, les orifices d'entrée et de sortie des gaz de combustion sont désignés respectivement par 8 et 9, comme précédemment. L'enveloppe contient trois groupes de tubes a, b et c, chacun de ces groupes étant muni d'une tubulure 7 d'admission d'air froid et d'une tubulure 8 de sortie de l'air chaud. Comme le montre la figure 23,les entrées et les sorties de deux des groupés de tubes (voir flèches en trait plein) sont réunies par un conduit, de telle manière que l'air circule parallèlement dans tous les groupes.
L'entrée commune est indiquée en 21, et la sortie commune en 22. Le troisième groupe est situé du côté de l'entrée des gaz, donc de l'endroit où ceux-ci sontle plus chaud. L'air doit de préférence traverser les tubes selon le sens indiqué par les flèches en traits pleins, la circulation à contre - courants étant partiellement obtenue dans l'appareil. Toute- fois, les deux fluides peuvent également circuler partielle- ment dans le même sens, conformément aux lignes en traits in- terrompus . Ces deux dispositions peuvent également être com- binées.
Le réchauffeur d'air conforme aux figures 21 à 23 est destiné principalement à être utilisé dns les installations dans lesquelles l'air primaire seulement doit être chauffé à 100 ou 1500 environ, mais dans lesquelles la température de l' air secondaire doit être aussi élevée que possible, et dans
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lesquelles la quantité d'air primaire, est considérablement supérieur à la quantité d'air secondaire, par exemple les chaudières chauffées à la main. Dans ce type d'installations, ainsi que lorsque différentes espèces de combustibles, les- quels nécessitent des quantités différentes d'air secondaire, doivent être brûlés dans un même foyer, en différentes cir- constances, le conduit reliant la tubulure d'air secondaire et la tubulure d'air primaire doit être muni d'un clapet de réglage,.
Ce conduit, qui est représenté en 23, est figuré en pointillé,., Il est utilisé lorsque la quantité d'air secon- daire requise par la chaudière est insignifiante par rapport à celle utilisée en circonstances normales, et sert dans ce cas à admettreune partie de l'air secondaire dans la tubulure d'air primaire. De cette manière, la partie du réchauffeur qui est prévue pour les'températures les plus élevées est toujours complètement utilisée, même lorsque'la quantité d' air secondaire exigée par la chaudière est relativement faible.
On suppose à priori, dans ce cas, que l'appareil est construit de telle manière que la pression statique dans la tubulure d'air secondaire est plus élevée que celle régnant dans la tubulure d'air primaire.. Le conduit reliant ces deux tubu- lures peut être prévu soit à l'intérieur,' soit à l'extérieur du réchauffeur d'air...
Si le réchauffeur doit par exemple être utilisé dans une chaudière au charbon pulvérisé, dans laquelle, com- me on l'a mentionné précédemment, la quantité d'air secon- daire est considérablement supérieure à celle de l'air pri- maire, et doit être chauffée à une température considérable- ment plus élevée que cette dernière, un dispositif analogue à celui représenté par les figures 24 à 26 .est particulière- ment indiqué. Dans ce réchauffeur, qui consiste en deux groupes de tubes a et b, tout l'air nécessaire à la combus- tion traverse le premier groupe a, entraîné par un ventilateur
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L'air primaire passe du premier groupe de tubes a vers la chaudière (non représentée) par la tubulure d'air chaud 6.
L'air secondaire passe dans le second groupe b par un clapet 26, et continue à être échauffe. Bien entendu, l'air secon- daire peut également être prélevé par la tubulure6 du pre- mier groupe 9, et être envoyé dans le second. groupe de tubes b à l'aide d'un ventilateur distinct. Dans les figures 24 a.
26, l'air secondaire circule de la manière mentionnée en der- nier lieu, c'est-à-dire en traversant en série les deux groupes a etb.
Le réchauffeur peuttoutefois être compose d'un plus grand nombre de groupes de tubes que le représentent les figures ci-jointes (soit trois groupes pour les figures 21 à 23, etdeux groupes pour les figures 24 à 26); le mini- mum est deux groupes, à travers lesquels l'air primaire ainsi que l'air secondaire peuvent circuler, en parallèle ou en sé- rie, et partiellement en contre-courants ou partiellement dans la même direction par rapport aux gaz de combustion..
Le même nombre detubes estreprésenté dans chacun desdif- férents groupes. Les groupes peuvent toutefois comporter des nombres différents de tubes, si besoin est.
La description qui précède s'applique aux installa- tions de chaudières à vapeur devant de préférence être ali- mentées en air à différentes températures, Rien n'empêche cependant de disposer le réchauffeur de manière :', pouvoir 1' utiliser pour d'autres buts où des températures différentes doivent être obtenues. Par exemple, le réchauffeur peut être utilisé pour produire de l'air chaud, pour chauffer des lo- caux, soit seul, soit en combinaison avec la production d' air chaud destiné à des chaudières à vapeur.
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