Brevet FR2185779A1 — publié le 19740104

La présente invention concerne les générateurs de chaleur, notazïent e brande puissance égale ou supérieure à 1.000.000 cal/h, du type servant à produire, à partir d'une source de chaleur comportant un brûleur de combustible, un débit de fluide chaud, par exemple vapeur d'eau ou fluide thermique destiné à servir d'agent de transport de calories entre la source de chaleur et un milieu que l'on désire réchauffer sans l'exposer directement à cette source. Par extension, ce Générateur peut être utilisé pour le réchauffage direct 'un produit fluide en vue d'en assurer son traitement, sa distillation ou autre. Dans les applications mettant en oeuvre un fluide dit "thermique", que l'on peut chauffer sous pression atmosphérique à des températures très supérieures à 1UG v, il convient de réduire ou d'éliminer les risques de cokéfaction de ce fluide, ce qui conduit à aménager pour le brûleur, une vaste chambre de combustion, de manière à maintenir, au-dessous d'un certain seuil, la température des gaz chauds au moment de leur arrivée iir la Sl25l~e de l'échangeur dans lequel circule ce fluide. La présente invention a principalement pour objet de faciliter la construction, l'exploitation et l'entretien des générateur de chaleur du type sus-visé, d'en diminuer le coût et d'en réduire l'encombrement. L'invention propose, à cette fin, un générateur ce chaleur caractérisé par une paroi tubulaire entourant une chambre de combustion équipée d'un brûleur et dans laquelle circule un fluide à réchauffer, un tube de cette paroi contenant, sur au moins une partle de sa longueur, un ou plusieurs tubes de fumée parallèles, dont chacun communique, à travers l'épaisseur du tube de circulation de fluide, avec la chambre de combustion par une de ses extrémités et avec un espace de collectage de fumées par son extré ite opposée. Dans une telle disposition, la surface d'échange thermique entre fluide et gaz comprend, d'une part, une surface de paroi tubulaire, de forme lisse ou ondulée (le tube continu pouvant être de section carrée, rectangulaire ou circulaire), exposée au rayonnement dans la chambre de combustion et, d'autre part, 1' im- portant faisceau d'échange thermique par conduction et convection, que constituent les tubes de fumée logés à l'intérieur de cette paroi. Selon une disposition complémentaire, la surface de paroi tubulaire, opposée à celle tournée vers la chambre de combustion, est balayée par les gaz sortant des tubes de fumée, avant évacuation à la cheminée. Selon un mode de réalisation de l'invention, la paroi tubulaire comporte un tuDe continu, composé de tronçons raccordés bout à bout, et enroulé en hélice à spires jointives, à un ou plusieurs pas de forme circulaire ou autre, autour de l'axe de la chambre de combustion, chaque tronçon renfermant un ou plusieurs tubes de fumée du genre décrit ci-dessus. En fonctionnement, le brûleur est agencé pour former une flamme allongée dans l'axe de la chambre de combustion, et cette flamme alimente en parallèle les tubes de fumée, disposés transversalement par rapport à cet axe et étagés d'un bout à l'autre de la chambre de combustion. Ge mode de construction est particulièrement avantageux, car les soudures qu'il nécessite sont toutes directement accessibles, aussi bien les soudures en bout entre tronçons de tubes de circulation de fluide que celles qui relient ceux-ci aux deux extrémités des tubes de fumée. D'autre part, on peut fixer à volonté une longueur maximale de tubes de fumée, égale environ à celle d'un tronçon élémentaire de tube de circulation de fluide, et faciliter ainsi dans toute la mesure voulue le ramonage de l'appareil. Les objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront, par ailleurs, de la description qu'on va en donner ci-après visant des modes de réalisation choisis à titre d'exemples et représentés par les dessins annexés. Sur ces dessins, la figure 1 représente en coupe axiale verticale un appareil suivant l'invention la figure 2 représente une coupe transversale de cet appareil suivant la ligne II-II de la figure 1 la figure 3 représente une vue de détail de cet appareil les figure c 4 et 5 représentent en coupe transversale deux variantes. L'appareil représenté sur les figures 1 à 3 comporte une virole cylindrique 1 à axe vertical munie d'un fond en entonnoir Le fond 2 présente une ouverture centrale 4 aménagée pour recevoir un brailleur 5 symboliquement représenté par une flèche et monté dans l'axe vertical de l'appareil. L'enveloppe ainsi constituée est convenablement raidie et présente à cet effet des profilés verticaux b circonférentiellement répartis sur la face intérieure de la virole 1. Dans l'espace intérieur ainsi délimité se trouve un faisceau tubulaire formant échangeur de chaleur 7 et consistant, dans 1' exemple représenté, en une longueur de tube continu enroulé en hélice à spires jointives ou contiguës et formant une paroi tubulaire qui tapisse la face intérieure de l'enveloppe sur toute la hauteur de la virole ainsi que sur une partie du fond 2 et du toit 3. 'échangeur 7 est composé de tronçons de tube 8 raccordés bout à bout d'une extrémité à l'autre de l'enroulement en hélice. Chaque tronçons de tube, à profil circulaire en coupe transversale, est recourbé en arc de cercle et occupe un secteur d'hélice décrivant en plan un arc de 1800. Il s'ensuit que les soudures 9 entre tronçons se trouvent toutes dans un même plan axial vertical de trace A ' (figure 2), et se situent par alternance de part et d'autre de l'axe de l'appareil, en positions diamétralement opposées. Chaque tronçon de tube 8 renferme quatre tubes de fumée 10 ayant un profil circulaire en coupe transversale et représentés à plus grande échelle sur la figure 3. saque tube 10, recourDé en arc de cercle, longe le tronçon correspondant 8 sur la plus grande partie de sa longueur. il présente à une de ses extrémités un coudage lui permettant de traverser l'épaisseur du tube 8 pour déboucher par son orifice terminal 11 dans l'espace 12 délimité par la paroi tubulaire 7 et formant chambre de combustion. A son extrémité opposée, le tube 10 présente un coudage analogue par lequel il traverse l'épaisseur du tube 8 pour déboucher, par son orifice terminal 13, sur l'extérieur de la paroi tubulaire 7. Ainsi qu'il ressort d'un examen de la figure 2, les orifices Il assurant la communication de tous les tubes de futée 10 avec la chambre de combustion 12 sont tous dispqsés au voisinage du plan vertical axial A A' et situés du m8ee coé de l'axe vertical de l'appareil. tuant aux orifices 13 des tubes de fumée, ils sont tous situés de l'autre coté de cet axe et disposés au voisinage du méme plan axial vertical A et A'. Les orifices 13 débouchent sur une botte à fumées 14 qui longe la face extérieure de la virole I sur toute sa hauteur. L'échangeur 7 est pourvu d'une entrée de fluide 15 et d'une sortie de fluide 16 schématiquement représentées sur la figure 1. En fonctionnement, on alimente l'échangeur 7 en fluide à réchauffer, par exemple fluide thermique ou eau à vaporiser et on crée au moyen du brûleur 5 une flamme verticale dans l'axe de 1' appareil. Les gaz de combustion pénètrent dans les tubes de fumées 10 par les orifices 11, circulent le long de ces tubes et en sortent par les orifices 13 pour déboucher dans la botte à fumées 14 et s'évacuer dans l'atmosphère par l'intermédiaire-d'une cheminée non représentée. il se produit ainsi un échange de chaleur entre les gaz de combustion et le fluide circulant dans 1' échangeur 7, cet échange thermique étant réalisé d'une part par rayonnement sur la face intérieure de la paroi tubulaire 7 et, d'autre part, par conduction à travers l'épaisseur des tubes de fumée 10.La surface d'échange ainsi mise en jeu entre gaz et fluide est relativement très élevée par rapport à l'encombrement de l'appareil du fait de ce double mode d'échange par rayonnement et conduction et, surtout, à cause du montage des tubes de fumée 10 à l'intérieur de l'espace de circulation du fluide à réchauffer. La disposition de n tubes de fumées à l'intérieur des tubes de circulation de fluide peut ebtre variable. En particulier, les tubes peuvent être décentrés et reportés vers la génératrice extérieure des tubes foyer pour favoriser la circulation du fluide ctté flamme. Etant donné que le fluide circule toujours dans le même sens d'un bout à l'autre de l'enroulement à hélice (dans le sens horaire défini par la flèche F sur la figure 2), la circulation fluide-gaz se fait par alternance dans le sens méthodique et dans le sens antiméthodique le long des tronçons successifs 8. Dans le mode de réalisation de la figure, visant une variante, certains des éléments sont identiques ou analogues à ceux du mode de réalisation précédent et sont, par conséquent, représentés par les mêmes numéros d'indice. En particulier, les tronçons de tube 8 recourbés en demicercle sont raccordés bout à bout par des soudures 9 diamétralement opposées deux à deux situées dans un même plan axial vertical A A'. Les tubes de fumée 10 traversent l'épaisseur du tube d qui les abrite par des orifices Il débouchant dans la chambre de combustion 12 et par des oriic ic qui débouchent dans une bor- te à fumée 14 constituée, à la différence de la boîte à fumée précédemment décrite, par un espace annulaire ménagé entre la surface extériure de de l'échangeur ? et la face intérieure de la virole 1.Dans le cas de ce nouveau mode de réalisation, la virole 1 est composée d'une double épaisseur en tôle raidie intérieurement par des profilés verticaux 6. En outre, le mode ce réalisation de la figure diffère du précédent par le fait que, dans les tronçons succesifs , les orifices Il sont situés par alternance de part et d'autre de 1' axe de l'appareil, en des positions diamétralemeit opposées. Il en est de même des orifices de sortie 13, ce qui permet de mieux répartir les fumées dans la boîte à fumées annulaire 14. Bes fumées sortant des tunes 10 balaient la surface extérieure de la paroi tubulaire 7 avant de s'évacuer à l'atmosphère et cette paroi extérieure contite donc elle aussi surface d'échange thermique, ce qui procure un certain avantage par rapport au mode de réalisation des figures 1 et 2. Xe ode de de réalisation de la figure 5 porte sur une autre variante qui comporte en commun avec celui de la figure ~ une bote a flllnées 14 de forme annulaire entourant la surface extérieure de l'échangeur 7 sur tout son pourtour. Sur la figure 5, les spires tubulaires enroulées sur les hélices présentent en plan la forme d'un carré arrondi aux quatre coins et la longueur de tube continu formant la paroi tubulaire 7 est composée de tronçons 8 soudés bout à bout qui présentent en plan la forme d'un coude dont les deux branches sont disposées d'équerre l'une par rapport à l'autre. il résulte de cette disposition que les soudures 9 entre tronçons de tube, deux fois plus nombreuses que dans les modes de réalisation précédents, sont situées les unes dans un plan vertical axial k ' et les autres dans un plan vertical axial B B'perpendiculaire au précédent, les soudures 9 de chacun de ces plans étant diamétralement opposées les unes aux autres. A nombre égal de tubes de fumée 10 logés dans chaque tron çon, les orifices Il et 17 de ces tubes sont eux aussi deux fois plus nombreux que dans les modes de réalisation précédents et occupent des positions diamétralement opposées aussi bien au voisinage du plan A A' que du plan B B'. Il s'ensuit de cette disposition que les fumées débouchent dans la boîte à fumées 14 en quatre emplacements différents et s'y trouvent ainsi mieux répar ties. Il résulte des dispositions de ces deux derniers modes de réalisation (figure 4 et 5) que la circulation (fluide-fumées) se fait dans le même sens, méthodique ou antiméthodique d'un bout à l'autre de l'enroulement en hélice formant paroi tubulaire 7. xien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés. Ceux-ci pourront faire 1' objet de diverses variantes et modifications de détail sans sortir pour autant du cadre de cette invention. C'est ainsi que les dispositions, concernant l'aménagement d'une paroi tubulaire délimitant une chambre de combustion et composée de tubes de circulation de fluide dans lesquels sont disposés des tubes de fumée, s'appliquent également au cas où les tubes de circulation de fluide sont rectilignes et disposés par exemple suivant les génératrices d'une virole cylindrique. La paroi tubulaire peut, d'autre part, être scindée en plusieurs circuits étagés alimentés séparément par des pompes de circulation indépendantes ou disposées en séries avec pompes de circulation intermédiaires. AJ ICAt'I0 - 1) Générateur de chaleur du type adapté à réchauffer un fluide à l'aide d'une source de chaleur comportant un brûleur, caractérisé par une paroi tubulaire entourant une chambre de combustion et dans laquelle circule le fluide à réchauffer, un tube de cette paroi contenant, sur au moins une partie de sa longueur, au moins un tube de fumée parallèle traversant à ses deux extrémités l'épaisseur du tube de circulation de fluide pour communiquer d'une part avec la chambre de combustion et d'autre part avec un espace de collectage de fumées. 2) Générateur de chaleur suivant la revendication 1 dans lequel un tube de fumée présente à chacune de ses extrémités un coudage à angle droit, les branches coudées ainsi formées traversant l'épaisseur du tube de circulation de fluide correspondant et étant fixées à celui-ci par soudage. 3) Générateur de chaleur suivant la revendication 1 ou 2 dont la paroi tubulaire comporte un tuDe continu composé de tronçons raccordés bout à bout enroulés en hélice à spires jointives autour de l'axe de la chambre de combustion, un tronçon renfermant un ou plusieurs tubes de fumée précités. 4) Générateur de chaleur suivant la revendication 3 équipé d'un bradeur agencé pour former une flamme allongée dans l'axe de la chambre de combustion pour alimenter en parallèle les tunes de fumée disposés transversalement par rapport à l'axe et étagés d' un uout à l'autre de la chambre de combustion. 5) Générateur de chaleur suivant la revendication 3 ou 4 dans lequel chaque tronçon de tube recouroé en arc de cercle décrit un angle de 1800, les tronçons étant raccordés les uns aux autres par des soudures situées toutes dans un même plan axial du genérateur et disposées par alternance de part et d'autre de son axe. 6) Générateur de chaleur suivant la revendication 5 dont les tuDes de fumée communiquent avec la chambre de combustion par des orifices terminaux situés au voisinage du plan axial précité et disposes d'un meme côté de l'axe de l'appareil, les orifices de sortie des dits tubes de fumée étant disposés du côté opposé au voisinage du meme plan axial et débouchant dans un espace de collectage de fumées de forme allongée, parallèle à l'axe de l'appareil. 7) Générateur de chaleur suivant la revendication 5 dont les tuties de fumée communiquent avec la chambre de combustion par des orifices situés au voisinage du plan axial precite et disposés par alternante de part et d'autre de l'axe de l'appareil, les orifices de sortie des dits tunes de fumée étant eux aussi situés par alternance de part et d'autre de cet awe au voisinage de ce plan axial et débouchant dans un espace de fumée de forme annulaire entourant la paroi tubulaire. 8) te orateur de chaleur suivant la revendication 3 dont chaque spire d'hélice comporte plus de deux tronçons de tuue de circulation de fluide, l'espace de collectage de fumes étant constitue par une chamure annulaire entourant la paroi tubulaire. 9) wenerateur de chaleur suivant la revendication 8, dont les spires tumulaires présentent en plaii sransversal la forme d' un carré arrondi aux quatre coins, chaque spire étant composée de quatre tronçons présentant chacun la forme d'un coude dont les deux branches sont disposées d'équerre l'une par rapport à l'autre, les soudures de raccordement entre tronçons de tube étant situées dans deux plans axiaux perpendiculaires l'un à l'autre et disposées de part et d'autre de l'axe de l'appareil dans chacun de ces plans. 10) Générateur de chaleur suivant une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un tube de fumées ou ensemble de tubes de fumées est décentré par rapport au tube de circulation de fluide qui l'abrite, dans le sens requis pour favoriser la circulation dudit fluide le long de la face de paroi tubulaire tournée vers la chambre de combustion.