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BREVET D' INVENTION monsieur Adolf BARTSCH - Ingénieur 5, Landsbergerstrasse, Halle an der Saale (Allemagne) "PROCEDE ET APPAREILLAGE POUR LA PRODUCTION RAPIDE DE VAPEUR"
La présente invention a pour objet un procédé et un appareillage pour la production rapide et sans danger de va- peur, à toutes températures et pressions,dans lesquels l'eau d'alimentation est/vaporisée sous forme pulvérisée dans un pulvérisateur-vaporisateur rotatif disposé extérieurement à la chaudière.
L'invention vise essentiellement les objectifs ci-après:
L'installation assurera la production de vapeùr pour la force motrice, le chauffage, la cuisson, le séchage, etc, sans danger d'explosion, sensiblement de façon aussi rapide, qu'un moteur produit de la force motrice. En outre, l'instal... lation assurera en même temps les besoins en force motrice et en chaleur d'une exploitation. L'installation suivant l'invention, tout en ayant un rendement de vaporisation très élevé présente un encombrement réduit; en raison de la vaporisationrapide, automatique, de grandes masses d'eau jouant accumulateur de chaleur ne 'sont pas nécessaires.
Ainsi que l'indique la disposition constructive repré- sentée à titre d'exemple eu dessin .annexé, l'installation comporte essentiellement un faisceau de tubes chauffés et un
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groupe "force motrice" et"alimetation", (figs. 1 et, 3).
Fig. 3 est une vue d'un,- détail.
Le groupe de force motrice à vapeur 1 (turbine ou machine à vapeur) peut présenter toute forme et boute grandeur; ou bien ses dimensions sont telles qu'il sert uniquement à' la commande du groupe "alimentation", ou bien eocre son im- portance lui permet de céder de l'énergie mécanique, par exem- ple lorsqu'il est accouple à une dynamo. Ce groupe peut fonc¯ tionner à condensation, ou encore la vapeur de la décharge (ou éventuellement prélevée) peut être réemployée à une ten- sion quelconque pour le chauffage,, la cuisson, le séchage, etc..
Le retour des produits de condensation à l'alimentation est, en tous cas, aisément réalisé.
La figure 1 montre en coupe longitudinale et médiane, et la figure 2 montre, de face, extérieurement dans sa moitié de gauche et en coupe transversale et médiane dans sa moitié de droite, un faisceau de tubes de chauffe. monté sur une plaque 1 assemblée de façon amovible, 'lui se compose de plusieurs séries d'éléments tubulaires 2 et 9. Dans cet exem- ple, les tubes -8 constituent des éléments de surchauffe de la vapeur de circulation et d'utilisation, tandis que les tubes9forment réchauffeur d'eau.
Le nombre des éléments tubulaires ±. et .±!. peut être quel- conque, non seulement dans une disposition superposée mais aussi dans une disposition adjacente. Les coudes do retour antérieures, 10, sont montés amovibles, de préférence à vissage, ,en vue du nettoyage intérieur et 'de la facilité de remplacement des éléments tubulaires..
L'alimentation en vapeur et en eau, de même que le rassemblement de la vapeur et de l'eau pour les séries d'éléments, s'effectuent avantageusement par des boîtes de distribution également amovibles, Il et 13, et des collecteurs, 12 et ¯14, lorsque l'échauffement(de la vapeur et de l'eau) s'obtient'à contre-courant des gaz de foyer 1,5.Le foyer principal 16est. entouré, en dessous et
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latéralement, par un réchauffeur d'eau 17, à l'avant par la paroi avant18 et à l'arrière par la, paroi arrière 19.
Les deux parois. ¯18 et 19 sont refroidies à l'eau et isolées du côté foyer, avantageusement par un revêtement de chamotte ou de briques réfractaires. '
Les combustibles liquides, gazeux ou pulvérulents (les premiers éventuellement pulvérisés) introduits en 20 attei- gnent, en même temps que l'air de combustion, le foyer 16 pour y être brûlés. Les ga,z de combustion ba,layent les 'séries d'éléments tubulaires 8 et 9 pour leur céder de la chaleur, traversent le conduit des- fumées 21, balayent ensuite le réchauffeur d'eau supérieur 22, traversent le conduit de fumée 23 (fig. 2) pour lécher le réchauffeur d'air 24, passer au collecteur de fumées 25 et s'échappent à la cheminée 26.
Les réchauffeurs 17 et 22 peuvent être multi-séries tandis que le réchauffeur d'a-ir 24 peut être à compartiments multi- ples. Pour guider les gaz de combustion ou gaz des fumées, le réchauffeur 17 est constitué. dé tubes à ailettes et l'on prévoit en outre une cloison 35..
Extérieurement au foyer 16 on prévoit un foyer de mise en marche ou d'amorçage 27 qui est limité respectivement par le réchauffeur 17 et le réchauffeur 28, ainsi que la .paroi avant et la paroi arrière 18 et 19. Le chauffage préli- minaire peut s'obtenmr aussi bien par des combustibles liquides, gazeux ou pulvérulents, introduits en 29, que par du combustible solide 32 introduit, par la porte de foyer 30, sur la grille 31. L'introduction de l'air s'obtient dans le premier cas, avantageusement à l'aide d'un ventilateur, tandis que dans le second elle s'obtient automatiquement à l'aide du registre de réglage 33.
Les gaz du réchauffage préliminaire se rendent dans le conduit des fumées 23, en cédant de la chaleur aux .réchauffeurs 17 et 28, balayent ensuite le réchauf- feur d'air 24, traversent le collecteur des fumées 25 et s'échappent à la cheminée 26.
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L'appareil est muni d'une'couverture calorifuge facile- ment amovible, 34, avantageusement composée d'une couche en laine de verre garnie de tôle. La chemise à refroidissement d'eau des parois 18 et 19 est également utilisée comme réchauffeur d'eau, toutefois avantageusement sans pression, de façon que l'eau d'alimentation descende lentement ou encore que la pompe d'alimentation en essure la circulation, en totalité ou en partie seulèment.
L'eau échauffée dans les réchauffeurs précités s'écoule, du collecteur 14, en passant par le régulateur d'alimenta- tion 36, 37, 38 et 39, vers le pulvérisateur- vaporisateur rotatif 2; dans ce dernier, elle est mécaniquement' divisée par l'action de la force centrifuge en fines gouttelettes ou brouillard et mélangée intimement à de la vapeur surchauf- fée amenée du collecteur lE! au vaporisateur-. En raison de cet échange thermique direct, le brouillard d'eau est trans- formé immédiatement en vapèur.
Le corps tournant monté à rotation dans le vaporisateur 2 se compose d'un pulvérisa- tour à force centrifuge qui, outre les organes assurant la division de l'eau comporte encore, des nervures, des saillies, ailettes et analogues assurant l'aspiration de la vapeur sur- chauffée etson mélange avec le brouillard d'eau. Le pulvé- risateur-vaporisateur est'établi de manière à refouler rapi- dament le' brouillard de vapeur d'eau ou le mélange' eau-vapeur.
La vapeur formée au vaporisateur 2 traverse ensuite un séparateur-épurateur 40 qui, sous l'action de la force.centri- fuge, sépare de la sapeur les particules d'incrustations sous forme de poussière. En fait, cette poussière ne se forme que lorsqu'on alimente à l'eau! fraîche par suite de la vaporisa- tion de cette eau sous forme pulvérisée. En cas de remploi des eaux de condensation, cette épuration n'est nécessaire que pour l'eau fraîche supplémentairement introduite.
Pour assurer une vaporisation subséquente et une surchauf- fe, la vapeur-est alors conduite du pulvérisateur-vaporisateur 2 ou du séparateur 40 vers le faisceau des tubes de chauffe 8,
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dit ti ei v 1- c v OÙ/1 est rapidement surchauffée par circulation à contre- courant avec les gaz de combustion 15. Les tubes de surchauffe sont très largement calculés;
ils possèdent donc une grande surface, ce qui diminue la résistance à la transmission de la chaleur, Afin toutefois d'obliger la vapeur à circuler à grande vitesse, ce qui favorise l'absorption, de la chaleur, les tubes sont munis de moyaux 41 (fig. 3) qui ne laissent libre pour le passage qu'un espace annulaire relativement étroit. On obtient de cette façon une réduction considérable du parcours de la chaleur qui pénètre dans le courant de va- peur, et la transmission de la chaleur s'effectue ainsi d'une manière très rapide.
Là fig. 3 montre un. tube de l'espèce et, à titre de comparaison, un autre tube dépourvu de noyau. En pratique on pourrait également accélérer la transmission de la chaleur, en adoptant pour les tubes se trouvant du côté des gaz les plus chauds des diamètres plus faibles et en adoptant des diarnè tres plus grands pour les tubes qui se trouvent du côté des gaz les moins chauds; les .sections de l'écoulement gazeux dans les tubes décroissent alors proportionnellement à la chute de température et l'on obtient ainsi une vitesse de courant gazeux favorable. Quand les tubes présentent un même diamètre, on adopte une forme de foyer correspondante. La disposition précitée (fig. 3) peut égalements'appliquer aux tubes d'eau ou tout au moins à une partie d'entre eux.
Elle peut de même être employée d'une façon générale pour les réchauffeurs, les échangeurs de -température, les sur- chauffeurs et organes analogues.
De la vapeur surchauffée qui quitte le collecteur 12, une partie, ainsi qu'il a été dit plus haut, se rend au pulvérisateur-vaporisateur rotatif' 2; l'autre partie va à la machine motrice d'où, après avoir -cédé une partie de son énergie elle se' rend au condenseur ou autre récupérateur 43 de la vapeur de décharge.' Sur le trajet de la vapeur vers la
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machine 1, on peut intercaler un surchauffeur intermédiaire 44, avant oubaprès la soupape régulatrice de pression .45. Cette dernière a pour fonction, en. cas devariation, considérable de la consommation de vapeur, .de maintenir dans l'installation une pression de vapeur minimum.
Pour les besoins' en vapeur autres que ceux de la machine ];, on peut en prélever sous forme de vapeur surchauffée en 46ou sous forme de vapeur saturée en 47. On prévoit en ces points des soupapes régulatrices de pression (comme 45).
Quand les besoins en vapeur varient considérablement, et peuvent donner naissance à des à-coups de vapeur, on prévoit un accumulateur 48, toutefois agencé de manière que. la vapeur produite en excès s'y rende en passant par une soupape' de sur- pression 49 et que cette vapeur surchauffe fortement, l'eau du dit accumulateur, de sorte que lors d'une chute de pression brusque, de la vapeur de tour 48 puisse repasser 'en traversantune anne 50, dans l'installation et ce, autant que possible par 11-8-12 afin d'obtenir un nouveau surchauffage.
La vapeur en excès peut aussi bien être conduite de 11 que de 12, ou d'un autre point approprié, vers 48. La référence 52 'désigne une soupape de sûreté; l'appareil 48 pourraitn'être uniquement qu'un accumulateur de vapeur, dont les produits de condensation se rendent dans 2.
Les réglages de l'alimentation etdu foyer s'obtiennent par l'intermédiaire du régulateur 39 qui es monté en avant de la soupape à fermeture rapide 36, de la soupape de renver- sement37 et de la -soupape d'équilibrage de pression 38.
Le piston 54 influencé par la pression de la. vapeur d'une part, la pression de l'eau d'autre part etla contrepression du ressort 53, est agencé de façon à pouvoir monter et descendre dans son enveloppe. Il est relié à la tige 55 avec ce résultat que tout déplacement 'du piston en montée ou en descente se transmet à cette tige.
L'organe ou piston -54 est entouré d'une bague 56 qui peut
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uniquement tourner et qui est guidée à l'aide d'une manette 57. Le piston 54 et la bague 56 présentent des orifices d'écoulement d'égal diamètre que l'eau de*alimentation doit traverser pour se rendre de 38 en 2. La plus grande section de passage est donc disponible lorsque le piston 54 occupe sa position inférieure. Mais si la pression atteint, une vapeur anormale, le piston 54 est déplacé vers 53, pe qui diminue proportionnellement la section de passage. Il passe alors une quantité moindre d'eau. L'écoulement est réduit de même quand la bague 56 est déplacée 'par la manette 57 car en ce cas la section réservée à l'écoulement décroit proportionnellement.
Une soupape régulatrice analogue -58 est prévue .pour le réglage de l'admission du combustible dans le foyer; ses organes 59 et ¯60 sont conçus et disposés comme les organes 54 et 56. On peut néanmoins prévoir un réglage fixe pour l'organe 60.
La soupape de réglage du combustible, 58, est montée dans la conduite d'amenée du combustible au foyer.
Si à un moment donné, le groupe prélève une quantité moin- dre de vapeur, la pression de celle-ci monte; il en résulte un déplacement de l'organe 54 régulateur de l'écoulement de l'eau dans le sens d'un étranglement; en même temps, l'organe 58 diminue également 1' alimentation en combustible; de même, l'arrivée d'air diminue par étranglement de l'organe 62 en liaison de réglage avec 55.
Le dispositif d'étranglement de l'air 62 peut, pratique- ment, être disposé- également dans le générateur de gaz de combustion 3. En outre l'organe 56 peut également commander .une vanne de répartition de vapeur surchauffée,63, lorsque, pour vaporiser .le combus tible, il est nécessaire d'introduire de la.'vapeur sur.chauffée dans son. dispositif d'alimentation.' L'alimentation ou répartition de l'eau et du combustible s'obtient donc d'une manière qui correspond automatiquement à la pression. qui règne à l'instant considéré.
Par contre le
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rapport convenable d'écoulement entre l'eau et.le combustible, en pourront, -- correspondant au rendementde vaporisation momentané du combustible calculéd'après son pouvoir calori- fique et le rendement de la chaudière ainsi que relativement à la température de vapeur surchauffée à abbeindre -- est réalisé en déplaçant la bague 56 par laManette 57.
La soupape à fermeture rapide #6 est établie de faon que la pression 'de la pompe alimentaire ¯5 doiveêtre plus élevée que la pression de vapeur maximum,. Au 7.:9 au de prévoir une pompe centrifuge telle que ¯5, on peu), qussi se servir de toute autre pompe appropriée. D'autre part, lelevier de dé- marrage 64 du groupe est maintenu dans sn position opéra tive B par J'intermédiaire d'une came, et il en résulte que lorsque la pompe ne débite plus, c'est à dire lorsque l'écoulement de l'eau cesse dans le régulateur, le levier 64 déclenche, et
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est ramené par le ressort 6S dans la position A.
On obtient .. simultanément / ainsi/le rendement de la vanne à- eau 37 et de la vanne à z combustible 67, ces organes se trouvant en liaison de réglage avec le levier 64. L'alimentation en eau, en combustible et en air s'arrête ainsi presqu'immédiatement. Il n'Bst pas indispensable que cet arrêt soit complet, mais on reviendra avantageusement uniquement aux conditions de marche à vide de la machine.
Le générateur de gaz de combustion, 3, est de même équipé d'un corps rotatif qui, outre le dispositif de pul- vérisation et de mélange, comprend des nervures, saillies, ailettes ou analogues afin d'aspirer et de refouler l'air comburant. Le combustible, par exemple de l'huile de chauffage (huile brute ou lourde) y est pulvérisé par faction de la - force centrifuge et mélangé intiment à l'air qui s'introduit simultanément pour former un gaz combustible. Comme on peut introduire ensuite une quantité correspondante et proportionnel!, le de vapeur surchauffée dans le corps'rotatif, le combustible est simultanément vaporisé ce qui accélère sa gazéification et
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non mélange.
Le réchauffage du combustible est pratiquement réalisé à l'aide d'eau chaude venant de 14, dans l'appareil
68, l'eau étant la première échauffée pendant la période de mise à feu.
Les machines des groupes "force motrice" et "alimentation" de la fig. 1, c'est à dire : lamachine à va,peur 1 (turbine ou machine à vapeur -- qui pourraiet tégalemnt être remplacée par toute autre machine motrice --, le pulvérisateur-vaporisa- teur rotatif -2 -- qui pourrait également être agencé dans l'enveloppe de la machine 1 --, le générateur de gaz de com- bustion 3.-- lorsque cet appareil n'est pas remplacé par un autr dispositif d'alimentation combustible pompe autre 'dispositif d'alimentation de combustible la pompe combustible ou huile de chauffage, 4, -- lorsque. le combustible n'est pas introduit par gravité --; la. pompe alimentaire 5 00- qui peut également être de type différent, comme par exemple une pompe à piston accouplée mécaniquement --;
le ventilateur 6, dont la présence b'est pas absolument nécessaire dans tous les cas, peuvent être commandés par un axe commun ou être reliés les uns aux autres en accouplant leur axes entre eux. On peut aussi disposer séparément le groupe force, motri- ce 1 et prévoir pour les autres machines d'alimentation une machine de commande séparée.
La. mise en marche de l'installation peut, s'obtenir de diverses manières, et notamment :
1) A supposer prévu un moteur auxiliaire de démarrage, par exemple, un moteur électrique, pour le groupe d'alimentation 3, la mise à feu peut s'obtenir dans 27 en amenant de 4 du com- bustible liquide, gazeux ou pulvérulent et de l'air froid de ¯6, ou de l'air réchauffé, par.le brûleur 29, de 61. Dans ce cas, l'eau d'alimentation est refoulée par la. pompe 5 à travers les réchauffeurs 28, 22, 17, 9 d'où elle retourne la pompe par 36,37,69 pour circuler à nouveau sous la pression produite automatiquementpar le dispositif 36.
2) A supposer prévu pour le ventilateur 36 uniquement,
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un moteur auxiliaire de démarrage, le combustible peut arri-
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vor au brûleur '20 par gravité ou encore, y' être refoulé par la pompe à main 70. La. circulation d'eau indiquée sub 1 peut alors être obtenue grâce à une pompe à main 71.
3) La mise à feu peut s'effectuer sur la grille 31 à l'aide de combustible solide avec arrivée naturelle d'air
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par J33. L'eau d'alimentation est alors, ainsi qu'il a été indiqué plus haut, mise sous pression et en circulation par la pompe à main 71.
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Dans 'chaque cas envisagé, 1.' eau d* alimentation subit ainsi un réchauffage intense, pratiquement jusqu' à la.tempé- rature de saturation correspondant à la pression effective'
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du liquide communiqué par le dispositif 06.
Ce n'est qu' a- lors que s'opère. le renversement du levier 64 'de laposition de mise à feu A à la position de fonctionner.en normal B,
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après quoi l'eau surchauffée s'écoule par j?9 et 3' vers ¯2, s'y transforme en vapeur et remplit ainsi de vapeur le faisceau des tubes de chauffage 2. 00,:111e la vapeur passe alors de j3 à la .machine l, met cette dernière en marche, et que par renversement du levier 64 on assure également l'ali-
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menta Lion du foyer principal '!6 par le dispositif i-:8, l'installation, atteint très rapidement le régime de marche à vide. La mise en charge peut alors être réalisée dès que latempérature de la vapeur surchauffée est devenue cons-tante.
En tous cas, la. mise en marche s'obtient très rapidement, car seules interviennentles surfaces de chauffe des tubes, et
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la c ntenance en eau de l'installation est faible. La mise en route n'exige. donc en faitque quelques minutes, ce qui
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sarap correspond sensiblement au temps nécessaire à l'échauffe- ment d'un moteur avant qu'il ne puisse être mis en charge.
En cas de production d'énergie électrique, la machine 1
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erèt f'1ccoup16e à une dynamo. La vapeur de décharge de la :.rchine I peut être réutilisée à volonté à toute pression requise peur le chauffage, la cuisson, le séchage, etc, car
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la pression initiale' de la vapeur peut sans danger être aussi élevée qu'on le désire. On peut également avec de la vapeur à moyenne pression produire dansl'installation de à
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J vapeur à hautes ou/très haute pression, en prévoyant un évapora leur 72 alimenté par une pompe alimentaire spécia- le à haute pression.
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On peut disposer daniu l'évaporateur '2 un dispositif de vaporisation rapide .73 à faisceau de tubes, auxquels En peut s'appliquer ce qui a été dit pour les tu1<1es 12. et la fie. 3 concernant les naSa,ux 91. Le véhicule de chaleur est conduit sous forme de vapeur de circulation à travers l'es- pace annulaire des tubes et cède ainsi sa chaleur à l'eau qui entoure ces derniers. Cornue la vapeur de chauffage n'est pas complètement condensée de ce fait, elle est encore con- duite à travers l'échangeur de température .74 également traversé par l'eau d'alimentation à' haute pression. La sapeur
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de chauffe fs condense de la sorte et passe à- l'état d'eau de 00'1'18n(3R t,.êon daiss le collecteur 7a. La valeur formée qui arrive dans 75, est' aspirée par 2.
Lés produits de conden- sation de la vapeur de chauffage de 75 sont aspirés par une
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pompe telle que J et. renvoyés par 36,¯.37, ,S8, J33 au vaporisa- teur L dans lequel, connue indiqué plus haut, ils sont vaporisés sc-us forme pulvérisée par une autre portion de la vapeur de circulation venant de 12 par 76, et conduits dans les sur- clip,uffeurs 8 sous forme de vapeur. L'eau d'alimentation à refouler dans l'évaporateur 72 par la pompe alimentaire à hauts pression est avantageusement conduite à travers les
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réchauffeurs 2, pop,, 17' et 9, le collecteur z, le régulateur de niveau d'eau 77 et 1)6.changeur*de température 74.
La vapeur à haute ou très haute pression produite dans 72 est avantageu- sement envoyée à travers un surchauffeur 78 dans son -trajet
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fiers son point d'utilisation. Le réglage de l'alimentation et de la marche dw"foyer s'effectuent également de façon simple en cas.de production
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de vapeur à haute ou très haute pression, à la manière suivan- te. Le niveau d'eau favorable dans 72 est. régulièrement
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maintenu par le régulateur T7. même a? ars que la. consomma- tion varie. A supposer en effet, un -prélèvement imporban't de vapeur en 72, le, régulateur 77 fait arriver plus d'eau d'alimentation par 74; par contre, quans le prélèvement de vapeur est moindre, il en fait arriver moins.
En cas d'excès
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de prélèvement dans 1 ' évapora beur 7., 18 condensation de la, vapeur de chauffe est renforcée en 73 et dans labatterie de tubes de l'échangeur de température 74, de. manière que
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dans le faisceau des tubes de chauffe 11--l, la pression de vapeur tombe tout d'abord, ce qui permet au régulateur 3P, 58 d'accroître l'alimentation; tandis qurv dans le cas contraire, c' e st à dire quand la pression de vapeur augmente, il se produit une réduction de l'alimentation. Le chauffage
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se règle donc automatiquement suivant l'imporbance du- prélève'ment momentané de vapeur ( en 72).
Dans les installa- tions à vaporisation-rapide avec production indirecte de vapeur à haute ou très haute' pression, on. peut, en fait,' employer pour un ensemble de groupes "force motrice" et "alimentation.", deux groupes de tubes de ,chauffe. Pratiquement, le faisceau de surchauffeur-s 8 de l'un des groupes de tubes est employer alors pour la surchauffe de la vapeur de circulation tandis que le .faisceau 8 de l'autre groupe est utilisé pour la sur- chauffe de la. vapeur à haute ou très haute pression de 72.
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Les ré chauffeurs 8, 2, 17 et 9 peuvent alors servir pour réchauffer l'eau d'alimentation à haute pression de 73, ou en partie pour chauffer les produits de condensation envoyés,
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par la'pompe jî, de 7 vers En ce qui concerne' les surfaces d'échange calorifique de l'éhhangeur de température ¯74, du réchauffeur 6S du surchauf- feur intermédiaire 44, du surchauffeur 78 et de l'appareil 43 lorsque ce dernier est un condenseur, il parait.avantageux d'agencer l'installation, de manière à appliquer ce qui a été
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dit au sujet des noyaux de tubes (fig. 3).
L'appareil 72 peut également être utilisé comme accumula- teur de chaleur ou de vapeur ; onpourra alors y prélever suivant les besoins une quantité quelconque de vapeur ou de chaleur.
REVENDICATIONS
1.- Procédé pour la production rapide de vapeurs, carac- térisé par l'agencement, dans un circuit de vapeur, d'un corps mobile qui pulvérise le fluide (eau surchauffée) d'alimenta- tion et le mélange à la vapeur (surchauffée) de circulation.
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PATENT OF INVENTION Mr. Adolf BARTSCH - Engineer 5, Landsbergerstrasse, Halle an der Saale (Germany) "PROCESS AND APPARATUS FOR THE RAPID PRODUCTION OF STEAM"
The present invention relates to a method and an apparatus for the rapid and safe production of steam, at all temperatures and pressures, in which the feed water is / vaporized in atomized form in a rotary atomizer-vaporizer arranged. externally to the boiler.
The invention essentially aims at the following objectives:
The installation will ensure the production of vapor for motive power, heating, cooking, drying, etc., without danger of explosion, substantially as quickly as an engine produces motive power. In addition, the installation will simultaneously meet the motive power and heat requirements of a farm. The installation according to the invention, while having a very high vaporization efficiency, has reduced bulk; because of the rapid, automatic vaporization, large masses of water acting as a heat accumulator are not necessary.
As indicated by the constructive arrangement shown by way of example in the appended drawing, the installation essentially comprises a bundle of heated tubes and a
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"driving force" and "power supply" group, (figs. 1 and, 3).
Fig. 3 is a view of a detail.
The steam motive power unit 1 (turbine or steam engine) can have any shape and size; either its dimensions are such that it is used only for controlling the "power supply" group, or else its size enables it to yield mechanical energy, for example when it is coupled to a dynamo . This group can operate in condensation, or the steam from the landfill (or possibly taken off) can be reused at any voltage for heating, cooking, drying, etc.
The return of the condensation products to the supply is, in any case, easily achieved.
FIG. 1 shows in longitudinal and median section, and FIG. 2 shows, from the front, outwardly in its left half and in transverse and median section in its right half, a bundle of heating tubes. mounted on a plate 1 assembled in a removable manner, it is made up of several series of tubular elements 2 and 9. In this example, the tubes -8 constitute elements for superheating the circulation and use steam, while the tubes form a water heater.
The number of tubular elements ±. and. ± !. can be any, not only in a stacked arrangement but also in an adjacent arrangement. The anterior return elbows, 10, are mounted removably, preferably screw-in, for interior cleaning and ease of replacement of the tubular members.
The steam and water supply, as well as the gathering of steam and water for the series of elements, are advantageously carried out by also removable distribution boxes, II and 13, and manifolds, 12 and ¯14, when the heating (of the steam and the water) is obtained against the current of the combustion chamber 1.5. The main combustion chamber 16 is. surrounded, below and
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laterally, by a water heater 17, at the front by the front wall 18 and at the rear by the rear wall 19.
The two walls. ¯18 and 19 are water-cooled and insulated on the hearth side, advantageously by a coating of chamotte or refractory bricks. '
The liquid, gaseous or pulverulent fuels (the first possibly pulverized) introduced at 20 reach, at the same time as the combustion air, the hearth 16 to be burned there. The combustion ga, z ba lay the series of tubular elements 8 and 9 to give them heat, pass through the flue gas pipe 21, then sweep the upper water heater 22, pass through the flue pipe 23 (fig. 2) to lick the air heater 24, go to the flue gas collector 25 and escape to the chimney 26.
The heaters 17 and 22 can be multi-series while the a-ir heater 24 can be multi-compartment. To guide the combustion gases or flue gases, the heater 17 is formed. finned tubes and there is also a partition 35 ..
Externally to the fireplace 16 there is provided a starting or priming fireplace 27 which is limited respectively by the heater 17 and the heater 28, as well as the front wall and the rear wall 18 and 19. The preliminary heating can can be obtained both by liquid, gaseous or pulverulent fuels, introduced at 29, and by solid fuel 32 introduced, through the hearth door 30, on the grate 31. The introduction of air is obtained in the first case, advantageously using a fan, while in the second it is obtained automatically using the adjustment register 33.
The gases from the preliminary reheating flow into the flue gas pipe 23, transferring heat to the heaters 17 and 28, then sweep the air heater 24, pass through the flue gas collector 25 and escape to the flue. 26.
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The apparatus is provided with an easily removable heat-insulating cover 34, advantageously composed of a layer of glass wool lined with sheet metal. The water-cooled jacket of the walls 18 and 19 is also used as a water heater, however advantageously without pressure, so that the feed water descends slowly or else the feed pump ensures the circulation thereof, in whole or in part only.
The water heated in the aforementioned heaters flows from the manifold 14, passing through the supply regulator 36, 37, 38 and 39, to the rotary sprayer-sprayer 2; in the latter it is mechanically divided by the action of centrifugal force into fine droplets or mist and intimately mixed with superheated steam supplied from the manifold 1E! with the vaporizer-. Due to this direct heat exchange, the water mist is immediately transformed into vapor.
The rotating body rotatably mounted in the vaporizer 2 consists of a centrifugal force sprayer which, in addition to the members ensuring the division of the water also comprises ribs, projections, fins and the like ensuring the suction of the superheated steam and its mixture with the water mist. The sprayer-vaporizer is designed so as to rapidly discharge the water vapor mist or the water-vapor mixture.
The vapor formed in the vaporizer 2 then passes through a separator-scrubber 40 which, under the action of the centrifugal force, separates the particles of encrustation in the form of dust from the sapper. In fact, this dust only forms when water is fed! fresh from the vaporization of this water in spray form. In the event of re-use of condensation water, this purification is only necessary for fresh water which has been added as a supplement.
To ensure a subsequent vaporization and superheating, the vapor is then conducted from the sprayer-vaporizer 2 or from the separator 40 to the bundle of heating tubes 8,
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dit ti ei v 1- c v OÙ / 1 is rapidly superheated by countercurrent circulation with the combustion gases 15. The superheating tubes are very widely calculated;
they therefore have a large surface area, which reduces the resistance to heat transmission, In order, however, to force the steam to circulate at high speed, which promotes the absorption of heat, the tubes are fitted with means 41 (fig. 3) which only leave a relatively narrow annular space free for the passage. In this way, a considerable reduction in the path of the heat which enters the vapor stream is obtained, and the heat transfer is thus effected very rapidly.
There fig. 3 shows a. tube of the species and, for comparison, another tube devoid of nucleus. In practice, the heat transmission could also be accelerated, by adopting smaller diameters for the tubes located on the hottest gas side and by adopting very larger diameters for the tubes located on the side of the less hot gases. hot; the cross-sections of the gas flow in the tubes then decrease in proportion to the drop in temperature and a favorable gas flow rate is thus obtained. When the tubes have the same diameter, a corresponding home shape is adopted. The aforementioned arrangement (fig. 3) can also be applied to water tubes or at least to a part of them.
It can likewise be employed in general for heaters, temperature exchangers, superheaters and the like.
Of the superheated steam which leaves the manifold 12, a part, as mentioned above, goes to the rotary sprayer-vaporizer '2; the other part goes to the prime mover from where, after having ceded part of its energy it goes to the condenser or other recuperator 43 of the discharge steam. On the path of steam to
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machine 1, an intermediate superheater 44 can be inserted, before or after the pressure regulating valve .45. The latter has the function, in. in the event of a considerable variation in steam consumption, to maintain a minimum steam pressure in the installation.
For steam requirements other than those of the machine], it can be taken in the form of superheated steam at 46 or in the form of saturated steam at 47. Pressure regulating valves (such as 45) are provided at these points.
When the steam requirements vary considerably, and can give rise to bursts of steam, an accumulator 48 is provided, however arranged so that. the steam produced in excess goes there by passing through a pressure relief valve 49 and this steam strongly superheats, the water of said accumulator, so that during a sudden drop in pressure, the steam of tower 48 can go back through a year 50, in the installation and this, as much as possible by 11-8-12 in order to obtain a new overheating.
The excess steam can be conducted from 11 as well as from 12, or some other suitable point, to 48. Reference numeral 52 'denotes a safety valve; the device 48 could be only a vapor accumulator, the condensation products of which go to 2.
Feed and furnace settings are achieved through regulator 39 which is mounted forward of quick shut-off valve 36, reversing valve 37, and pressure-balancing valve 38.
The piston 54 influenced by the pressure of the. steam on the one hand, the water pressure on the other hand and the counterpressure of the spring 53, is arranged so as to be able to go up and down in its envelope. It is connected to the rod 55 with the result that any movement of the piston up or down is transmitted to this rod.
The member or piston -54 is surrounded by a ring 56 which can
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only rotate and which is guided by a lever 57. The piston 54 and the ring 56 have flow holes of equal diameter that the feed water must pass through to go from 38 to 2. The largest passage section is therefore available when the piston 54 occupies its lower position. But if the pressure reaches an abnormal vapor, the piston 54 is moved towards 53, eg which proportionally decreases the passage section. It then passes a less amount of water. The flow is also reduced when the ring 56 is moved by the handle 57 because in this case the section reserved for the flow decreases proportionally.
A similar regulating valve -58 is provided for regulating the admission of fuel to the furnace; its members 59 and ¯60 are designed and arranged like the members 54 and 56. It is nevertheless possible to provide a fixed setting for the member 60.
The fuel control valve, 58, is mounted in the line for supplying fuel to the fireplace.
If at a given moment, the group takes a smaller quantity of steam, the pressure of this one rises; this results in a displacement of the body 54 regulating the flow of water in the direction of a constriction; at the same time, member 58 also decreases the fuel supply; likewise, the air inlet decreases by constricting the member 62 in connection with the adjustment 55.
The air throttling device 62 can practically also be disposed in the combustion gas generator 3. In addition, the member 56 can also control a superheated steam distribution valve, 63, when , to vaporize .the fuel, it is necessary to introduce overheated.steam into its. feeding device. ' The supply or distribution of water and fuel is therefore obtained in a manner which automatically corresponds to the pressure. which reigns at the instant considered.
On the other hand the
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suitable flow ratio between the water and the fuel, may, - corresponding to the momentary vaporization efficiency of the fuel calculated from its calorific value and the efficiency of the boiler as well as relative to the temperature of superheated steam at abbeindre - is achieved by moving the ring 56 with the Joystick 57.
The quick-closing valve # 6 is set so that the pressure of the feed pump ¯5 must be higher than the maximum steam pressure ,. At 7.:9 to provide a centrifugal pump such as ¯5, one can), qussi use any other suitable pump. On the other hand, the starting lever 64 of the group is maintained in its operative position B by means of a cam, and it follows that when the pump no longer delivers, that is to say when the water flow stops in the regulator, lever 64 releases, and
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is returned by the spring 6S to position A.
Simultaneously / thus / is obtained the efficiency of the water valve 37 and of the fuel valve 67, these members being in adjustment connection with the lever 64. The water, fuel and air supply thus stops almost immediately. It is not essential that this stop be complete, but it will advantageously return only to the conditions of idling of the machine.
The combustion gas generator, 3, is likewise equipped with a rotating body which, in addition to the spraying and mixing device, comprises ribs, projections, fins or the like in order to suck in and discharge the air. oxidizer. The fuel, for example heating oil (crude or heavy oil) is pulverized therein by the faction of the centrifugal force and mixed intimately with the air which is introduced simultaneously to form a combustible gas. As we can then introduce a corresponding and proportional quantity! Of superheated vapor in the rotating body, the fuel is simultaneously vaporized which accelerates its gasification and
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no mixing.
The heating of the fuel is practically carried out using hot water coming from 14, in the device.
68, the water being the first heated during the firing period.
The machines of the "motive power" and "supply" groups of FIG. 1, that is to say: the going machine, fear 1 (turbine or steam engine - which could also be replaced by any other prime mover -, the rotary sprayer-vaporizer -2 - which could also be arranged in the casing of the machine 1 -, the combustion gas generator 3 .-- when this appliance is not replaced by another fuel supply device pump another fuel supply device the fuel pump or heating oil, 4, - when. the fuel is not introduced by gravity -; food pump 5 00- which can also be of a different type, such as for example a mechanically coupled piston pump - -;
the fan 6, the presence of which is not absolutely necessary in all cases, can be controlled by a common axis or be connected to each other by coupling their axes together. It is also possible to arrange the force and drive unit 1 separately and to provide a separate control machine for the other feed machines.
The installation can be started up in various ways, and in particular:
1) If an auxiliary starting motor is provided, for example an electric motor, for the power supply group 3, ignition can be obtained in 27 by supplying liquid, gaseous or pulverulent fuel from 4 and cold air of ¯6, or heated air, through burner 29, of 61. In this case, the feed water is discharged through. pump 5 through heaters 28, 22, 17, 9 from which it returns the pump through 36,37,69 to circulate again under the pressure produced automatically by device 36.
2) Assuming intended for fan 36 only,
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an auxiliary starting motor, the fuel can be
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vor to the burner 20 by gravity or alternatively, to be delivered by the hand pump 70. The water circulation indicated under 1 can then be obtained by means of a hand pump 71.
3) The firing can be carried out on the grate 31 using solid fuel with natural air supply
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by J33. The feed water is then, as indicated above, pressurized and circulated by the hand pump 71.
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In 'each case considered, 1.' The feed water thus undergoes intense reheating, practically to the saturation temperature corresponding to the effective pressure.
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of the liquid communicated by the device 06.
It is only then that takes place. the reversal of the lever 64 'from the firing position A to the operating position in normal B,
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after which the superheated water flows through j? 9 and 3 'towards ¯2, transforms there into steam and thus fills the bundle of the heating tubes with steam 2. 00,: 111th the steam then passes from j3 to the .machine l, starts the latter, and that by reversing the lever 64 is also ensured the ali-
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menta Lion of the main hearth '! 6 by the device i-: 8, the installation, very quickly reaches the idle speed. The charging can then be carried out as soon as the temperature of the superheated steam has become constant.
In any case, the. start-up is obtained very quickly, because only the heating surfaces of the tubes intervene, and
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the installation's water supply is low. Getting started does not require. so in fact only a few minutes, which
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sarap corresponds roughly to the time required for an engine to warm up before it can be loaded.
In the event of electrical energy production, machine 1
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erèt f'1ccoup16e to a dynamo. The discharge steam from the: .chine I can be reused at will at any pressure required for heating, cooking, drying, etc., because
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the initial pressure of the vapor can safely be as high as desired. It is also possible with medium pressure steam to produce in the installation from to
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J steam at high or / very high pressure, by providing an evaporator 72 fed by a special high pressure food pump.
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It is possible to have in the evaporator '2 a rapid vaporization device .73 with a bundle of tubes, to which what has been said for the tubes 12 and the fie can be applied. 3 concerning naSa, ux 91. The heat vehicle is conducted in the form of circulating vapor through the annular space of the tubes and thus relinquishes its heat to the water which surrounds the latter. However, the heating vapor is not completely condensed because of this, it is still conducted through the heat exchanger 74 also through which the high pressure feed water passes. The sapper
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of heating fs condenses in this way and passes to the water state of 00'1'18n (3R t, .êon daiss the collector 7a. The value formed which arrives in 75, is' sucked by 2.
The condensing products of the heating vapor of 75 are sucked through a
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pump such as J and. returned by 36, ¯.37,, S8, J33 to the vaporizer L in which, known as indicated above, they are vaporized sc-us form atomized by another portion of the circulation vapor coming from 12 by 76, and ducted in the sur- clip, 8 uffeurs in the form of steam. The feed water to be delivered into the evaporator 72 by the high-pressure food pump is advantageously conducted through the
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heaters 2, pop ,, 17 'and 9, manifold z, water level regulator 77 and 1) 6. heat exchanger * 74.
The high or very high pressure steam produced in 72 is advantageously sent through a superheater 78 in its path.
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proud of its point of use. The setting of the power supply and the dw "heating zone are also simple in the case of production.
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steam at high or very high pressure, as follows. Favorable water level in 72 est. regularly
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maintained by the T7 regulator. even a? ars that the. consumption varies. Assuming in fact, a large -take of steam at 72, the regulator 77 causes more feed water to arrive at 74; on the other hand, when the vapor withdrawal is less, it causes less to arrive.
In case of excess
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sampling in 1 evapora beur 7., 18 condensation of the heating vapor is reinforced at 73 and in the battery of tubes of the heat exchanger 74, of. way that
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in the bundle of heating tubes 11 - 1, the vapor pressure first drops, which allows the 3P regulator, 58 to increase the supply; while otherwise, ie when the vapor pressure increases, there is a reduction in the feed. Heating
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is therefore automatically adjusted according to the importance of the momentary steam sample (at 72).
In rapid vaporization plants with indirect production of high or very high pressure steam, there is no. can, in fact, for a set of "driving force" and "feed" groups, two groups of heating tubes. In practice, the superheater bundle 8 of one of the groups of tubes is then used for the superheating of the circulating steam while the bundle 8 of the other group is used for the superheating of the. high or very high pressure steam 72.
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The reheaters 8, 2, 17 and 9 can then be used to heat the feed water at a high pressure of 73, or partly to heat the condensed products sent,
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by the 'pump jî, from 7 to With regard to' the heat exchange surfaces of the heat exchanger ¯74, of the 6S heater of the intermediate superheater 44, of the superheater 78 and of the appliance 43 when this the latter is a condenser, it seems advantageous to arrange the installation, so as to apply what has been
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said about the tube cores (fig. 3).
Apparatus 72 can also be used as a heat or steam accumulator; any quantity of steam or heat can then be taken there as required.
CLAIMS
1.- Process for the rapid production of vapors, characterized by the arrangement, in a steam circuit, of a moving body which sprays the fluid (superheated water) of the feed and mixes it with the steam ( overheated) circulation.