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"GENERATEUR DE VAPEUR A HAUTE PRESSION"
On a déjà proposé de produire de la vapeur en surchauf- fant de la vapeur disponible et en faisant passer cette vapeur surchauffée à travers une couche d'eau ou bien en injectant dans cette vapeur surchauffée de l'eau pulvérisée. La cession de la chaleur de surchauffe entraîne ainsi la production d'une nouvelle quantité de vapeur. On a encore proposé de fai" re passer à plusieurs reprises de la vapeur surchauffée dans de l'eau et de surchauffer à chaque reprise le mélange de vapeur nouvellement formée et de vapeur préalablement surchauffée et refroidie par suite de son passage dans la couche d'eau, jus- qu'à ce qu'on obtienne enfin la quantité de vapeur nécessaire
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pour le service.
Pour vaincre la résistance des surchauffeurs et celle de la couche d'eau et pour faire circuler la vapeur, diverses mesures sont nécessaires, qui ne vont pas sans cer- tains inconvénients. Si, par exemple, la génération de vapeur a lieu dans un corps unique où se font les échanges thermi- ques (échangeur de chaleur) il est nécessaire, pour assurer la circulation de la vapeur qui sert de véhicule à la cha- leur et qui, pour certaines raisons, doit être un multiple de la quantité de vapeur utilisable, d'employer une pompe spé- ciale qui consomme relativement beaucoup d'énergie et qui, par suite des pertes inévitables causées par défaut d'étanchéité, notamment aux pressions. élevées, diminue notablement le ren- dement de l'installation.
Si, par contre, la circulation de la vapeur est réalisée en engendrant dans une chaudière spé- ciale et sous pression élevée de la vapeur dite d'excitation et en faisant passer celle-ci, par sa propre détente, succes- sivement dans plusieurs surchauffeurs et chambres d'eau, de nouvelles quantités de vapeur se trouvant engendrées au pas- sage dans chaque chambre d'eau par la chaleur de surchauffe, une pompe de circulation n'est évidemment plus nécessaire, mais on est obligé de prévoir de nombreux réservoirs de va- peur sous pression, ce qui augmente le coût de l'installation ainsi que son encombrement, tout en provoquant certaines dif- ficultés de service.
La présente invention a trait à un procédé pour produire de la vapeur, notamment de la vapeur à très haute pression (plus de 50 Kg/cm2) en utilisant comme véhicule de chaleur de la vapeur ultra-surchauffée, tout en évitant les inconvénients indiqués précédemment. Le procédé consiste à produire dans une chaudière dite excitatrice une quantité re- lativement faible de vapeur (moins de la moitié de la quanti- té de vapeur de service), laquelle vapeur circulant par l'ef- fet de sa propre détente à travers un nombre relativement grand de surchauffeurs ou de groupes de surchauffeurs disposés
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en cascade et munis en un nombre quelconque de points, mais au moins en deux points, de dispositifs dans lesquels on in- troduit de l'eau à l'état finement divisé.
Par l'absorption de la chaleur de surchauffe l'eau introduite se transforme en nouvelle vapeur ; on surchauffe ensuite le mélange de cet- te vapeur et de la vapeur précédemment produite et redeve- nue saturée, et ainsi de suite jusqu'à ce qu'on atteigne la quantité de vapeur nécessaire à l'état où elle doit être uti- lisée.
Un générateur destiné à la réalisation du procédé est représenté schématiquement à la Fig. 1, dans laquelle 1 représente le foyer. Dans ce foyer est disposée la chau- dière d'excitation 2,3 dans laquelle la faible quantité néces- saire de vapeur d'excitation est produite et où s'effectue éventuellement le réchauffage de l'eau d'alimentation com- plémentaire. La vapeur d'excitation se rend ensuite, par l'effet de sa propre pression, par la conduite 6 à travers un organe d'étranglement 29 et une vanne d'arrêt 33, jus- qu'au premier surchauffeur 7, dans lequel elle est forte- ment surchauffée, et elle arrive dans le premier vaporisateur 13, où la vapeur de surchauffe lui est enlevée par un jet pulvérisé d'eau réchauffée presque jusqu'à la température de vaporisation.
Cette chaleur de surchauffe transforme l'eau injectée en nouvelle vapeur qui se rend ensuite, mélangée avec la vapeur d'excitation, revenue maintenant à la tempé- rature de saturation, dans le surchauffeur 8 suivant. Là on lui amène une nouvelle quantité de chaleur de surchauffe qui lui permet de transformer en une quantité accrue de vapeur l'eau injectée dans le vaporisateur suivant 14. L'opération est ainsi répétée jusqu'à ce que la quantité de vapeur nécessaire pour l'utilisation à l'état définitif soit enfin obtenue.
Comme on l'a déjà indiqué plus haut, l'eau d'in- jection peut être prise à la chaudière d'excitation 2, 3
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qui, en ce cas, joue donc aussi le rôle de réchauffeur, au moyen de la conduite 5 commandée par une vanne d'arrêt 32.
L'eau froide d'alimentation proprement dite arrive par 4. La totalité de la vapeur produite quitte le dernier vaporisateur 18 par la soupape 31 et est conduite à son point d'utilisa- tion en passant par un dernier réchauffeur 28 dans lequel elle est portée à la température de surchauffe nécessaire pour le service. En ce qui concerne les organes représentés dans la Fig. 1 et qui n'ont pas été décrits jusqu'ici, il en sera question plus loin.
Tandis que la Fig. 1 représente sous forme sché- matique le générateur de vapeur vu par le dessus, la Fig. 2 est une vue latérale schématique, partiellement en coupe, de la batterie de vaporisateurs et du réservoir collecteur.
Les vaporisateurs sont numérotés de 13 à 18 et ils reçoivent leur eau d'injection, par exemple de celle des parties de la chaudière d'excitation (non visible) qui fonctionne com- me réchauffeur, par l'intermédiaire de la conduite 5. L'eau est injectée sous forme finement divisée par les. ajutages 10 de façon qu'elle offre une grande surface de contact à la va- peur qui pénètre par 41. Des tamis en toile métallique sont disposés en 42, destinés à retenir les grosses gouttes et à assurer leur division et leur vaporisation. La vapeur refroi- die et la vapeur nouvellement formée quittent la vaporisa- teur en 43 pour entrer dans le surchauffeur qui lui est ef- fecté. Avant la sortie, des chicanée, en tôle peuvent être disposées en vue de séparer l'eau éventuellement entraînée.
Comme on l'a indiqué,l'injection sous forme finement pulvérisée a pour but d'augmenter la surface de con- tact et de permettre ainsi un échange rapide de tempéra- ture. Au lieu d'employer une injection sous forme finement divisée au moyen d'ajutages, on peut réaliser aussi l'éta- lement de l'eau à vaporiser sur une grande surface, au mo- @
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yen par exemple de remplissages appropriés disposés dans le corps du vaporisateur. Ce dispositif a l'avantage de per- mettre d'employer au lieu d'ajutages percés d'un canal très étroit, de simples pommes d'arrosoir moins suscep - tibles de se boucher et avec lesquelles il est plus facile d'éviter l'entraînement de grosses gouttes.
Ces remplissages peuvent être constitués par de petits cylindres (connus sous le nom d'anneaux de Rasohig) faits en matière aussi bonne conductrice que possible de la chaleur. Les Fig. 3 et 4 représentent en coupe des vaporisateurs de ce type. Le chif- fre 50 désigne le corps du vaporisateur, et 51 les remplis- sages. Ces derniers reposent sur une grille 52 au-dessous de laquelle la vapeur est admise en 53. L'eau arrive par lune pomme d'arrosoir 54 et se répand sur le remplissage, of- frant ainsi une grande surface de contact à la vapeur qui circule à contre courant. Le mélange de vapeur refroidie et de vapeur nouvellement formée s'échappe en 55, l'excès d'eau pouvant être évacué en 56.
Le dispositif de la Fig. 4 se distingue de celui de la Fig. 3 en ce que le remplissage est en deux cou- ches 51 et 57 laissant entre elles un espace libre dans lequel débouche la pomme d'arrosoir 54. Seul, par conséquent, le remplissage inférieur est arrosé, la couche supérieure jouant le rôle de séparateur d'eau. On peut en outre chauf- fer cette dernière par de la vapeur surchauffée admise par une dérivation 58 de la conduite 53 en vue de vaporiser les gouttes demeurées suspendues à cet endroit.
Il importe que le générateur de vapeur décrit ici soit maintenant conduit de telle manière que la tempé- rature finale de surchauffage dans chaque surchauffeur demeu- re dans un rapport déterminé avec la quantité d'eau d'injec- tion. Si la quantité d'eau arrivante est trop faible il en
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résulte que la vapeur admise est insuffisamment refroidie, tandis que dans le surchauffeur qu'elle traverse ensuite elle est trop fortement surchauffée. Inversement, un excès d'eau a pour inconvénient de donner facilement lieu à des entrai- nements d'eau et que les impuretés que cette eau peut conte- nir se déposent sur les parois des tubes de surchauffe qu' elles entartrent ; lespompes fournissent tout au moins un travail inutile.
La température de la vapeur surchauffée offre toutefois elle-même une possibilité de régulation. On peut par exemple prévoir un thermostat qui soit soumis à l'influence de la température que possède la vapeur à un point quelconque, et en particulier à la sortie d'un sur- chauffeur faisant suite à un ajustage ou groupe d'ajustages.
La Fig. 1 met en évidence le montage d'un tel dispositif de régulation par thermostat. Les chiffres 19 à 23 désignent des thermostat de construction connue quelconque, commandant des organes de fermeture également quelconques intercalés dans les conduites d'alimentation d'eau des vaporisateurs 13 à 18.
Si la température à la sortie d'un surchauffeur est trop élé- vée, le thermostat actionne la vanne d'admission de manière que l'alimentation d'eau soit plus abondante, et inversement.
Comme on l'a dit plus haut, il y a avantage à régler le dispositif de régulation de telle façon que la quantité d'eau injectée soit juste suffisante pour que, au sortir des échangeurs de vapeur (vaporisateurs), ]a vapeur soit enco- re à l'état surchauffé, afin d'éviter autant que possible des séparations d'eau.
Cependant, si un dispositif tel qu'il est notamment indiqué dans la Fig. 4 et décrit ci-dessus empêche sûrement les séparations d'eau, on peut encore introduire jus- qu'à un certain point un excès d'eau. On peut, par exem- ple,n'appliquer la régulation par thermostat qu'à une partie de l'alimentation, en prévoyant dans chaque vaporisateur deux ajutages ou deux pommes d'arrosoir.ou deux groupes de tels
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organes, dont l'un fournit en service normal l'eau d'injec- tion à vaporiser tandis que l'autre, actionné par un thermos- tat ou un organe analogue, n'entre en jeu que dans des oc- casions exceptionnelles.
Ces occasions peuvent se présenter aussi bien dans le cas de charges supérieures à la charge normale que dans le cas de perturbations telles, par exemple, que l'engorgement ou la rupture des dispositifs d'injection à commande non automatique. La Fig. 5 représente de façon semi-schématique la disposition relative à un service mix- te. Là aussi le chiffre 50 désigne les corps des vaporisa- teurs, 51 les remplissages; l'eau arrive en 54 par une pom- me d'arrosoir, se répartit dans les remplissages et prend sa chaleur de surchauffe, à la vapeur ultra-surchauffée arrivant en 53. L'arrivée d'eau à cette pomme d'arrosoir se trouve toutefois réglée de telle façon qu'il y passe une quantité d'eau déterminée et constante pour une marche entre des limites de charge très étendues. L'eau qui n'est pas vaporisée est évacuée en 56.
Si, pour une raison quelconque, la quantité d'eau introduite par la pomme d'arrosoir 54 est insuffisante, de sorte que le degré de surchauffe dans les surchauffeurs suivants 60 ou 61 s'élève au-dessus de la limite admissible, le thermostat réagit en 62 ou en 63 et ouvre automatiquement la vanne 64 (65), qui laisse dès lors passer une quantité d'eau supplémentaire jusqu'à ce que la température de surchauffe soit retombée à la va- leur maximum fixée.
Si toute l'eau introduite n'arrive pas à être vaporisée immédiatement ou si, à dessein, on injecte un excès d'eau, il s'amasse à la partie inférieure du vaporisateur une quantité d'eau plus ou moins importante. Cette eau ren- ferme des quantités appréciables d'énergie sous forme de chaleur et de pression. Il importe donc qu'on l'évacué et la recueille sans perte. Dès lors, la présente invention a
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encore pour objet le procédé par lequel cette eau en excès est évacuée, au moyen de dispositifs appropriés, des capacités dans lesquelles s'effectue l'injection et la vapori- sation puis est recueillie en vue de son utilisation ulté- rieure.
A cet effet, le corps des vaporisateurs peut être pourvu à sa partie inférieure d'une petite chambre collec- trice communiquant vec un réservoir collecteur plus grand et commun à tous les vaporisateurs. La liaison s'effectue par l'intermédiaire d'une oupape à flotteur ou encore d'un dia- phragme. Ce dernier et imensionné' de manière à laisser s'é- couler une quantité d'eau suffisante mais à empêcher la passa- ge de quantité$importantes de vapeur, par exemple d'un vapo-. risateur au suivant. Le collecteur commun est représenté, dans la Fig. 1, par le réservoir 25, et la conduite commune d'éva- @ cuation est,désignée par le chiffre 24.
Dans la Fig. 2, les diaphragmes 45 s'auvrent dans \la conduite collectrice 46. Le réservoir collecteur commun est représenté en coupe sous le chiffre 47. Dans la Fig. 5, les, conduites d'écoulement sont rie- présentées en 56 sans, toutefois, leur conduite collectrice ni leur réservoir.
Le réservoir destiné à recevoir l'excès d'eau injectée peut encore servir à un autre usage. On peut aussi l'utiliser comme accumulateur de vapeur ou réservoir-tampon pour équilibrer les variations de la consommation de vapeur.
Si les surchauffeurs et les vaporisateurs correspondent, par leur rôle dans le nouveau générateur de vapeur dont il s'agit ici, aux bouilleurs d'une chaudière ordinaire, le révervoir collecteur équivant ici aux corps supérieur et inférieur d'une chaudière ordinaire, c'est-à-dire aux parties permettant l'accumulation de l'eau à vaporiser et de la vapeur déjà produi- te.
Comme, ainsi qu'il est indiqué dans la Fig. 1, d'une part le dernier vaporisateur 18 communique avec le tuyau de distri- bution 26 au moyen de la conduite 34, mais que, d'autre part,
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le dernier surchauffeur 28 est en communication avec le dôme à vapeur 27, s'il arrive que la vapeur disponible soit momen- tanément en excès, on peut introduire de cette vapeur dans la chambre d'eau du réservoir 25, où elle se condensera en donnant lieu à une augmentation de la pression. Inversement, en cas d'insuffisance de vapeur momentanée, on peut prendre de la va- peur du réservoir en 27, la pression s'abaissant alors dans le réservoir. En outre l'eau qui avait été injectée en excès dans les échangeurs de chaleur (vaporisateurs) et qui s'était écou- lée dans le réservoir peut être reprise en totalité ou .en par- tie pour être réinjectée.
Il convient à cet,. effet de la portet à la' pression nécessaire pour l'injection au moyen d'une pom- pe. Le schéma de la Fig. 2 permet de se rendre compte de ce mo- de de fonctionnement ; tuyau collecteur d'eau en excès est désigné par 46 et le réservoir par 47, tandis que la pompe en question et son moteur d'entraînement (par exemple un moteur électrique) sont respectivement représentés par 48 et 49. La conduite d'aspiration de la pompe est reliée au réservoir et la conduite de refoulement se rend aux vaporisateurs de 13 à 18, lesquels peuvent aussi être alimentés à partir de la chau- dière d'excitation par la conduite 5.
Si l'alimentation ne s'effectue exclusivement qu'au moyen d'eau prélevée dans le réservoir par la pompe 48, on ferme la vanne 70 et l'on envoie directement dans le réservoir, par la conduite 71, l'eau d'in- jection réchauffée dans la chaudière d'excitation, ou même l'eau froide d'alimentation. Dans ce cas il faut que le niveau de l'eau dans le réservoir 47 soit réglé au moyen d'une soupa- pe à flotteur 72.
On peut aussi avec avantage entraîner la pampe 48 au moyen d'une turbine à vapeur 73. Par mesure de sécurité, on peut encore accoupler à la turbine un moteur électrique qui tourne à vide et ne reçoit de courant qu'au moment où la vites- se angulaire de la pompe tombe au-dessous d'une certaine limi- @ te.
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La sécurité de marche et le bon fonctionnement du présent générateur de vapeur nécessitent encore divers dé- tails qui sont encore compris dans l'objet de la présente in- vention. C'est ainsi que les échangeurs de chaleur (vaporisa- teurs) doivent être munis de séparateurs de boues. Il peut en outre être nécessaire, notamment si l'injection de l'eau sous forme finement divisée a lieu au moyen d'ajutages, de porter l'eau à une pression notablement supérieure à celle de la va- peur. Si la vapeur d'excitation et l'eau d'injection provien- nent de la même chaudière, comme il est indiqué par exemple en 2 et 3 de la Fig. 1 et si dès lors la vapeur et l'eau sont à la même pression, il faut abaisser artificiellement la pres- sion de la vapeur destinée aux vaporisateurs.
On peut utiliser à cet effet un réducteur de pression, lequel est indiqué en 29 dans l'exemple de la Fig. 1.
La construction est simplifiée lorsque toutes les pièces utilisées ont les mêmes dimensions. On peut arriver à ce résultat en donnant à tous les éléments de surchauffeurs des surfaces égales et en les disposant d'une manière uniforme autour du foyer et dans les conduits de fumée. En outre, on reliera ensemble tous les surchauffeurs ou groupes de surchauf- feurs en cascade et l'on calculera leurs surfaces et sections de passage, (par exemple en branchant plusieurs éléments de surchauffeurs en parallèle), de telle manière que, pour chaque surchauffeut ou groupe de surchauffeurs les corps des vapori- sateurs et les ajutages d'injection aient même grandeur et mê- me construction.
Le générateur de vapeur ainsi proposé présente encore cet avantage que les parties de la chaudière qui contien- nent das quantités relativement grandes d'eau et de vapeur, comme par exemple la chaudière d'excitation et le collecteur, sont séparées des tubes surchauffeurs, c'est-à-dire des orga- nes servant proprement à la production de la vapeur et qui sont
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disposés dans les conduits de fumée. Ceci permet d'isoler com- plètement certains organes sans interrompre le service et de munir les tubes de surchauffe de clapets de retenue ou de sou- papes de rupture, lesquelles isolent automatiquement du géné- rateur le tube intéressé au cas où il viendrait à se rompre.
Ces mêmes raisons font que le générateur de va- peur peut fonctionner comme générateur rapide et comme chaudiè- re de pointe. Les tubes de surchauffe servant à la production proprement dite de la vapeur peuvent, contrairement aux bouil- leurs des chaudières ordinaires, avoir un petit diamètre. L'é- paisseur des parois de ces tubes est donc faible, même pour des pressions de vapeur élevées. Le poids des surfaces de chauffe est, par suite, extrêmement faible comparé au cas d'une chau- dière à tubes bouilleurs de même surface de chauffe. La cham" bre d'eau est supprimée, ainsi que les masses des réservoirs nécessaires, dans les chaudières ordinaires, pour contenir ces quantités d'eau.
Avec un mode de chauffage convenable, au char- bon pulvérisé par exemple, le présent générateur permet une pro- duction de vapeur immédiate, car seules les masses peu impor- tantes des surchauffeurs ont à être portées à la température de régime, tandis que la génération de vapeur commence immédia- tement avec l'injection de l'eau dans la vapeur surchauffée.
Lorsqu'on a un besoin immédiat de vapeur, on la prend en géné- ral directement dans les vaporisateurs et surchauffeurs ; dant, si le réservoir est en pression ou si l'on dispose d'un temps suffisant pour le mettre en pression, la prise de vapeur peut aussi avoir lieu par l'intermédiaire de ce réservoir. Le présent générateur peut donc être conduit à volonté comme chau- dière purement aquatubulaire ou bien, par l'interposition du collecteur de vapeur faisant fonction d'accumulateur, comme chaudière à grande chambre d'eau.
Afin de faciliter le mode de fonctionnement dé- crit, on veillera à ce que le réservoir soit toujours sous
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pression, c'est-à-dire que l'eau qu'il contient soit et demeure à une température correspondant à peu près à la pression de ré- gime de la vapeur. A cet effet, lorsqu'on arrêtera la chaudière par exemple, on enverra la vapeur restante dans la chambre à eau et même, pendant le sewice, on fera de même cons- tamment passer une partie de la vapeur dans la chambre à eau du réservoir.
Pour n'être pas obligé d'attendre la vapeur d'excitation de la chaudière d'excitation lors de la remise en marche, on peut dans bien des cas prélever aussi cette vapeur d'excitation à d'autres sources, par exmeple à des chaudières déjà en service et travaillant à la même pression. Un autre procédé très utile consiste à utiliser ce qu'on appelle une pompe thermique ou pompe de chaleur.
Une telle pompe permet, surtout si elle est construite comme pompe à piston et lors même que le contenu du réser- voir s'est fortement refroidi, de transformer en vapeur une partie de l'eau du collecteur par l'effet d'une réduc- tion de pression convenable, puis de comprimer vette vapeur à la pression qu'elle doit avoir dans les suchauffeurs.
L'emploi d'une pompe thermique rend donc superflue la chaudière d'excitation et cela non seulement lors de la mise en marphe, mais même en service normal.
La Fig. 6 représente à nouveau le schéma du générateur de vapeur. Les numéros de référence des orga- nes analogues sont les mêmes que dans la Fig. 1. Cette fi- gure montre aussi le raccordement de la pompe pour l'eau d'injection qu'on tire du réservoir ainsi que le moteur entraînant cette pompe. De plus, 75 désigne la con- duite d'aspiration de la pompe de chaleur, elle-même dési- gnée par 76 et son moteur d'entraînement par 77. La figure indique en outre une conduite de communication 78 comman- dée par la soupape 79 et qui permet de conduire la vapeur en excès, ou celle qui continue à se produire après l'ar-
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rêt de la chaudière, dans tous les surchauffeurs et de la condenser dans la chambre à eau du réservoir.
Comme, à la différence du corps supérieur dès-chaudières normales, ce réservoir peut fonctionner avec un niveau très variable, on peut, dans le cas par exemple où l'on doit accumuler une grande quantité de vapeur dans le réservoir, empêcher une élévation excessive de la pression en alimentant avec de l'eau froide.
Au lieu d'eau, on peut aussi mettre dans le ré- servoir un liquide à point d'ébullition élevé, afin d'at teindre des températures élevées avec des pressions faibles dans le dit réservoir. 11 faut alors conduire la vapeur d'eau surchauffée dans des serpentins où elle se condense et cède sa chaleur au liquide à point d'ébullition élevé.
Pour produire de la vapeur d'eau supplémentaire ou pour réchauffer l'eau d'injection, on refoule de l'eau sous pression dans ces serpentins où elle reprend la chaleur accumulée dans le liquide à point d'ébullition élevé.