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"Procédé de génération indirecte de vapeur par vapeur de chauffage surchauffée . "
La présente invention concerne la génération indirecte de vapeur par vapeur de chauffe surchauffée, traversant des éléments de chauffe situés dans le réservoir de va- porisation et cédant la chaleur au contenu du vapori- sateur. Dans les procédés connus jusqu' présent il est nécessaire que la vapeur de chauffage se trouve à son entrée dans un élément de chauffe à un état tel (pression et température) qu'elle puisse céder pendant la traversée de l'élément de chauffe la chaleur nécessaire à la vapori-
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sation du contenu du réservoir sous forme de chaleur de surchauffe et de chaleur de vaporisation et, le cas échéant, également sous forme de chaleur de liquide.
Ces conditions imposent des limites déterminées à la réalisa- tion du procédé connu. En règle.générale, il est néces- saire que la pression de vapeur de chauffage soit supé- rieure à celle de la vapeur à engendrer, car ce n'est qu' cette condition qu'on peut communiquer à la vapeur de chauffage la chaleur totale nécessaire. L'invention a précisément pour objet d'indiquer un moyen permettant d'arriver à la génération indirecte de vapeur sans que la condition précitée soit satisfaite, et de montrer qu'il est au contraire possible d'utiliser une vapeur de chauffage de pression quelconque, spécialement à basse pression tout en engendrant de la vapeur motrice de toute pression voulue ,allant, le cas échéant, jusqu'à la pression critique.
A cet effet, on fait passer la vapeur de chauffage surchauffée, afin de réaliser une transmission de chaleur répétée au contenu du vaporisa- teur,alternativement par des éléments de surchauffe chauffés de l'extérieur et par des éléments de chauffage disposés dans le vaporisateur. La particularité du pro- cédé, selon l'invention, consiste en ce que le véhicule de chaleur est formé par la vapeur de consommation qui, sur son chemin du générateur vers l'endroit d'utilisa- tion ( machine, échangeur de chaleur) passe par les étages de chauffage et dont la pression est supérieure à la pression de marche de l'endroit d'utilisation d'une quantité suffisante pouque la chute de pression ainsi réalisée détermine l'écoulement de la vapeur de chauffage par les étages de chauffe,
Le nouveau procédé n'a donc pas besoin ni de dispositifs spéciaux (pompes de circu- lation) pour faire passer l vapeur de chauffage par
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les éléments de chauffe, ni d'une réfrigération poussée ' de telle sorte que la traversée des éléments de chauffe soit assurée par la différence des poids de la vapeur de chauffage dans le conduit d'amenée et de l'eau de condensation de chauffe dans lé conduit d'évacuation.
Le nombre d'étages de chauffe est déterminé dans chaque cas particulier suivant les conditions imposées.
Si l'on se propose, par exemple ,d'engendrer la vapeur à haute pression à 50 atmosphères en employant comme vapeur de chauffage la vapeur surchauffée à 475 à 17 atm.abs. que l'on prélève, par exemple, sous forme de vapeur saturée à une installation de chaudière existante le nombre d'étages de chauffe se détermine de la manière suivante:
La chaleur totale de vapeur de chauffage à 17 atm. et 4750 est égale, d'aprs le diagramme IS,à 815 kcal/kg. De cette chaleur totale est disponible la chute de chaleur jusque la chaleur totale de la vapeur de chauffage à la température de saturation de la vapeur à engendrer . 50 atm., c'est-à-dire environ. 263 , en admettant d'abord que la vapeur de chauffage se refroidie jusqu'à cette température.
Cette chaleur totale est égale d'après'le diagramme IS à 703 kcal/kg. La chute de chaleur disponible atteint donc 815 - 703 = 112 kcal/kg.
Si l'on admet de plus, par exemple, que le'va- porisateur à haute pression est alimenté par la chau- dière de vapeur de chauffage de façon que la température d'eau d'alimentation soit d'environ 2000, on a alors besoin d'après le diagramme de vapeur de Stodola d'une
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chaleur de vaporisation de 644,5-200 =464,5 kcal/kg. Il en résulte que le nombre d'étages de chauffe nécessaire est de 464,5 = 4,15 étages. En pratique, on dispo-
112 sera cinq étages ou, pour avoir une certaine réserve,on prendra six étages de chauffage.
Si l'on veut,avec la même vapeur de chauffage , engendrer de la vapeur à haute pression à 224 atm. abs., c'est-à-dire à la pression critique, on a besoin d'un appoint de chaleur de 508 - 200 A 308 kcal/kg. La tempé- rature de vapeur saturée à 224 atm. est égale à 3740 environ et la chaleur totale de la vapeur de chauffage à 17 atm. abs. atteint à cette température environ 763 kcal/kg, la chute de chaleur disponible est donc égale à 815 -763 = 52 kcal/kg. Il en résulte que le nombre d'étages de chauffage est de 308 = 5,92 étages. De
52 cette façon, on peut calculer .le nombre d'étages de chauffage pour chaque pression voulue de la vapeur mo- trice à engendrer jusqu' la pression critique.
Lorsqu'il s'agit d'engendrer à l'aide d'une quan- tité de vapeur de chauffage déterminée non pas la même quantité de vapeur motrice,mais un multiple de cette quantité, par exemple la quantité double de vapeur motrjoe il y a lieu alors de prendre un multiple, par exemple le double, du nombre d'étages calculé d'après ce qui pré- cède.
La pression de vapeur de chauffage peut varier dans de larges limites et l'on peut aussi utiliser comme vapeur de chauffage, de--la vapeur , très basse pression.
En admettant, par exemple, que l'on veuille engendrer de la vapeur motrice à 50 atm. à l'aide de vapeur de chauffage à 1,4 atm.ab.,qui doit être à nouveau sur- chauffée à 475 et que la température d'eau d'alimen- tation de la chaudière principale est égale à 1050, on @@
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a besoin pour la vaporisation d'un kilogramme d'eau de chaudière principale à 1050 ; 664,5 - 105 = 559,5 kcal/kg.
La chaleur totale de vapeur de chauffage à 4750 est égale d'après le diagramme IS à 818 kcal/kg., et celle de la vapeur à engendrer à 50 atm. et à la température de saturation, c'est-à-dire à 2630 à 715 kcal/kg, de sorte que l'on peut disposer d'une chute de chaleur de 818 - 715 = 103 kcal/kg . Il en résulte que le nombre d'étages est de : 559.5, = 5,43 étages.
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La vapeur de chauffage,peut être prélevée sur un générateur de vapeur quelconque par exemple sur un généra, teur à basse pression existent,comme il vient d'être in- diqué. Il va de soi que le procédé n'est pas limité l'emploi de vapeur de chauffage dont la pression est inférieure à celle de la vapeur à engendrer. Il est,par exemple, assez naturel d'employer la vapeur à haute pression, engendrée indirectement, comme vapeur de chauf- fage et de l'introduire du vaporisateur dans le premier étage de chauffe directement, c'est-à-dire sans change- ment de pression. Toutefos' le cas éohéant, on peut di- minuer la pression de la vapeur de chauffage, prélevée sur le vaporisateur chauffé indirectement, avant son entrée dans les étages de chauffe.
Il est important pour l'échauffement à la mise en route du générateur que l'on puisse engendrer selon 1' invention, la vapeur de chauffage dans le surchauffeur de vapeur de chauffage même en introduiant dans le premier étage du surchauffeur de l'eau distillée. Cette eau se vaporise dans les premiers étages du surchauffeur et la vapeur engendrée est surchauffée dans les étages suivants du sur chauffeur. Pour accélérer la génération de vapeur
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dans le surchauffeur, on abaisse la pression dans le système de chauffage en laissant échapper la vapeur de chauffage du dernier étage à l'air libre ou en la diri- geant.dans un condenseur.
Comme pour la génération de vapeur à une pres- sion élevée déterminée, on n'est pas lié , l'emploi de limites de pression relativement étroite pour la vapeur de chauffage et qu'au contraire, on peut choisir la pres- sion de la vapeur de chauffage dans de larges limites, le nouveau procédé convient plus particulièrement dans le cas où un étage à haute pression doit être branché avant une installation de force motrice à vapeur existan- te. On peut alors choisir la pression initiale de la vapeur de chauffage suivant la pression de la vapeur, engendrée pour l'installation de chaudières existante, en disposant dans cette chaudière, qui fournit alors la vapeur de chauffage, les éléments de surchauffe des éta- ges de chauffage de la génération de vapeur à haute pres- sion.
La vapeur d'échappement des étages de chauffe peut produire le travail dans l'installation de machines existantes. La pression de vapeur à 1 entrée de cette installation de machines, est, par exemple, abaissée par rapport à la marche précitée , de sorte que la chute de pression nécessaire à la traversée par la vapeur de chauf- fage des étages de chauffe est maintenue,ou bien que la vapeur d'échappement venant des étages de chauffe est dirigée dans un étage de pression inférieure de la machi- ne.Dans tous les cas, l'écoulement de vapeur de chauffe par les étages de chauffe n'est assuré.que par une chute de pression entre l'entrée de.
vapeur de chauffage et sa sortie, ce qui a pour conséquence l'avantage qu'on n'est pas lié en ce qui concerne la position du vaporisateur
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à haute pression, celui-ci pouvant, par exemple,être placé au-dessous du générateur de vapeur de chauffage.
Le dessin annexé,donné à titre d'exemple, repré- sente schématiqement divers modes de réalisation de dis- positifs permettant de mettre en pratique le procéda de l'invention.
La fig. 1 montre en coupe verticale un généra- teur indirect de vapeur combiné avec une chaudière marine cylindrique de construction courante.
La fige 2 est une coupe suivant II-II de la fig.l .
La fige 3 montre une variante d'une installa- tion de chaudière marine en coupe longitudinale.
La fig. 4 représente en coupe transversale une installation de chaudière fixe.
La fig. 5 est une coupe longitudinale d'une locomotive.
La fig. 6 est un schéma d'une variante de ré- alisation d'une installation de chaudiéres à deux pres- sions.
Dans le mode de réalisation des fig. 1 et 2, 1 désigne le générateur cylindrique de vapeur à basse pression et 2 le réservoir cylindrique du vaporisateur dans lequel on engendre la vapeur à haute pression par la chauffe indirecte.,De plus, 3 désigne les tubes à ' flamme de la chaudière cylindrique, 4 la chambre de re- tour, 5 les tubes de fumée ( qui pour plus de clarté ne sont pas représentés sur la fig.1) et 6 la conduite de
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fumée. Les étages de chauffe traversés par la vapeur de chauffage sont constitués par les éléments de sur- chauffe et les éléments de chauffe qui alternent avec les premiers.
L'exemple représenté sur le dessin com- porte six étages de chauffe dont chacun est constitué par un élément de surchauffe 8 placé dans la chambre de retour et par un élément de chauffe 9 disposé dans le réservoir d'eau du vaporisateur 2. Le premier élément de surchauffe est raccordé à un conduit d'amenée de va- peur de chauffage 10 communiquant avec le réservoir de vapeur de la chaudière cylindrique,tandis que de l'élé- ment de chauffe 9 du dernier étage de chauffe, un conduit d'échappement 11 de vapeur de chauffage mène du réser- voir cylindrique du vaporisateur 2 vers l'extérieur.Le conduit de liaison 12 entre un élément de surchauffe 8 Et l'élément de chauffe cotfespondant 9 ainsi que le con- duit de liaison 13 entre un élément de chauffe 9 et l'élément de surchauffe 8 suivant traversent chacun l'un des tubes de fumée 5.
La vapeur de chauffage prélevée sur la chaudière 1, passe donc par le conduit d'amenée 10 dans le premier élément de surchauffe 8, puis dans le premier élément de chauffe 9 du réservoir cylindrique du vaporisateur 2, puis alternativement par un élément de surchauffe et un élément de vaporisation jusqu'à ce qu'elle soit amenée du dernier élément de vaporisation 9 par le conduit d'échappement 11 à un endroit d'utili- sation.
Le conduit d'amenée de vapeur 10 est raccordé à un conduit d'alimentation 14 par quel on peut, en cas de besoin, introduire dans le premier étage de surchauffe
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8 de l'eau distillée,afin d'engendrer ainsi la vapeur de chauffage dans le premier étage de chauffe même.On pro- cède de la sorte avantageusement à la mine en route du générateur tant que la chaudière à basse pression 1 ne fournit pas encore de vapeur de chauffage.
Pour accélérer la génération de vapeur'dans les étages de chauffe, on @ raccorde momentanément le système de chauffage par un conduit 15 dérivant du conduit d'échappement 11, à un condenseur.Par un conduit d'alimentation 18 et une pompe 19 on améne' au réservoir cylindrique du vaporisateur 2 l'eau d'alimentation de la chaudièrs à basse pression 1.
La vapeur à haute pression engendrée dans le vaporisateur passe par un conduit 20 dans un surchauffeur 21 disposé dans la chambre de retour de la chaudière cylindrique 1 d'où la vapeur à haute pression surchauffée passe par un conduit 22 dans le cylindre 23 et de là dans le cylindre 24 d'une machine à haute pression à deux étages.
Le conduit d'échappement 25 du cylindre à haute pression 24 débouche dans le conduit d'évacuation de vapeur de chauffage venant des étages de chauffe de sorte qu'il se produit un mélange de la vapeur d'échappement à haute pression avec la vapeur de chauffage. Comme la température de vapeur à haute pression engendrée indirectement dans le réservoir cylindrique 2 est sensiblement supérieure à la température de saturation de la vapeur de chauffage, la vapeur de chauffage s'échappant de l'étage de chauffe par le conduit 11 est encore surchauffée,ce qui a pour conséquence que le mélange de vapeur, provenant de la vapeur d'échappement à haute pressi et de la vapeur
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de chauffage, peut être employé à basse presseion.
On ad- met dans le mode de réalisation représenté sur le dessin, que ce mélange travaille dans les cylindres 26 et 27 de l'installation de machines existant auparavant .Sur ces cylindres existants 26, 27, sont montés les nouveaux cylindres à haute pression 23, 24. On abaisse la pression de vapeur à l'entrée des cylindres 26, 27 par rapport à celle qui y était utilisée antérieurement à la trans- formation, de telle sorte que par rapport à la pression de vapeur de chauffage à l'entrée du premier étage de chauffe, qui correspond approximativement à la pression de marche de la chaudière,il existe une chute de pression suffisante pour assurer une vitesse d'écoulement conve- nable dans les étages de chauffe.
Dans le mode de réalisation de la fig. 3, la génération de vapeur de chauffage a lieu également dans une chaduière cylindrique 28 à tubes de fumée 29. Le trajet des gaz chauds correspond environ à celui d'une chaudière marine à retour de flamme. Le foyer est dis- posé toutefois non pas dans. des tuyaux à flamme,mais dans une chambre de combustion 30 spéciale,-située au- dessous de la chaudière 28 et qui est séparée de celle- ci par une cloison 31.
Les gaz chauds s'acheminent dans le foyer vers l'ar.rire dans un carneau vertical 32, formé par une cloison transversale 34 introduite dans le compartiment de retour 33,traversent en montant ce carneau 32 et passent par la chambre de retour 33 dans les tubes de fumée 29 et après avoir traversé ceux-ci,
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dans le conduit d'échappement 35. Le réservoir cylindri- que 2 du générateur de vapeur chauffé indirectement est situé au-dessus de la partie avant de la chambre de combustion et est protégé contre l'action directe de la chaleur de la chambre de combustion par une cloison 36.
Les étages de chauffe successifs, dont; pour plus de clarté, quatre seulement sont représentés sur le dessin, sont constitués chacun par un élément de sur- chauffe et par un élément de chauffe. Les éléments de surchauffe 38 sont disposés sous forme de surfaces de chauffe par rayonnement à proximité des parois du foyer.
Les éléments de chauffe 39 peuvent aussi s'étendre dans le sens longitudinal du réservoir cylindrique pour pré- senter la surface de chauffe nécessaire. Le premier élément de chauffe 39 est raccordé au conduit d'amenée 40 par lequel arrive la vapeur de chauffage engendrée dans la chaudière 28. Dans ce conduit 40 débouche un conduit d'alimentation 41 permettant d'introduire,lors de la mise en route, de l'eau distillée dans l'élément de chauffage du premier étage de chauffe afin de pouvoir engendrer la vapeur de chauffage dans le surchauffeur.
La vapeur de chauffage travers toujours alternativement un élément de surchauffe 38 et un élément de chauffage 39 pour être dirigée du dernier élément de chauffage par le conduit d'évacuation de vapeur de chauffage 42 vers un endroit d'utilisation. Un conduit 43,branché sur le conduit d'échappement 42,permet de relier les étages de chauffe, lors de la mise en route, à un conden- seur. La vapeur à haute pression eng ndrée indirectement dans le réservoir cylindrique 2 du v porisateur passe par un conduit 44 dans un surchauffeur 45, disposé sur
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le trajet 32 des gaz chauds et de là par un conduit 46 à l'endroit d'utilisation.
Tandis que dans les modes de réalisation qui viennent d'être décrits, la vapeur de chauffage est en- gendrée dans une chaudière spéciale à basse pression, dans le cas du générateur fixe de la fig. 4 , la va- peur de chauffage est prélevée sur le réservoir cylin- drique à haute pression 2 chauffé indirectement comme on le pratique dans d'autres procédés de génération de vapeur. Le réservoir cylindrique est situé au-dessus du foyer, dans l'exemple choisi un foyer à tuyères (chauffe au charbon pulvérisé ou ! l'huile). La chambre de combustion 48 forme un carneau vertical qui, à son extrémité supérieure, communique par un carneau hori- zontal 49 avec un deuxième carneau vertical 50 dans lequel les gaz chauds s'écheminent de haut en bas vers la cheminée.
Les éléments 51 des étages de chauffe disposés dans le réservoir cylindrique 2 du vaporisa- teur alternent avec les éléments de surchauffe chauffés de l'extérieur. Trois des éléments de surchauffe,repré- sentés sur le dessin, à savoir les éléments 52 sont constitués sous forme de surface de chauffe . rayonne- ment près des parois de la chambre de combustion. Dans le quatrième élément de surchauffe sont intercalés des tuyaux 53 constituant de façon connue, une grille de réfrigération du laitier et l'élément de surchauffe 54 du dernier étage de chauffe est placé dans le carneau horizontal 49.
Du dernier élément de chauffe 51, la
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la vapeur de chauffage passe, d'abord par un surchauffeur
55 placé dans le carneau 50 et ensuite par un conduit 56, à l'endroit d'utilisation. Pour pouvoir engendrer à la mise en route,dans le surchauffeur des étages de chauffe, la vapeur de chauffage, le conduit d'amenée de la vapeur de chauffage 58, allant au premier élément de surchauffe 52 est raccordé à un conduit d'alimentation 59 et le con- duit d'évacuation de la vapeur de chauffage 56 à un con- duit 60 allant à un condenseur. La vapeur à haute pression engendrée dans le réservoir cylindrique du vaporisateur 2 passe par un conduit 61 dans un surchauffeur 62 disposé dans le carneau 50 et de là par un conduit 63 à l'endroit d'utilisation.
Derrière le surchauffeur 62 dans le car- neau 50 est encore placé un réchauffeur d'eau alimentaire 64 d'où l'eau d'alimentation réchauffée passe par un con- duit-65 dans le réservoir cylindrique du vaporisateur 2.
Les éléments de surchauffe des étages de chauffe sont connus et disposéscomme indiqué dans la description précédente) de diverses manières,mais toujours de façon que les éléments de surchauffe,alimentés par la va- peur de chauffage à pression plus élevée, soient placés à l'endroit où régnent les plus huâtes températures de la chambre de combustion,tandis que les éléments de surchauffe suivants sont situés aux endroits à tempera- Il! ture moins élevée,suivant la chute de pression de la vapeur de chauffage lors de la traversée des étages de chauffe.
0'et agencement présente l'avantage que la va- peur de chauffage la plus dense traverse les éléments de surchauffe portés à la plus haute température, de
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sorte que ceux-ci sont refroidis officacement et pro- tégés contre la détérioration parla chaleur. Il va de soi que la grandeur de la surface de chauffe des étages de chauffe successifs doit être proportionnée aux conditions imposées. Les dessins schématiques ne tiennent pas compte de ce point de vue, -,-dais il est vala ble pour tous les modes de réalisation représentés sur les dessins.
Dans le cas de la locomotive représentés fig.5, la vapeur de chauffage est également engendrée dans une chaudière spéciale à basse pression et notamment dans la chaudière longitudinale 68 au- dessous de laquelle es disposé le réservoir cylindrique de vaporisation 2. Les éléments de surchauffe 69 des étages de chauffe qui alternent avec les éléments de chauffe 70 situés dans le réservoir cylindrique de vaporisation 2 s'étendent en passent par un toyau 71, prévu au lieu des tuyaux à fumée habituels, jusque dans le foyer 72. La vapeur de chauffage passe du dôme 73 de prise de vapeur par un conduit 74 dans l'élément 69 du premier étage de chauffe et de l'élément 70 du dernier étage de chauffe par un conduit 75 dans le cylindre à basse pression 76 de la locomotive.
Au conduit d'amenée de la vapeur de chauffage 74 se raccorde un conduit d'alimentation 78 et au conduit d'évacuation de la vapeur de chauffage 75, un conduit de dérivation 79 par lequel la vapeur de chauffage peut s'échapper lors de la mise en route à l'air libre. La vapeur à haute pression, engendrée dans le réservoir cylindrique du vapori ateur 2, passe par un conduit 80 dans un surchauffeur 161,placé dans le
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tuyau 71 et le foyer 72, et de là par un conduit 82 dans le cylindre à haute pression 83.La vapeur d'échap- pement du cylindre à haute pression s'achemine par un conduit 84 au conduit d'évacuation de vapeur de chauf- fage ?5,afin de se mélanger, avant l'entrée dans le cylindre à basse pression 76, avec la vapeur de chau- fage .
Comme variante du mode de réalisation de la'fig.
4 dans lequel une partie seulement de la vapeur à haute pression est prélevée comme vapeur de chauffage des étages de chauffe sur le réservoir cylindrique du géné- rateur chauffé indirectement,tandis que l'autre partie (plus grande) de la vapeur è haute pression est dirigée directement dans la machine après une surchauffe préala- ble,dans le mode de réalisation représenté fig. 6 toute la vapeur à haute pression engendrée indirectement dans le réservoir cylindrique du générateur 2 traverse d'abord les étages de chauffe et passe ensuite dans la machine.
Les étages de chauffe comportent chacun un élément de surchauffe 85 chauffé de l'extérieur et disposé dans le foyer à la manière d'une surface de chauffe à rayonne- ment, et,un élément de chauffe 86 situé dans le réservoir cylindrique du générateur 2. La totalité de la vapeur à haute pression passe du réservoir cylindrique 2 par un conduit 88 dans le premier élément de surchauffe 85.
Cette vapeur traverse successivement un élément de surchauffe 85 et un élément de, chauffage 86 et passe du dernier élément de chauffe 86 dans le conduit d'échap' pement des étages de chauffe 89. Au'premier étage de surchauffe 85 se raccorde un conduit d'alimentation 90 et au conduit d'échappement 89 un conduit de dérivation
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91 par lequel le conduit d'échappement peut être relié, à la mise en route, à l'air libre ou à un condenseur.
Le conduit d'échappement 89 est relié par l'intermédi- aire d'un organe d'obturation 92 à un surchauffeur 95 disposé dans les tubes de fumée 93 d'un générateur à tubes de fumée 94 d'où un,conduit 96 mène à l'étage à haute pression de la machine. En outre, un conduit de dérivation 99 muni d'un organe d'obturation 98 relie le conduit d'évacuation de vapeur 99 au réservoir d' eau de la chaudière à tubes 94.
Si l'organe d'obtura- tion 98 est fermé, la totalité de la vapeur de chauffage à haute pression passe par le surchauffeur 95 et le conduit 96 dans l'étage à haute pression de la machine, aprs avoir été employée dans les étages de chauffe à la génération indirecte de vapeur à haute pression par surchauffes et cessions de chaleur répétées au conte- nue du réservoir cylindrique du générateur 2. La pression à l'entrée de cet étage de la machine est inférieure à la pression de marche qui règne dans le réservoir cylin- drique du vaporisateur 2 d'une quantité suffisante pour assurer la vitesse d'écoulement nécessaire dans le étages de chauffe.
Comme de cette fagon, la pression de la va- peur de chauffage qui règne dans les éléments de chauffe 86 et, plus particulièrement, bien entendu, dans les derniers étages de chauffe, est inférieure à la pression de marche du réservoir cylindrique du vaporisateur 2, la vapeur de chauffage des éléments de chauffe ne peut pas se refroidir jusqu'à la température de saturation correspondant à cette pression plus faible de la vapeur de chauffage, et elle ne se condense pas en conséquence
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