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Circuit ferme de serpentins tubulaires pour la air-- culation naturelle de vapeur à haute pression sa torée ou, surchauffée*
Il est connu de chauffer des autoclaves ou dea chau- dières de types divers, destinés au chauffage de ,l'huile ou à la trempe, à la fonte de soude caustique à la vaporisation d'eau ou autre objet analogue, soit à feu direct,
soit avec de la vapeur de chaudière ordinaire au moyen d'un circuit de chauffe à circulation naturelle* Un tel circuit est constitué de tubes métalliques étroits qui sont remplis d'eau et chauffés tandis que la deuxième partie du circuit sert à la transmission de la chaleur et est disposée dans conduire >1'appareil de chauffe* Pouun tel procéda de façon pratique avec de bons résultats et sans rencontrer de difficultés de réalisation, il est nécessaire de prévoir certaines conduites
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de retour on des dispositifs destinés à remplacer de telles conduites.
Si un tel système est incomplètement rempli d'eau il se forme, en cas de forte chauffa, de la valeur à haute ,pression$ cette formation de vapeur ayant lieu tout parti- culièrement dans la partie du faisceau tubulaire placée. dans le four soumis à l'action du foyer. Il est possible il est vrai de,remplir le système entièrement avec de l'eau.
Mais comme. l'eau ne peut céder qu'une faible quantité de chaleur, on est obligé, dans les installations importantes, de revenir à. la formation de vapeur car de la vapeur saturée à haute pression ou de la vapeur à très haute pression fai- blement surchauffée oomme on peut en obtenir dans un tel circuit, est, par suite de sa forte capacité calorfique la meilleur agent de transmission de chaleur %onnu actuelle- les ) ment dans la technique. Malgré perfectionnements apportés à cette industrie dans ces dernières années. l'obtention de vapeur sèche à haute pression dans de tels circuits tubulai- res fermés est encore soumisà de nombresues difficultés.
Ces difficultés proviennent des phénomènes naturels de l'ébullition dans des serpentins étroits: ceci sera mieux compris en se référant au dessin qui montre en même temps, à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'invention.
La fig.l montre schématiquement l'installation sui- vant l'invention.
La fig.2 montre une variante de détail.
La fig.3 montre un système de vanne.
Le serpentin 2. placé dans le four 1 est chauffé par exemple par un foyer 3 placé en dessus ou en dessous du. four et alimenté par du gaz, de l'huile ou autre combustible.
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Le serpentin 2 est totalement ou partiellement rempli d'eau
Lorsque l'on a suffisamment chauffa' la vapeur commence à se former en bouillonnant dans le serpentin et exactement comme dans une chaudière. Ce bouillonnement se produit parce que les vapeurs se forment non pas seulement à la surface supérieure mais encore dans les couches profondes de liquide. S'il s'agit d'une chaudière avec grande surface supérieure, la vapeur produite peut pousser latéralement les couches d'eau supérieures, ce qui produit le bouillonnements
Dans le cas considérée il s'agit d'un serpentin tubulaire ayant par exemple 20 m/m de diamètre et 80 à 100 mètres pas ) de long.
Une poussée latérale n'est donc ici/possible, et les vapeurs produites dans le tube ne peuvent se diriger vers la chambre de vapeur qu'en poussant devant elles toute la colonne d'eau placée au-dessus. En un mot, la montée des bulles de vapeur ne peut se faire que par à=coups et très énergiquement lorsque le serpentin est chauffé de façon continue. Nais l'effet technique que l'on recherche est un chauffage du serpentin 4 dans l'appareil ou chaudière 5, avec de la vapeur sèche. Ceci n'est pas obtenu lorsque le serpentin tubulaire 2 est relié directement par la conduite de vapeur 6 aveo le récipient chauffé car toute la colonne d'eau placée en avant des bulles de vapeur se trouve ensuite poussée dans le serpentin 4.
Bien qu'il soit rempli d'eau. celui-ci ne reçoit pas en réalité de la vapeur sèche, mais principalement de l'eau chaude dans laquelle se trouve quel- ques bulles de vapeur. Pour sécher la vapeur c'est-à-dire en retirer l'eau, entrainée, on a placé dans la conduite !le )vapeur, des appareils de séchage ou de séparateurs, dans des conditions telles que d'une part une dérivation d'eau et une
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dérivation de vapeur y soient raccordées et que d'autre part le mélange puisse y jaillir régulièrement par le côté ou par en haut.
S'il s'agissait uniquement de vapeurhumide qui devrait être séohée à la partie supérieru le séparateur comme ) n'aurait aucun but Mais/il ne jaillit pas seulement de la vapeur mais que en outre, sans tenir compte des courts intervalles auxquels cela a lieu, de l'eau est continuellement introduite dans le séparateur, un séchage de la vapeur n'a pour ainsi dire aucun sens* Le flux entraine toujours, et bien plus encore dans les tambours de grande dimension, une telle quantité d'eau avec lui que la vapeur est toujours entièrement humide.
Il se produit encore un autre inconvénient particu lièrement grave aveo les dispositifs connus jusqu'à ce jour.
La vapeur à haute pression condensée dans le serpentin 4, diminue de volume puisqu'elle a toujours, jusqu'au niveau de son point critique, un poids spécifique bien plus faible que celui de 1'eau Ceci a pour conséquence la formation d'un vide: en 4 lors de la condensation, ce vide ayant alors pour effet d'aspirer de l'eau de la partie inférieure du serpentin chauffé 2 pour la conduire à travers le tube de retour de condensation 7 dans le serpentin 4. Ceci a lieu principalement lorsque 1'appareil est garnipar exemple avec un liquide froid. Cette aspiration rapide du tube chauffé 2 constitue alors un très grand danger pour la marche de l'appareil.
Il peut se produire des avaries. de marche car par suite de l'aspiration agissant dans le serpentin chauffé, clui-ci peut-être porte; au rouge et fondre de sorte que la pression de 50 ou 100 atmosphères de vapeur ou d'eau brus- quement libérée agit avec toute sa puissance aur le fouyer
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Ainsi avec' tous les systèmes connus, que ceux ci soi ent munis d'un sécheur de vapeur ou séparateur d'eau de type usuel., ou travaillent d'une autre manière, le passage de vapeur véritablement sèche vers le serpentin chauffé 4 et le passage forcé de l'eau ainsi que la circulation de vapeur ne sont pas assurés ;
d'autre part ces circuits ne sont pas réglables de 1'.extérieur* Dans tous les systèmes connus. il est impos- sible, pendant que le chauffage est en action. d'interrompre la circulation de vapeur à volonté ou de connecter et de déconnecter l'appareil,
sans mettre l'installation du four en péril de la manière qui a été exposée plus haut* La cause de cela réside dans la dépendance obligatoire danslaquelle se trouventtous les facteurs du circuit fermé' Si le foyer transmet au serpentin 2 une certaine quantité de chaleur cette quantité doit être utilisée pour la production de vapeur et transmise par la circulation dans lé serpentin 4 au récipient* Une telle interdépendance entre l'appareil 5 et le four 1 est souvent indésirable car une réaction brus- que de la fonte dans l'appareil 1 peut, par les:
défauts d'étanchéité du récipient ou pour toute autre causer obliger à une interruption immédiate de la transmission de chaleur sans que l'on puisse arrêter le four qui, par exemple peut être utilisé pour le, ohauffage d'autres appareils.
L'invention permet d'éviter les inconvénients qui viennent d'être exposés en même temps que la vapeur sèche obtenue dans des espaces intermédiaires très raccourcis est empêchée de venir en contact avec l'eau et peut au contraire jaillir dans le serpentin chauffé 4 ausi tôt après avoir traversé un tambour de vapeur sèche* Le mélange d'eau et de vapeur par contre est tout d'abord soumis dans une certaine
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mesure à une séparation sommaire et pénètre ensuite dans un tambour de séparation du mélange disposé en parallèle ,avec le circuit et qui, dans les conditions analogues au barrage d'un fieuve parmet la séparation du mélange devenu. complètement tranquille et insensible au remous.
On obtient ainsi, à partir du mélange d'eau, de la vapeur sèche* Finalement on provo que dans le système une égali sation de pression, soit automatiquement par une dis du tambour d'eau prévu position spéciale, soit à volonté par une conduite d'inversion commandée de l'extérieur, mais on ne doit pas ramener la conduite de retour de condensation dans le tambour d'eau. elle doit au contraire déboucher directement dans le serpentin 8.
Dans la fig.l qui montre à titre d'exemple une réa- lisation de l'invention, est disposé, en parallèle avec le circuit, un tambour de séparation du mélange 8 relié avec un tambour séparateur étroit 9 pour la vapeur sèche et un tambour intérieur 10 pour 1'eau Le tube en croix 11 sert pour la séparation sommaire et la mise en parallèle. Le tube d'égalisation de pression 12, muni d'un robinet ou vanne 13 de oonneotion et de réglage, relie le tambour de vap eur sèche 9 avec le. conduit 7' de retour de condensation.
Le mélange d'eau et de vapeur en ébullition énergique dans le serpentin étroit est soumis, dans le système de tambour et partiellement un peu avant, à une séparation soigneuse.
Dans la marche au ralenti, une partie de l'eau qui s'élève est ramenée dans le tambour inférieur 10 dès qu'elle arriva au tube en croix 11 pour revenir dans le serpentin tubulaire 2
Les bulies de.vapeur se trouvant dans le courant deau s'élèvent
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vers le tambour supérieur de vapeur sèche 9;, par suite de l'augmentation de l'espace qui lui est offert, se produit une détente en même temps qu'une décantation de l'humidité encore en suspension dans la tapeur de sorte que cette vapeur déjà. sèche en elle-même arrive parfaitement sèche dans le serpentin 4 après avoir traversa la conduite de vapeur 6.
Si toutefois l'ébullition est plus énergique la marche de l'appareil est plus rapiàe et lors de leur montée, les quanti té s d'eau et de vapeur niont, par suite de la brusquerie des à-coups d'ébullition, pas le temps de se séparer au point de oroisement 11; par suite de leur grande vitesse, leur séparation serait toujours incomplète même dans un séparateur de plus grande dimension placé à cet endroit. Mais, en se dirigeant dans le chemin de plus faible résistance, elles se précipitent dans le tam- bour de grande dimension 8 où leur vitesse est entièrement brisée. Ce tambour a une surface de niveau supérieur! très grande et le mélange peut, au repos,' se séparer.
Le principe de la formation de vapeur sèche par la séparation du mélange maintenu au repos est encore rendu plus énergique suivant l'invention par le fait que la vapeur sèche se formant continuellement dans l'espace intermédiaire ne passe pas à travers le tambour de séparation;, cette vapeur choisit le chemin de plus faible résistance à travers le tambour de vapeur sèche. Il se produit ainsi dans l'ensemble de ce système de tambour.de la vapeur constamment sèche, d'après des principes fondamentaux différents, de ce qui se passait dans les séparateurs connus traversés violemment par le mélange et la vapeur.
Dans ces appareils, la vapeur sèche se renouvelant constamment dans le serpentin, était envoyée dans le séparateur pour y être humidifiée et non
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pas séchée*
Dans le dispositif des fig. 1 et 2, le tambour d'eau agit tout d'abord solidairement aveo une partie du tambour de séparation du mélange comme réservoir pour l'eau sépa- rée et détendue, puis agit ensuite dans une certaine me- sure pour la régularisation automatique du circuit* Lors- qu'un vide se produit brusquement en 4, le tambour d'eau est, dans le dispositif représenté, vidé très rapidement de sorte que de la vapeur provenant du tube en croix 11 et des autres tambours agit sur le niveau d'eau en 10;, il en résulte que la continuation de l'aspiration de l'eau du récipient 2 du four devient impassible.
Cette fonction du tambour d'eau a toutefois une signification secondaire car la conduite d'égalisation de pression 12 permet de commander à volonté de l'extérieur la même opération.
La prévision d'une telle commande de l'extérieur de 1'agalisation de la pression par le tube 12 constitue une deuxième nouveauté principale par rapportà tous les circuits tubulaire,% fermés connus jusqu'à ce jour.
Il est important de noter que la liaison est ici réalisés à des pointa plus haut de la conduite d'eau* De préférence l'égalisation de pression est réalisée au moyen d'un conduit de dérivation 12 disposé transversalement au conduit 11 et muni d'une vanne commandée 13, cette conduite étant reliée d'un part par exemple à la sortie inférieure du serpentin 4 chauffé par la vapeur et d'autre part au tambour de vapeur sèche où à un point de la conduite de vapeur; La communication du tube vers l'amont avant la mise en communication aveo cette dernière empâche l'entrée d'eau. En ouvrant la vanne, on éga- lise la pression.
Bien entendu: ceci ntest possible que lorsque
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le système de tambour est constitua de la manière qui a été décrite, de sorte qu'avec des systèmes de l'ancien modèle une telle égalisation de pression serait impossible.
Toute la circulation serait affectée par cette égalisation de sorte que la vapeur et l'eau se mélangeraient l'une à l'autre dans le système sans direction précise Mais avec la nouvelle dis position, la oommande de la direction des fluides se fait dans des conditions absoument/sûres La circulation régulière de la vapeur à travers le serpentin chauffé 4 est bien comme on le désir. liée à la circulation dans le serpentin 2 mais la séparation du mélange et le retour de l'eau séparer de même que le rassemblaement de vapeur en 9 et d'eau en 10 continue par contre tranquillement.
Jusqu'à il était impossible de connecter ou de déconnecter différents appareils pendant la pleine marche,, ce qui est maintenant possible Dans chaque appareil l'action de chauffe peut être limité ou entièrement interrompupour peu que l'on dispose d'autres vannes de fermeture dans la conduite. Grâce à légalisation de pression toute 1'eau retourne en outre dans le serpentin 2 de sorte que lorsque le système est connecté à un autre, appareil de chauffe, il ne souffre même pas d'un manque d'eau.
La séparation efficace du mélanbge, eau et vapeur dans , le système de-tambour qui a été décrit peut encore être améliorée en disposant dans le four 1 plusieurs serpentins 2.
Ceux placés le plus près de la flamme et chauffés au maximum et qui par conséquent produisent eux-mêmes de la vapeur sèche peuvent être connectés directement au tambour de vapeur sèche 9.
Les serpentins plus éloignés de la flamme et donnant naissance à un mélangea eau et vapeur sont conduits directement au tambour de séparation du mélange monté en parallèle dont la
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graille OU*face supérieure permet un séchage sans difficulté.
Enfin les serpentins les plus éloignés de la flamme, dans lesquels il n'est pas obtenu de vaiaeur et qui par conséquent. servent uni quement au réchauffage de l'eau.. peuvent débouoher dans le tambour d'eau 10. Pour permettre librement un échange avec la tambour de séparation du mélange, de la vapeur après le tambour de vapeur sèche de même que de l'eau après le tambour d'eau, il est recommandé d'employer autant que possible un grand nombre de tubes de connexion 14 de la plus grande section possible. Plus la résistance est ici faible, plus les vitesses sont faibles et plus la sépa ration se fait nettement.
Le cas échéante les tambours 9 et 10 peuvent par conséquent, pour éviter les diminutions de section, être connectes avec le tambour 10 de la manière indiquée à titre d'exemple fig.2 Les tubes de communication entre les tambours peuvent également être disposés de manière que certanis des tubes de communication 14 aboutissent aux extrémités inférieures des tambours 9 et 10 tandis que d'autres débouchent à l'extrémité supérieure. Les tubes connectés du haut conduisent ainsi la vapeur tandis que ceux du bas con- duisent l'eau. De même le dispositif permet de disposer plu- sieurs serpentins 4 dans les mêmes ou dans différents appa reils et également de les chauffer simultanément ou indépen damment l'un de l'autre. Les soupapes de commande 13 doivent alors être manoeuvrées de manière correspondante.
Il arrive fréquemment que le four 1 est monté à. grande distance de l'appareil à chauffer 5 soit que l'on veuille éviter le danger du feu soit pour des considérations matérielles ou pour toute autre cause. Si par exemple on est oblige d'envi-
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sager un éloignement de 30 à 40 mètres, le tube 12 d'égali sation de pression qui constitue la liaison directe entre le tambour de vapeur sèche et le tube 7 conduisant la cn densation, devraient être très longs* Si la vanne 13 est fermée et se trouve par exemple dans le milieu de la conduite la vapeur provenant de 9 se rassemblera en 12 et par suite du refroidissement se condensera.
Si donc le tube 12 est horizontal ou disposé dans des conditions enoore= plus défavorables:, oette condensation de vapeur indésirable peut conduire à des coups de bélier à l'intérieur du tube.
Il est donc reoommandable de ne pas disposer la soupape 13 dans le milieu du tube et d'employer au contraire deux soupapes 15 et 16 (fig.3) disposées aux deux extrémités du tube d'égalisation 2. Ces soupapes seront en outre décalées l'une par rapport à 1'autre de manière qu'en position de fermeture le tube 12 placé entre elles soit entièrement libre de chaleur et de pression. De cette manière les boisseaux de fermeture des. vannés 15 et 16 sont déchargés ce qui constitua un avantage qui est appréciable pour 1'étan chéité de tout le système pendant le fonctionnement, car un boisseau en charge céderait aux hautes pressions. En position complètement ouverte, on réalise de même un déchar gement @ complet des boisseaux.
Lorsque cela est avantageux, on peut encore prévoir plusieurs tubes d'égalisation de pression disposés en parallèle.
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