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Procédé et dispositif pour la transmission à d'autres corps de la chaleur des gaz sous pression, en particulier des gaz d'échappement des chambres d'explosion de préférence pour turbines à combustion interne.
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La présente Invention se rapporte à un procédé et à des dispositifs pour la transmission à d'autres corps de la chaleur des gaz sous pression, en particulier des gaz de combustion qui sont produits dans des récipients fermés avec développement de pression suivant le procédé d'explosion, en faisant sortir ces gaz à travers des diffuseurs de aha- leur, tels que des générateurs de vapeur, des surchauffeurs, etc... Dans ces derniers temps, on s'est occupé très active- ment de la séparation et de l'utilisation de la chaleur sen- sible des gaz d'échappement des chambres d'explosion comme celles qui sont principalement employées pour la commande des turbines à combustion interne.
Les propositions qui ont été
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faites à ce sujet reposent sur la mise en pratique du fait connu qu'avec les gaz à haute tension, on peut obtenir de très grandes vitesses de circulation qui doivent conduire à de brusques élévations correspondantes dans le coefficient de transmission de la chaleur et aussi dans les quantités de chaleur qui passent dans le diffuseur. Cet effet est ex- pliqué, d'après les toutes dernières découvertes dans l'étu- de de la chaleur et des courants, en ce que les grandes vi- tesses d'écoulement des gaz détruisent la couche de sépara- tion qui se forme entre le jet des gaz de combustion et les surfaces de transmission de la chaleur dans ces diffuseurs, et qui retarde la transmission de la chaleur.
En se basant sur eette constatation, on s'était efforcé spontanément d'accroître les vitesses d'échappement des gaz chauds, afin de faire disparaître réellement aussi la couche de sépara- tion.
Mais un tel procédé de travail est éliminé comme impropre à la commande des chambres d'explosion par les com- bustibles pulvérulents et qui, dans la pratique, est très souvent adéptée. L'érosion des parois des chambres de condui- te des gaz par les molécules entraînées et refroidies, par conséquent très dures des cendres de la poussière combusti- ble, s'augmente dans des proportions extraordinaires avec la vitesse de rebondissement de ces molécules de cendres, l'énergie anéantie pendant le choc étant à peu près égale au carré de la vitesse d'écoulement.
Il devient ainsi évident qu'avec les très grandes vitesses des gaz auxquelles il faut recourir pour la destruction des couchez de séparation indi- quées plus haut, 1'érosion atteint des valeurs qui ne sont pas admissibles en raison du danger qu'elles présentent pour la résistance du diffuseur de chaleur.
En dehors de cet inconvénient et en se basant sur
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les expériences qui ont été faites avec des diffuseurs de chaleur travaillant à de grandes vitesses, on est arrivé à la constatation surprenante que, contrairement à ce qui était généralement admis jusqu'ici et à l'idée technique qui s'était formée, les plus grandes transmissions de chaleur ne se produisent pas aux points où les vitesses du courant sont les plus élevées. De cette constatation découle une science nouvelle sur laquelle repose la présente invention et sui- vant laquelle d'autres Influences que les grandes vitesses des gaz sont essentielles et prédominantes pour une forte transmission de chaleur.
En étudiant plus attentivement ces circonstances sur une chaudière à vapeur dans laquelle étaient introduits les gaz produits dans une chambre d'explo- sion et qui se composait de plusieurs faisceaux tubulaires, il a été établi, par des mesures exactes, que la plus grande transmission de chaleur ne s'effectuait pas aux points où les gaz atteignaient leurs vitesses les plus élevées, mais bien dans le collecteur des gaz qui se raccordait au dernier faisceau tubulaire de la chaudière.
La production de la trans- mission maxima de chaleur dans ce collecteur est maintenant attribuée, sur la base des connaissances mises en application suivant cette invention, au fait que dans le collecteur les gaz chauds ont l'occasion de tourbillonner pille-mêle. Cela suppose ainsi que le jet de gaz qui, dans les différents pas- sages des faisceaux tubulaires s'écoule tout d'abord en cou- rants ordonnés et de même direction se transforme en un cou- rant irrégulier et désordonné en abandonnant le passage du dernier faisceau tubulaire, c'est-à-dire en pénétrant dans le collecteur libre qui fait suite au faisceau et qui est relativement grand en comparaison des passages des faisceaux.
Il s'ensuit que, dans le collecteur et en raison du tourbil- lonnement de sa masse totale, le jet de gaz se divise com-
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plètement, de sorte que maintenant les parties internes du jet viennent aussi en contact avec la paroi du conduit des gaz chauds ou collecteur et lui abandonnent leur chaleur.
Dans les constructions connues de diffuseurs de chaleur, il se produit aussi naturellement, dans les chambres étroites qui se trouvent entre les différentes rangées de tubes, un certain tourbillonnement accidentel; cependant ces chambres ne possèdent aucune influence, car elles ne sont formées que dans une faible mesure à la surface du jet de gaz et ne peuvent donner qu'un tourbillon soi-disant du bord.
Des expériences caractéristiques qui précèdent, la présente invention tire ce nouveau principe que pour uti- liser dans toute la mesure possible la chaleur sensible qui est contenue dans les gaz sous tension, par exemple, dans les gaz d'explosion, il convient certainement de faire tourbil- lonner le jet de gaz pendant son trajet dans le diffuseur de chaleur.
Les avantages du tourbillonnement ne peuvent cepen- dant être utilisés, et cela constitue une nouvelle caracté- ristique de l'invention, que lorsque toute la masse gazeuse produite qui doit être amenée à travailler sur le diffuseur de chaleur tourbillonne, et qu'un espace suffisant est mis à la disposition des tourbillons de gaz pour se développer, tandis que l'échange de chaleur proprement dit ne doit s'opé- rer de lui-même qu'après la mise en tourbillon des gaz et sous l'utilisation des vitesses de tourbillonnement. Cet échange peut être obtenu en amenant les tourbillons en con- tact d'échange de chaleur avec les parois qui limitent les chambres de tourbillonnement.
En conséquence, le procédé pro- posé suivant la présente invention pour la transmission de la chaleur des gaz sous tension, et en particulier des gaz d'échappement des chambres d'explosion, de préférence pour les turbines à combustion interne se caractérise par la mise
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en toupillons des gaz auxquels sont communiqués, après l'abaissement de leur tension, de grandes vitesses de circu- lation, et de leur masse centrale pendant le passage dans un diffuseur de chaleur, les gaz étant amenés en contact, après la formation des tourbillons, avec les surfaces d'échan. ge de la chaleur.
L'exactitude des principes qui sont à la base de la présente invention est confirmée par une étude atten- tive du fait que jusqu'ici les vitesses suffisamment élevées pour la destruction des couches de séparation qui, d'après ce qui précède, forment un obstacle pour l'accroissement de la transmission de chaleur, ne pouvaient être produites que par des réductions relativement fortes de la pression des gaz chauds, Cependant, comme dans ce procédé il ne se produit pour kes jets de gaz que des courants ordonnés et très régu- liers, il faut naturellement, pour la destruction de la cou- che de séparation, des vitesses extraordinairement grandes et, par suite, de fortes réductions de tension.
Si on emploie, par contre, des courants tourbillonnants, non ordonnés, mais irréguliers, on peut atteindre le même effet de destruction des couches de séparation avec une dépense considérablement moindre d'énergie. De plus, la couche de séparation est dé- truite d'une manière plus effective que par les courants de même sens. L'ancien précédé présente aussi cet autre incon- vénient essentiel que pendant la production des grandes vi- tesses des courants, non seulement la pression mais encore la température des gaz est considérablement abaissée en cor- respondance avec la détente adiabatique. La transmission de chaleur dans le diffuseur devient d'autant plus mauvaise que la différence de température entre les gaz chauds et les sur- faces de transmission est plus faible.
Marne quand m2 /0 C/H St
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donne un haut coefficient déterminé de transmission de la cha. leur, la quantité de chaleur échangée en correspondance à la chute réduite de température est plus faible que celle qui pourrait être atteinte en maintenant la température.
Avec le nouveau procédé sont obtenus les résul- tats avantageux suivants :
Tout d'abord, en faisant tourbillonner les gaz, la majeure partie de l'énergie de l'écoulement est anéantie et se transforme en élévations de température, de sorte que les températures qui existaient avant l'expansion sont de nouveau atteintes approximativement. D'un autre côté, il s'établit dans les conduits qui produisent le tourbillonne- ment un courant complètement désordonné et irrégulier des gaz chauds. Ce courant, par suite des grandes vitesses du tourbillonnement sépare les gaz chauds suivant leur masse centrale, de sorte que toutes les molécules de gaz viennent en contact avec les surfaces de transmission de chaleur des conduits des gaz chauds, en empêchant effectivement la forma- tion des couches de séparation.
Il suffit en outre d'une fai- ble quantité d'énergie pour produire les vitesses de tourbil- lonnement. Avec le nouveau procédé d'utilisation de la cha- leur, les rendements antérieurs des diffuseurs de chaleur travaillant d'après le procédé connu, et en particulier des générateurs de vapeur et des surchauffeurs, peuvent être réa- lisés avec un encombrement considérablement moindre en surfa- ce de chauffe. Réciproquement, en maintenant les diffuseurs de chaleur dans leurs dimensions habituelles, leur rendement se trouve augmenté dans de grandes proportions.
Un autre avan- tage de l'invention consiste en ce qu'il n'est plus nécessai- re, comme auparavant, de séparer les jets de gaz mécanique- ment par un grand nombre de tubes qui, comme on le sait, sont très sensibles à l'égard des érlsions, Par exemple, on peut
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employer les chambres avec des parois en fonte de fer ou d'acier et dans lesquelles les risques provenant des érosions sont diminués par la croûte dure de la fonte et par les épais. seurs plus grandes des parois.
Le nouveau procédé d'utilisation de la chaleur se montre particulièrement avantageux quand les gaz chauds sont conduits, sous une réduction de pression par étages, daru des passages formés d'une manière appropriée. L'expansion par étages des gaz chauds apporte encore cet autre avantage que par l'abaissement de la pression à des valeurs inférieu- res à celle de l'expansion à un seul étage par laquelle, suivant l'expérience, il se produit des vitesses d'écoule- ment extraordinairement élevées, l'érosion, dans l'emploi de la poussière de charbon, des parties des conduits des gaz qui sont exposées au courant gazeux est beaucoup moindre que dans l'expansion à un seul étage.
Les essais pratiques avec l'expansion à plusieurs étages ont montré, il est vrai, dans certaines circonstances des transmissions irrégulières de la chaleur dans la canalisation des gaz chauds, mais elles peu- vent être écartées par des moyens qui seront exposés en dé- tail ultérieurement.
Dans les dispositifs pour l'exécution du procédé suivant l'invention, il faut avant tout que les tourbillons de gaz puissent se former d'une manière suffisante. A cet effet, des moyens propres à produire le tourbillonnement sont disposés dans la canalisation des gaz chauds, des chi- canes par exemple qui, elles-mêmes, servent avantageusement comme surfaces d'échange de la chaleur. On obtient une réelle formation de tourbillons quand on a soin de désagréger le courant de gaz par des dispositifs prévus dans la chambre de tourbillonnement de la canalisation et, le cas échéant, de le faire tourner dans son trajet.
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Dans les dessins ci-joints sont représentés plusieurs exemples d'exécution du nouveau procédé pour l'uti- lisation de la chaleur dans l'application de l'idée de l'in- vention à un générateur de vapeur et qui est disposé, avec les gaz d'échappement d'une chambre d'explosion, comme les générateurs de gaz connus dans leurs rapports avec les turbi- nes à combustion interne.
Dans ces dessins :
La fig.l est le schéma de l'installation d'ensem- ble d'un générateur de vapeur, partiellement en élévation et partiellement en coupe.
La fig.2 représente en coupe longitudinale sui- vant la ligne II-II de la fig.3 un générateur de vapeur dont la surface de chauffe est formée par plusieurs chambres de tourbillonnement qui communiquent entre elles et sont traver- sées successivement par les gaz chauds.
La fig.3 est une coupe transversale et verticale de la chaudière suivant la ligne III-III de la fig.2.
La fig.4 est une coupe horizontale de l'extrémi- té d'admission de la chandière à vapeur suivant la ligne IV- IV de la fig.3.
La fig.5 est une deuxième coupe transversale et verticale de la chaudière suivant la ligne V-V de la fig.2.
La fig.6 est une coupe similaire de la chaudière suivant la ligne VI-VI de la fig.2.
La fig.7 représente un autre mode d'exécution de la chaudière à vapeur, également en coupe longitudinale cen- trale, dans laquelle les gaz chauds qui y sont admis arri- vent en passant par plusieurs conduits en forme de tubes di- visés en chambres successives par des points d'étranglement disposés de distance en distance.
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La fig.8 est une coupe transversale partielle de la chaudière de la fig.7 suivant la ligne VIII-VIII.
Les figs.9 et 10 montrent encore deux autres modes d'exécution de la canalisation des gaz chauds en coupe longitudinale.
Dans la figure 1, A désigne une chambre d'explo- sion allongée servant comme générateur de gaz et telle qu'el- le est habituellement employée pour la commande des turbines à combustion interne. La chambre d'explosion possède diffé- rents organes à commande hydraulique, autrement dit la soupa- pe à air B, la soupape d'admission du combustible C, la sou- pape d'échappement D généralement désignée sous le nom de soupape à tuyère, et l'appareil d'avance du combustible P qui est également à commande hydraulique.
Tous ces organes à commande hydraulique 'sont branchés, par une canalisation E1, E2 et E3, sur une distribution F de l'agent de pression, dis- tribution qui est fréquemment employée principalement dans les turbines à combustion interne, Cette distribution se eom- pose d'un corps tournant G qui, par un renvoi de mouvement H commandé par le moteur J, reçoit un mouvement continu et uni- forme, et met alternativement sous pression pour une courte période et décharge ensuite les différents bra.nchements El E3 dans le rythme du mode de travail dudit organe de distribu- tion.
Comme agent de distribution, on emploie de préférence et comme d'habitude l'huile comprimée ou un autre agent appro. prié sous tension qui, à l'aide d'une pompe L, du conduit M et de la cloche d'air N, est conduit du réservoir K dans l'espace vide 0 du corps tournant G et qui sert comme cham- bre de compression. Le dispositif L qui refoule l'agent de distribution sous pression est également commandé par le moteur J. Lesiagents de commande (l'air et le combustible) introduits dans la chambre d'explosion sont, après avoir for-
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mé un mélange explosible, enflammés à des moments prédéter- minés, au moyen d'un dispositif d'allumage Q, bougies d'allu- mage ou autre.
Les gaz de combustion à haute tension et fortement chauffés qui sont produits dans la chambre d'explo- sion A sont envoyés à travers la soupape à tuyère D.et la chambre antérieure de tuyère R dans le générateur de vapeur S raccordé à la chambre R et s'en échappent par le tube R après avoir abandonné la chaleur qu'ils renferment. L'eau d'alimentation de la chaudière est amenée dans le générateur de vapeur S à l'état réchauffé, cette eau, étant conduite à travers la chambre de refroidi s semant de la chambre d'explo- sion A et à travers la chambre antérieure à tuyère R d'où elle parvient alors dans le générateur de vapeur S en pas- sant sous une haute pression par le tube U et ses branche- ments de dérivation dans lesquels sont intercalés les organes d'étranglement Vl, V2 et V3.
L'eau d'alimentation est forte- ment chauffée dans ce,générateur S par les gaz délivrés par la ohambre d'explosion A, de sorte qu'elle se transforme en grande partie en vapeur dans le séparateur de vapeur W après la détente par la soupape de réduction de pression X. La va- peur produite est évacuée par le conduit Y, tandis que l'eau d'alimentation libérée de vapeur arrive par le conduit W1 à la pompe Z1.
L'eau d'alimentation qui, par cette pompe, est soumise à une haute pression est refoulée par le conduit W2 de nouveau dans la chambre de refroidissement signalée plus haut de la chambre d'explosion et dans sa chambre antérieure à tuyère, Sur le conduit de refoulement W2 estbranchée une deuxième pompe Z2 qui remplace par de l'eau fraîche la par- tie de l'eau d'alimentation qui a déjà été transformée et évacuée, sous forme de vapeur, par le conduit Y. Les deux pompes Z1 et Z2 sont commandées par le moteur électrique J..
Toutes les parties signalées jusqu'ici de l'ins-
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/ talla tion pour la mise en valeur des gaz et la production de vapeur sont connues et par suite ne forment pas l'objet de la présente invention qui se rapporte plutôt simplement à la conformation du diffuseur de chaleur et à l'utilisation économique de la chaleur contenue dans les gaz à haute ten- sion qui sont produits dans la chambre d'explosion.
On re- marquera d'ailleurs que la chambre d'explosion a é té choisie uniquement comme exemple d'un générateur de gaz, et que tout autre générateur de gaz et tout autre procédé de production des gaz peut trouver directement son application pour la pro- duction de gaz à haute tension dont la teneur en chaleur peut être utilisée éco nomiquement. Les gaz chauds peuvent égale- ment être exploités dans tout autre diffuseur de chaleur au lieu d'un générateur de vapeur.
On expliquera maintenant le diffuseur de chaleur (générateur de vapeur) qui est représenté dans tous ses dé- tails par les différentes vues des figs.2 à 6.
En 1 est un tambour extérieur de chaudière dans lequel est inséré avec un certain jeu radial un corps 2, éga- lement en forme de tambour, de sorte qu'entre ces deux corps 1 et 2 se trouve formée une chambre annulaire 3 qui est con- centrique avec l'axe de la chaudière. Dans cette chambre annu. laire débouche la conduite d'arrivée d'eau d'alimentation 5 qui est branchée sur la canalisation principale d'eau d'ali- mentation U, fig.l. Sur le côté opposé du tambour 1 est pré- vu le conduit de décharge 6 pour l'eau chauffée dans la chau- dière.
Le corps intérieur 2 se compose de plusieurs corps creux 7, au nombre de douze dans l'exemple d'exécution repré- senté, en forme de lentilles par exemple, placée les uns der- rière les autres et qui, dans la direction d'une extrémité à l'autre de la chaudière, communiquent alternativement entre eux par plusieurs raccords 8 disposés dans le voisinage de la
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périphérie des chambres vidés 7 et de passages centraux 11, de telle sorte qu'il en résulte un passage extrêmement tor- tueux pour les gaz chauds dans la chaudière.
Les différents raccords 8 dont ceux qui se trouvent réunis en un groupe dans un même plan perpendiculaire à l'axe de la chaudière ont une section transversale totale équivalente autant que possible à la section de passage d'un conduit central voisin 11, possèdent chacun une nervure 9 dirigée vers l'axe de la chaudière qui renforce l'assemblage entre les deux parois transversales 10 opposées l'une à l'autre des deux corps creux voisins 7 et qui portent les raccords de communication 8. Les passages centraux 11 sont formés par des étranglements profonds 12 de la paroi externe du tambour intérieur 2.
Dans chaque étranglement qui, au point correspondant du corps in- terne, s'étend sur toute sa périphérie sont prévues plusieurs nervures radiales 13 qui assemblent rigidement ensemble les deux parois transversales voisines d'un étranglement, de sorte que chacun des étranglements se trouve divisé en cham- bres intermédiaires 20 en forme de secteurs, fig.5. Comme on le voit en particulier par les figures 3, 5 et 6, le tambour extérieur 1 est pourvu sur sa paroi interne et dans le plan horizontal, de deux cloisons longitudinales opposées 21 qui s'appliquent dans toute leur longueur contre les cloisons longitudinales correspondantes 13 de la paroi externe du corps creux 2. Par suite, la chambre annulaire 3 entre le tambour extérieur 1 et le corps creux intérieur 2 se trouve divisée en deux moitiés.
De cette manière, l'eau d'alimenta- tion qui arrive sous pression par le conduit 5 dans la cham- bre annulaire 3 est forcée de s'élever de bas en haut à tra- vers les intervalles en forme de secteurs et le long des nervures radiales 9 et 13 dans la moitié supérieure de la chambre annulaire 3, et circule ainsi dans cette chambre 3
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en suivant un trajet sinueux. La première et la dernière chambre creusa 7 se terminent chacune en formant un raccord 15 ou 16 respectivement. Ces deux raccords sont entourés cha- cun d'un espace vide 17 ou 18 servant comme chambre de re- froidissement et qui est fermé contre la chambre d'ébullition proprement dite ou chambre annulaire 3 de la chaudière à va. peur.
Ces chambres de refroidissement sont également alimen- tées avec l'eau de la chaudière qui leur est amenée par les branchements 5a, 5b de la canalisation principale U d'eau d'alimentation, fig.l, et s'en écoule à l'état chaud par les conduits 6a, 6b.
Les gaz à haute tension et fortement chauffés qui sont produits dans la chambre d'explosion A, fig,l, et qui s'échappent par la soupape à tuyère D et la chambre anté- rieure à tuyère R passent sous une forte pression et à une grande température, par le raccord D dans le générateur de vapeur et traversent successivement les chambres des corps creux 7 qui sont placés les uns derrière les autres, en pas- sant par les raccords de communication 8 et les passages centraux 11. Les gaz à haute tension éprouvent ainsi de chambre en chambre et par intervalles une certaine réduction de pression jusquà ce qu'ils aient atteint finalement, dans la dernière chambre, une contrepression avec laquelle ils abandonnent le générateur de vapeur par le raccord d'échappement 16.
Le resta d'énergie qui reste encore dans les gaz à ce moment peut alors être utilisé autrement qu'au point de vue de la technique de la chaleur, par exemple et par l'adjonction d'une turbine, pour exécuter avantageuse- ment le travail de compression de l'air de combustion qui est nécessaire dans.la chambre d'explosion. Par suite de la grande différence de pression qui, au moment de l'entrée des gaz chauds à haute tension dans chacune des chambres succes-
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sives 7, existe toujours en avant de la chambre et dans cette dernière, il se produit continuellement et de nouveau dans chaque chambre une grande vitesse de circulation des gaz.
A leur entrée dans la première chambre, les gaz chauds vien- nent ee heurter tout d'abord contre la paroi transversale 10 qui la limite et par laquelle ils sont alors refoulés de toutes parts et perpendiculairement vers la périphérie de la chambre creuse d'où ils s'échappent également de nouveau à angle droit pour pénétrer par les communications 8 dans la chambre suivante. Là les gaz chauds rencontrent de nouveau tout d'abord la paroi annulaire opposée 14 du premier étran- glement 12 (dans le sens de l'écoulement des gaz) par laquel- le ils sont de nouveau déviés à angle droit vers le centre de la chaudière pour s'écouler de nouveau, par l'ouverture centrale 11, dans la chambre creuse immédiatement suivante.
Ce même procédé de circulation des gaz se renouvelle ainsi jusqu'à la dernière chambre 7. Par cette déviation continue du courant des gaz chauds dans le générateur de vapeur, l'énergie de circulation produite par la grande différence de pression dans chaque chambre 7 se trouve complètement transformée en tourbillons, de sorte qu'il en résulbe un écoulement tout à fait désordonné et irrégulier. A chaque étage de détente, les gaz tournent ainsilesuns dans les autres dans toute la mesure possible, Suivant la présente invention, ce tourbillonnement---des molécules gazeuses les unes sur les autres peut être considérablement renforcé en intercalant dans la canalisation des gaz chauds des moyens spéciaux susceptibles de produire des tourbillons, par exem- ple de projections 19 en forme de cames.
Puisque l'énergie d'écoulement des gaz chauds est transformée en vitesse de tourbillonnement, la couche de séparation qui est formée pendant l'écoulement ordonné et dans la même direction entre
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les parois de conduite des gaz chauds et la masse gazeuse se trouve détruite, et cette masse elle-même est décomposée en ses parties qui arrivent ainsi souvent et de toutes parts avec les surfaces de la canalisation des gaz chauds, de sor- te qu'il en résulte une transmission de chaleur extraordi- nairement forte. Cette opération se renouvelle dans chaque chambre 7 qui, en raison de son importance, doit être dési- gnée comme chambre de tourbillonnement.
Les surfaces qui, dans la canalisation des gaz chauds, sont directement expo- sées aux tourbillons gazeux transmettent leur chaleur absor- bée à l'eau d'alimentation qui, également et comme déjà signalé plus haut, vient souvent et de toutes parts en con- tact avec les surfaces de diffusion de la chaleur par suit@ de sa circulation sinueuse dans la chambre annulaire 3, pour s'écouler ensuite, à l'état d'eau très chaude, par le conduit 6 vers le séparateur de vapeur W de la figure 1.
La transformation suivant cette invention de l'énergie de circulation des gaz chauds en vitesse de tour billonnement procure tout d'abord trois effets avantageux.
La transformation de l'état du courant des gaz chauds dans le générateur de vapeur empêche, en premier lieu, la forma- tion ou le maintien d'une couche de séparation entre les sur- faces de la canalisation qui viennent en contact avec les gaz et la masse gazeuse, par laquelle suivant les expériences, la transmission de la chaleur est considérablement entravée. De plus, suivant le nouveau procédé, il suffit de quantités rela- tivement faibles d'énergie pour détruire la couche de sépara- tion, parce que le courant absolument irrégulier et désordon- né que représente la circulation tourbillonnante désagrège beaucoup plus facilement la couche de séparation qu'un cou- rant ordonné constamment dirigé dans le même sens, tel qu'il se produit dans l'expansion adiabatique.
Enfin et ainsi qu'il
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a déjà été dit plus haut en expliquant le nouveau procédé de travail, toutes les molécules brûlantes de la masse gazeu- se totale sont amenées en contact avec les parois d'échange de chaleur de la canalisation des gaz, de sorte que de la réunion de ces trois effets résulte une transmission de cha- leur extrêmement élevée.
Comme la transmission de la chaleur dans la pre- mière partie de la chaudière, c'est-à-dire dans la première chambre de tourbillonnement est très élevée pour des raisons que l'on comprend facilement par suite des gaz provenant de la chambre d'explosion avec une haute température et une grosse pression, ce qui est également confirmé par les expé- riences effectuées, tandis que ces valeurs iront en décrois- sant dans les chambres suivantes de tourbillonnement, il est nécessaire, en vue du perfectionnement du nouveau procédé de travail et suivant la présente intention, de veiller à réduire les sollicitations de température dans les premières parties de la chaudière en vue de solliciter uniformément les surfaces de chauffe de la canalisation des gaz,
et d'éga- liser ainsi autant que possible la transmission de chaleur dans toute la chaudière, En vue de solutionner ce problème de la manière la plus simple et aussi la plus effective, l'invention s'appuie sur le principe connu que pour le coef- fiaient de transmission de chaleur, les trois facteurs des gaz chauds, c'est-à-dire la pression, la température et la vitesse du courant, sont essentiellement prédo minants. Du fait que la pression et la température sont des facteurs qui ne peuvent pas être influencés directement, l'invention admet qu'il suffit de la vitesse du courant dans la canalisa- tion des gaz chauds pour influencer la transmission de la chaleur. Ce facteur est influencé, suivant l'invention, en ce qu'il est augmenté vers l'extrémité d'échappement de la
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chaudière.
Cette élévation de la vitesse est produite par le choix approprié des sections des passages 8 et 11 entre les étages successifs de détente dans la canalisation des gaz chauds. Comme le montrent les essais, des conditions parti- culièrement favorables se produisent quand ces sections de passage se rétrécissent autant que possible d'étage en étage dans la direction du courant des gaz, et s'agrandissent de nouveau dans les derniers ou le dernier étage du diffu- seur de chaleur, ceci en considération du changement de volu- me des gaz. Cependant on approchera au moins de l'effet re- cherché qui pourra même déjà se produire si les sections de passage sont modifiées dans l'autre sens ou maintenues à peu près de même grandeur.
Dans l'exécution de la chaudière re- présentée dans la fig.2, les sections de passage se rétré- cissent dans la direction de l'extrémité de décharge de la chaudière jusqu'au dernier passage central 11 et aux rac- cords de communication 8 de la dernière chambre de tourbil- lonnement 7. Par contre,, ce dernier passage central et ces derniers raccords s'accroissent de nouveau en section, ainsi que le montre clairement la fig.2. On obtient de cette ma- nière l'augmentation de la vitesse du courant des gaz chauds vers l'extrémité de la chaudière, en opposition à la pression et à la température des gaz qui naturellement décroissent vers la même extrémité de la chaudière.
Par suite de cette modification Inverse dans les trois facteurs d'influence du coefficient de transmiss ion de la chaleur, on a sous la main le moyen de maintenir la transmission de chaleur, dans tous les points du trajet des gaz, à un dégré tel que les tensions préjudiciables seront évitées dans la chaudière.
Dans l'exécution de la chaudière à courant tour billonnant pour la réalisation du procédé suivant la pré- sente invention, on doit particulièrement veiller à ce que
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les chambres de tourbillonnement ne soient pas trop grandes.
Dans le développement des turbines à combustion interne et à explosion, la chambre qui se trouve en arrière de l'organe d'échappement de la chambre d'explosion a en effet joué un rôle remarquable. Cette chambre qui, dans les turbines à combustion interne, est connue sous le nom de chambre anté- rieure à tuyère doit, après l'ouverture de l'organe d'échap- pement de la chambre d'explosion, être remplie par les gaz produits dans cette même chambre d'explosion. Ce remplissage donne lieu cependant à une certaine perte de pression et de rendement et qui pourra être particulièrement important si, pendant le remplissage, des gaz j'échappent en même temps de la chambre qui doit être remplie.
Dans le cas présent, pour maintenir aussi au minimum, pendant le remplissage des chambres de tourbillonnement, cette perte inévitable de pres- sion et de rendement dans les gaz de combustion, il convien- dra de prévoir des chambres de tourbillonnement 7 pour le diffuseur de chaleur qui ne soient pas plus grandes que le strict nécessaire pour un tourbillonnement suffisant, en d'autres termes, les chambres de tourbillonnement doivent être tenues aussi étroites que possible (voir fig.2). De cette manière, la perte pendant le remplissage est réduite au minimum.
Les figs. 7 et 8 montrent un autre mode d'exécution de la chaudière à vapeur avec plusieurs canalisations d'eau et de gaz qui sont essentiellement parallèles entre elles.
Cette chaudière se compose d'une chemise extérieure cylin- drique 22 à chacune des deux extrémités de laquelle est fixé d'une manière étanche à l'eau un fond bombé en forme de cou- pole 23 se terminant en un raccord 24. Dans le plan de chacu- ne des deux extrémités de la chemise cylindrique 22 est pré- vue une bague de fond 25, avec section en U.
Chaque bague 25
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est maintenue par une tête creuse 26 dont la paroi exté- rieure est adaptée à la forme du fond 23 et, après avoir for- mé un raccord central, se prolonge par son extrémité infé- rieure jusque dans l'intérieur de la chaudière sous la forme d'un raccord annulaire qui est embouti d'une manière étanche à l'eau et aux gaz sur les côtés de la bague de fond 25, tan- dis que le raccord tubulaire central de la tête creuse 26 et qui conduit vers l'extérieur est étroitement entouré par le raccord 24 du fond 23 de la chaudière. Entre la partie en forme de coupole du fond de la chaudière 23 et la tête 26 de chacune des deux extrémités de la chaudière se trouve une chambre creuse de forme conique 27.
La tête creuse 26 de la partie supérieure de la chaudière est traversée par plusieurs tubes courts de conduite d'eau 28 qui font communiquer la chambre supérieure 27 avec la zone centrale de la chaudière.
Les deux bagues de fond 25 portent plusieurs tubes 29 dis- posés en arc parallèlement à l'axe de la chaudière et fai- sant communiquer l'une avec l'autre les deux têtes 26. Ces tubes de communication sont assemblés d'une manière étanche à l'eau et aux gaz avec les bagues de fond et traversés concen.. triquement par des tubes 30 d'un plus petit diapètre. Les extrémités des tubes intérieurs 30 sont fixées, par un assem- blage étanche à l'eau et aux gaz, dans la paroi de la tête creuse 26 opposée au fond 23 et débouchent dans les deux chambres coniques 27.
Suivant la présente invention, les tubes 29 qui sont destinés à la conduite des gaz sont mainte- nant subdivisés dans leur longueur, au moyen de bagues d'étranglement 31 disposées de distance en distance, en plu- sieurs, par exemple, en quatre étages (chambres) 30a à 30d placés les uns derrière les autres. Les trous ou passages 32 des bagues d'étranglement présentant des diamètres qui se modifient dans le sens de l'écoulement des gaz, en vue
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d'obtenir une sollicitation uniforme de température dans les surfaces de contact avec les gaz dans la canalisation des gaz chauds, et en considération de la modification de volu- me de ces mêmes gaz. Cette disposition est montrée dans la partie de la chaudière à gauche de la fig.7 par les lignes pointillées indiquant une enveloppe conique.
Les sections qui restent entre les tubes intérieurs 30 et les bords des trous des passages 32 servent comme points d'étranglement pour les gaz chauds qui arrivent à l'état de haute tension par le raccord 33 et, après avoir abandonné le dernier éta- ge 30d du tube extérieur 29, s'échappent en dehors de la chaudière par la tête creuse supérieure 26 et son raccord 34. Les tubes de conduite des gaz 29 sont baignés extérieu- rement par le corps (l'eau) qui reçoit la chaleur et qui est introduit en 35 dans le fond inférieur 23 de la chaudière et s'échappe de cette dernière par le fond supérieur en 36 à l'état très chaud ou sous forme de vapeur.
L'opération d'une chaudière à vapeur ainsi cons- truite s'effectue de la manière suivante :
Les gaz à haute tension et fortement chauffés qui pénètrent dans la chaudière à vapeur en 33 traversent la tête inférieure 26 et ensuite le premier étranglement qui est formé par l'intervalle entre les bords du trou du passa- ge 32 et la surface extérieure du tube intérieur 30 qui est rempli d'eau. Par suite de la grande différence de pression en avant et en arrière de ce premier point d'étranglement, des grandes vitesses de gaz se produisent dans la chambre 30a du tube de conduite des gaz 29. En raison du brusque élar- gissement de la section en arrière du point d'étranglement 32 dans la chambre 30a, l'énergie de circulation se transfor- me complètement ou du moins dans sa majeure partie en vites.
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/ se de tourbillonnement. De ce tourbillonnement des gaz les uns dans les autres résulte, comme dans le premier exemple décrit de construction de la chaudière, une forte transmis- sion de la chaleur aux surfaces de la chambre 30a qui sont en contact avec les gaz et qui de leur côté transmettent de nouveau la chaleur reçue à l'eau qui se trouve, dans la portée de la chambre 30a, contre la surface extérieure du tube de conduite des gaz 29 et contre la surface interne du tube 30. Les gaz traversent ensuite le deuxième point d'é- tranglement dans la chambre suivante 30b, c'es-à-dire de nouveau avec à peu près la même vitesse qu'auparavant, vi- tesse qui se rétablit en raison de la grande différence de pression qui dlbmine en avant et en arrière du deuxième point d'étranglement.
Les gaz sont de nouveau lancés en tourbillons les uns dans les autres en produisant une fois de plus une forte transmission de chaleur. Cette opération se renouvelle aussi souvent qu'il y a de points d'étrangle- ment et de surfaces d'échange de la chaleur. Comme la pres- sion et la température s'abaissent à chaque étage de déten- te, les sections d'étranglement se modifient suivant les lignes pointillées 37 des bords des trous, afin d'augmenter la vitesse du courant des gaz vers l'extrémité de la chaudiè- re. Le coefficient de transmission de la chaleur est ainsi maintenu au même degré approximativement pendant tout le trajet des gaz dans la chaudière, de sorte que sont évitées les hautes tensions inadmissibles dans les parties de la chaudière par suite des sollicitations très différentes de température dans la canalisation totale des gaz chauds.
Comma le montre encore la figure 9, le tourbil- lonnement des gaz chauds dans les différentes chambres de détente de la oanalisation des gaz peut être encore essen- tiellement facilité par des moyens d'un genre approprié,
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par exemple, sous la forme de bagues 38 disposées sur le tube intérieur 30 et font dévier le jet de gaz. Les bagues d'étranglement 31 de même que les bagues 38 peuvent aussi, naturellement, être formées par les tubes 29 et 30 eux- mêmes. Une telle exécution est représentée par la fig.10 suivant laquelle les tubes de conduite d'eau et des gaz sont estampés ou refoulés aux points voulus pour former des pro- jections annulaires.
Ce qui vient d'être expliqué pour les chaudières à vapeur s'applique aussi naturellement à tous les autres appareils pour l'échange de la chaleur, par exemple aux réchauffeurs et aux surchauffeurs. Il est également possi- ble de modifier essentiellement la construction de la chau- dière et la forme de la canalisation des gaz sans sortir de l'idée dt de la nature de l'invention.
- REVENDICATIONS -
1- Procédé pour la transmission à d'autres corps de la chaleur des gaz sous tension, en particulier des gaz d'échappement des chambres d'explosion, de préférence pour les turbines à combustion interne, caractérisé par la mise en tourbillons des gaz, auxquels sont communiquées de gran- des vitesses d'écoulement par l'abaissement de leur pression, d'après leur masse centrale pendant leur parcours dans un diffuseur de chaleur, les gaz étant amenés, après la forma- tion des tourbillons, en contact avec les surfaces d'échange de la chaleur.