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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION Perfectionnements aux installations de production de vapeur.
La présente invention concerne des perfectionnements aux systèmes de production de vapeur dans lesquels un sur- chauffeur chauffé par rayonnement, du type à tubes de paroi, est combiné d'une manière nouvelle à un grand foyer de chau- dière ayant des parois refroidies par un fluide.
Un but de la présente invention est de fournir un système de production de vapeur dans lequel un surchauffeur à rayonnement est conjugué à un foyer de chaudière moderne à température élevée de telle manière que certains inconvé- nients inhérents au fonctionnement des surchauffeurs à rayonnement soient réduits au minimum et que les périodes de
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mise hors service de ces appareils soient notablement diminuées.
Le fonctionnement de surchauffeurs à tubes de paroi tels qu'ils sont disposés jusqu'à présent, indique que leurs tubes sont fréquemment endommagés par excès de chauffage en cas de changements subits de charge et à la mise en marche.
Une raison de cette détérioration est la difficulté qui a été rencontrée à coordonner convenablement l'écoulement de vapeur dans le surchauffeur et l'absorption de chaleur trans- mise par rayonnement à celui-ci. Un autre but de la présente invention est d'effectuer cette coordination. Une autre dif- ficulté se produit lorsque du charbon est brûlé dans le foyer à des températures qui fondent partiellement ou complètement les cendres. Des dépôts de scories se rassemblant dans ces conditions sur les tubes de surchauffeur réduisent la surchauf- fe et à certains moments ces dépôts se brisent et se déta- chent ou sont fondus et se détachent, ce qui a pour consé- quence une augmentation de la surchauffe. Un autre but enco- re de la présente invention est de réduire les fluctuations de surchauffe dues à de pareilles causes.
Il a été proposé de placer les tubes d'un surchauf- feur à rayonnement à proximité de tubes d'eau pour les proté- ger de l'excès de chauffage, et il a été proposé également d'abriter les tubes au moyen de revêtements réfractaires pour limiter les températures de leur métal. Un des buts de la présente invention est d'éliminer ces structures pro- tectrices coûteuses et de rendre possible d'employer avec sûreté et avec succès des tubes nus dans un surchauffeur à rayonnement, sans danger de chauffage excessif du métal et sans les fluctuations de surchauffe dues aux éhangements d'épaisseurs de dépôts de cendres à l'état de scories.
La pratique a consisté à installer des surchauffeurs
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à rayonnement dans des parties des parois du foyer directe- ment exposées aux flammes de la combustion primaire et, lorsque des chargeurs mécaniques sont employés pour brûler du charbon, dans les parties exposées au rayonnement direct du lit de combustible. La chaleur reçue par les tubes des surchauffeurs ainsi placés est principalement rayonnante et dérivée de quatre sources; en premier lieu les solides en suspension dans les gaz, tels que les cendres ou le carbone en cours de combustion; en second lieu la matière réfractaire des parois du foyer; en troisième lieu les matières solides du lit de combustible lorsque celui-ci est brûlé en lit; et en quatrième lieu les gaz de foyer eux-mêmes, principalement l'anhydride carbonique et la vapeur d'eau qui les constituent.
Ces quatre sources de chaleur rayonnante se répartissent en deux classes, les solides et les gaz. Le rayonnement des solides est relativement le plus intense et la surchauffe dépend fortement de ce rayonnement.
Dans la présente invention la disposition est tel- le qu'elle réduit au minimum le rayonnement reçu par le surchauffeur en provenance des solides et que la surchauffe dépend principalement du rayonnement provenant des gaz, en même temps qu'est réduit au minimum ou éliminé le dépôt de scories et de cendres sur les tubes du surchauffeur.
Ces résultats sont obtenus par le fait qu'on pré- voit un écran de scories de foyer entre la zônè de combus- tion initiale dans le foyer et un espace à gaz situé en avant du faisceau de tubes de la chaudière et qu'on place les tubes de surchauffeur dans une ou plusieurs des parois de cet espace à gaz', abrité.
Grâce à cette disposition le rayonnement provenant de solides situés dans le foyer en-dessous de l'écran, vers
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les tubes de paroi du surchauffeur, est réduit au minimum tandis que l'espace à gaz chauds au-delà de l'écran peut rayonner directement vers le surchauffeur.
Toute scorie ou cendre qui n'est pas déposée sur les tubes de l'écran et qui passe à travers la zône de surchauffe sera plus froide lorsqu'elle atteint les tubes du surchauffeur. De cette manière l'adhérence est réduite ou éliminée spécialement lorsque, comme c'est la pratique normale dans de semblables foyers, leurs parois ont des tubes d'eau pour les refroidir.
Le rayonnement provenant des solides ne varie pas avec l'intensité de la combustion dans la même proportion que le fait l'écoulement de vapeur à travers le surchauffeur, spécialement après des changements brusques de charge, mais le poids de gaz varie presque en proportion de l'écoulement de vapeur. Immédiatement après une réduction de charge, un surchauffeur à rayonnement exposé au rayonnement provenant des solides donne une augmentation de surchauffe et des tubes plus chauds parce que pendant un certain temps le rayon- nement par les solides n'est pas réduit après que l'écoulement de vapeur a diminué.
D'autre part, le rayonnement provenant des gaz est rapidement réduit parce que la réduction d'écou- lement de gaz qui accompagne la réduction de l'écoulement de vapeur et provoque celle-ci a pour résultat de diminuer la masse de gaz rayonnant, avec pour conséquence un plus grand refroidissement des gaz et un moindre rayonnement. Par conséquent avec la disposition selon la présente invention, comportant son écran de scories de foyer en avant du surchauf- feur, ce qui réduit le rayonnement des solides vers celui-ci, la surchauffe et la température du métal seront plus constan- tes sous tous les changements de charge que sans cet écran.
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La présente invention vise à réaliser une chaudière à vapeur avec foyer qui permet de faire fonctionner avec succès un surchauffeur à rayonnement y incorporé, non seule- ment à cause de la limitation du surchauffeur en grande partie au rayonnement provenant des gaz, mais également par suite du fait qu'on modère la température des gaz de foyer et des cendres éventuellement en suspension avant leur arrivée à l'endroit où se produit le rayonnement de chaleur par rapport au surchauffeur.
L'invention va être décrite avec référence aux dessins annexés dans lesquels:
La Fig. 1 est une coupe verticale montrant une forme de réalisation de l'invention, comportant un surchauf- feur à rayonnement à tubes de paroi et un surchauffeur à convection, combinés à un foyer ayant des tubes d'écran de foyer recouverts de matière réfractaire.
La Fig. 2 est une coupe verticale montrant une installation de chaudière modifiée dans laquelle il y a seulement un surchauffeur à tubes de paroi combiné à un foyer comportant des tubes d'écran de foyer.
La Fig. 3 est une coupe verticale montrant une autre forme de réalisation dans laquelle un surchauffeur à convection est disposé en-dessous du niveau de la partie inférieure du surchauffeur à tubes de paroi et au-dessus des tubes de l'écran de foyer.
La Fig. 4 est une coupe transversale faite par la ligne 4-4 de la Fig. 1 et montrant la construction de l'écran de foyer à revêtement de matière réfractaire.
Sur la Fig.. 1 des dessins, 10 désigne un foyer de chaudière dans lequel du combustible est brûlé sur des
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chargeurs 12. Comme on peut le.voir, le foyer possède un orifice de sortie de gaz à sa partie supérieure. L'écran de foyer indiqué à la Fig. 1 renferme des tubes 16 et 18 recou- verts de matière réfractaire, l'inclinaison et le groupement de ces tubes réglant le rayonnement de chaleur vers les parois au-dessus de l'écran. Ces tubes relient des collecteurs 20 et 22 et s'étendent en travers de l'orifice de sortie du foyer. Les collecteurs peuvent être reliés au système de circulation de la chaudière par des raccords appropriés 21 et 23.
Au-dessus du niveau de l'écran de foyer et en-dessous du niveau de la section de tubes d'eau générateurs de vapeur 24 se trouve un espace à gaz. Sur la paroi de la chambre délimitant cet espace se trouve placé un surchauffeur à rayonnement du type à tubes de paroi. Immédiatement au-dessus du niveau du surchauffeur à tubes de paroi se trouve un surchauffeur à convection 28 s'étendant en travers du passage de gaz en-dessous de la section comportant les tubes d'eau 24 générateurs de vapeur.
Comme le montre la Fig. 1 des dessins, les tubes du surchauffeur à convection traversent une plaque déviatrice 30 dont l'extrémité inférieure est supportée par les tubes d'eau recourbés 32 reliés aux collecteurs 34 et 36. Le collecteur d'entrée 38 du surchauffeur reçoit de la vapeur saturée par les raccords 40 venant de la chambre de vapeur du corps cylindrique 42.
Du collecteur de sortie 44, la vapeur s'écoule par la conduite 46 vers le collecteur d'entrée 48 du premier surchauffeur à rayonnement à tubes de paroi. Ce collecteur est relié par des tubes de paroi 50 à un collecteur de sortie 52 d'où la vapeur s'écoule par le raccord en T désigné par 54
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et la conduite principale de vapeur surchauffée 56 vers un point d'utilisation. Le collecteur d'entrée 58 pour un second surchauffeur à rayonnement reçoit de la vapeur par une conduite 62 venant du collecteur de sortie 44 du surchauf- feur à convection. Le collecteur de sortie 64 est directe- ment relié à la conduite principale de vapeur 56, comme c'est représenté.
On voit que dans cette forme d'exécution, le surchauffeur à rayonnement et le surchauffeur à convec- tion sont reliés en série, avec les deux sections ou parties du surchauffeur à rayonnement reliées en parallèle.
Le foyer chauffé par chargeur représenté à la Fig.l a des tubes d'eau dans ses parois. Les tubes de paroi 66 de la paroi de droite sont reliés à des collecteurs-6.8 et 70, ce dernier comportant une conduite 72 communiquant de préférence avec le corps cylindrique 42 pour maintenir la circulation de la chaudière dans cette partie du système de parois du foyer. Sur la paroi opposée du foyer se trou- vent des collecteurs 74, 76 et 78 reliés par des tubes de paroi 80 et 82. Le collecteur supérieur est relié par des tubes 84 au corps cylindrique 42. Comme on l'a représenté à la Fig. 1 ainsi qu'aux Figs. 2 et 3, il y a un faisceau de tubes de chaudière inclinés sur l'horizontale.
Dans cha- que exemple, les collecteurs montants sont reliés à la chambre de vapeur du corps cylindrique 42 par des tubes de circulation 88 et les collecteurs de descente 36 sont reliés à la chambre d'eau du corps cylindrique par des raccords 90.
Aux Figs. 1 et 3, il y a un surchauffeur à convec- tion. Dans la forme d'exécution de la Fig. 3, le surchauffeur à convection 98 est. placé en avant du surchauffeur à tubes d'eau (par rapport à'l'écoulement du gaz). Il consiste en des boucles de tubes qui sont maintenues dans leurs posi- tions relatives de fonctionnement par des organes de liaison )100 qui supportent de préférence mutuellement des boucles
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voisines tout en permettant la dilatation. Chaque tube de surchauffeur comprend un certain nombre de ces boucles et chaque tube est relié à un collecteur d'entrée 102 qui reçoit de la vapeur par des raccords multiples 104 espacés le long du collecteur et venant de la chambre de vapeur du corps cylindrique 42.
Le collecteur de sortie 106 pour le surchauffeur à convection est relié aux surchauffeurs à tubes de paroi 50 et 60 par un certain nombre de tubes tels que ceux indi- qués en 108 et 110. Ces tubes ont sensiblement la forme de boucles pour assurer leur flexibilité en vue d'éviter des tensions excessives. La vapeur s'écoule par ces tubes vers les collecteurs 64 et 112 du surchauffeur à rayonnement et de ceux-ci elle passe aux collecteurs de sortie 58 et 114 et ensuite par une conduite principale de vapeur (non repré- sentée) vers un point d'utilisation.
Dans la forme de réalisation de la Fig. 2 de l'in- vention, il n'y a pas de surchauffeur à convection, la vapeur saturée passant directement du corps cylindrique 42 par la conduite 16 ou d'autres conduites appropriées vers les collecteurs 114 et 58.
Le foyer représenté dans chacune des formes de réalisation des Figs. 2 et 3 est un foyer à soutirage de scories pourvu d'un plancher réfractaire 118 et d'une ou- verture 120 de soutirage des scories. Les parois du foyer sont munies de collecteurs et de tubes disposés de la manière dont les éléments correspondants sont disposés dans la forme de réalisation de la Fig. 1, sauf que les collecteurs du bas 122 sont représentés comme étant prévus pour des parois supportées par le bas tandis qu'à la Fig. 1 ils sont repré- sentés comme pour des parois supportées par le haut.
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Chaque foyer des formes de réalisation des Figs. 2 et 3 est pourvu d'un brûleur à combustible 124 pour brûler du combustible pulvérisé en suspension. Du gaz ou de l'hui- le pourrait également être brûlé dans ces foyers.
Le foyer de la Fig. 1 comporte un chargeur mécanique et dans toutes les formes de réalisation représentées de l'invention, la combustion est sensiblement achevée dans le foyer sous le niveau des tubes de l'écran et le rayonne- ment provenant des solides a lieu en-dessous du niveau de l'écran.
Dans l'appareil décrit, le rayonnement provenant des gaz varie avec la quantité de gaz passant à travers les tubes d'écran 16 et 18. Cette condition facilite la conservation de la surchauffe à une valeur désirée à cause de la relation relativement fixe entre le rayonnement prove- nant des gaz et l'écoulement de vapeur. Dans le cas ou les conditions de charge l'exigent, le rayonnement provenant des gaz peut être aidé par le rayonnement provenant des solides, produit par des changements dans les conditions de combustion pour obliger la flamme à dépasser en partie l'écran. Ce rayonnement supplémentaire peut provenir de solides en suspension ou des parois du foyer.
Dans l'un ou l'autre cas, les tubes de l'écran sont de préférence disposés de façon à diriger ce rayonnement vers les tubes de paroi, ce qui réduira le rayonnement réfléchi vers les tubes géné- rateurs. On obtient une courbe plate de surchauffe par le réglage ou la commande au moyen du rayonnement provenant des solides, produit par des changements de combustion, et par l'action des tubes de l'écran.
Lorsque le foyer est du type à paroi d'eau, comme on l'a représenté, la température des gaz passant par l'écran
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de foyer peut être réglée par rapport à la température de fusion des cendres dans le charbon de combustion en propor- tionnant la surface de paroi refroidie et la vitesse de combus- tion, et l'intensité de rayonnement des gaz rayonnant vers le surchauffeur de paroi au-dessus de l'écran est réglé de cette façon. On est également maître de la tendance de la cendre ou de la scorie à coller aux tubes.
Dans une variante de l'invention représentée, les tubes d'écran (tels que 16 et 18) sont pourvus de revête- ments réfractaires (voir Fig. 4). Dans les conditions norma- les de fonctionnement, les surfaces extérieures de ces revê- tements seront plus chaudes que les tubes et resteront col- lantes à cause des scories fondues sur leurs surfaces. Ceci fait que l'écran arrête et retient les particules de cendres, ce qui les empêche de s'élever dans l'espace à gaz au-dessus de l'écran et limite ainsi le rayonnement de la chaleur pro- venant des solides en suspension dans les zônes de gaz en avant du surchauffeur à tubes de paroi.
Dans toutes les formes de réalisation de l'invention, le surchauffeur à tubes de paroi, bien qu'étant exposa pleine- ment au rayonnement de tous les gaz quittant le foyer, a ses tubes protégés par suite de l'interposition d'un écran de tubes d'eau en travers de l'orifice de sortie du foyer et en avant de l'espace où rayonnent les gaz. En outre, les tubes séparés de surchauffeur sont placés verticalement lorsqu'ils peuvent être avantageusement supportés par suspen- sion à leurs collecteurs supérieurs. Ces deux conditions réduisent les renouvellements et prolongent l'existence du surchauffeur, ce qui surmonte les difficultés qui ont été rencontrées dans le fonctionnement de ces dispositifs.
Bien que l'invention ait été décrite avec référence
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à certaines formes de réalisation particulières de l'inven- tion, il doit être bien entendu qu'elle n'est pas limitée à celles-ci mais que sa portée correspond à celle des reven- dications ci-après.
REVENDICATIONS ---------------------------
1. Une installation de chaudière à vapeur compre- nant un surchauffeur composé de tubes de paroi, et des tu- bes d'eau s'étendant en travers du trajet de gaz de foyer se rendant au surchauffeur, pour former un écran réduisant la chaleur reçue par le surchauffeur par rayonnement prove- nant de solides.
2. Dans une chaudière, un foyer à paroi d'eau, une section de production de vapeur au-dessus du foyer, un surchauffeur interposé entre le foyer et la section de pro- duction de vapeur et consistant en tubes de paroi de foyer, et des tubes d'eau agissant comme un écran et s'étendant en travers du trajet de gaz de foyer se mouvant du foyer vers des endroits où le surchauffeur est chauffé par leur rayonnement, le surchauffeur étant exposé au rayonnement de tous les gaz quittant le foyer et protégé, par l'écran, de la chaleur transmise par rayonnement provenant des solides dans le foyer.
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