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PERFECTIONNEMENTS AUX CHAUDIERES A VAPEUR DE MERCURE.
La présente invention se rapporte aux chaudières à vapeur de mer- cure, et d'une manière générale, à tous les récipients en fer ou en métal équi- valent destinés à chauffer du mercure en contact avec les parois à des tempéra- tures de l'ordre de 5000 et davantage, On a constaté qu'à ces températures, le mercure dissout le fer;
mais on a toutefois découvert que l'aluminium, le nickel le chrome, le magnésium ou le calcium ajoutés au mercure diminuent, dans des conditions très appréciables, la dissolution du fer à la température des chau- dières,
Une autre difficulté que lion rencontre généralement dans l'er- ploitation des systèmes à chaudières à mercure, consiste en ce fait que le mercure ne mouille généralement pas le fer, Mais la Société demanderesse a
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constaté que le fer pouvait être mouillé par le mercure si l'on prenait la précaution d'y ajouter du sodium ou du potassium par exemple.
Dans certains cas, les substances ajoutées au mercure peuvent former un revêtement épais sur la surface du fer en contact avec le mercure et cet inconvénient doit être évité, autant que possible, en particulier dans les canaux étroits traversés par le mercure et où son libre passage risque parfois d'être obstrué. De plus, l'oxydation de certaines matières additionnelles telles que le sodium ajouté au mercure, risque de créer des produits qui, en s'agglo- mérant, provoquent également l'obstruction. Il s'agit de rendre pulvérulents ces ptoduits d'oxydation afin qu'ils n'engendrent pas les inconvénients indi- qués plus haut.
La présente invention a pour objet de prévoir une chaudière à mercure perfectionnée et un procédé de son exploitation permettant d'éviter l'amalgame du fer à haute température et d'assurer le mouillage satisfaisant du fer par le mercure.
Un autre objet de l'invention consiste en des perfectionnements qui permettent d'ajouter des substances telles qu'on puisse réaliser, en un temps très court, la protection des surfaces et leur mouillage, Conformément à l'invention, le choix de ces substances est tel qu'on évite également l'obs- truction des canaux due à des amas d'oxydes.
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avan- tages de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagent, donnés simplement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels :
La fig.1 représente schématiquement une chaudière à mercure conforme à l'invention.
La fig.2 est une vue de détail de la fig.l.
Des essais ont montré que certaines substances ajoutées au mer- cure en proportions convenables évitentpratiquement l'amalgame du fer par le mercure à la température de fonctionnement de la chaudière. Les substances qui ont donné les meilleurs résultats sont le zirconium et le titane : elles rédui- sent non seulement la dissolution du fer, mais elles facilitent aussi le mouil- lage quand elles sont en quantité suffisante,,
Les avantages qu'elles procurent sont de plusieurs sortes, Tout d'abord, elles s'étalent en très minces couches sur les parois de fer de la chaudière et y adhérent parfaitement; elles pénètrent même partiellement dans
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les couches superficielles et forment ainsi des alliages de fer.
L'épaisseur de ces couches ne s'accroît pas sensiblement quand on augmente le taux du mé- lange, Ce point particulier a une grande importance, les chaudières comportant un grand nombre de canaux étroits, car l'apport excessif de matière supplémen- taire risquerait de réduire considérablement la circulation du liquide et pour- rait quelquefois entrainer l'obstruction totale*
Par conséquent, le fait d'utiliser ces matières évite non seule- ment l'amalgame du fer, mais aussi permet la formation d'une couche uniforme extrêmement mince de bonne conductibilité thermique et la circulation du mer-, cure n'en est nullement gênée. Un autre avantage du zirconium et du titane consiste dans le fait qu'on ne constate pas la formation de masses importantes d'oxydes ou de composés de fer pouvant provoquer l'obstruction.
Les produits d'oxydation du zirconium et du titane sont pulvérulents et il est assez facile de les extraire de la chaudière par des dispositifs appropriés. De plus, l'une des caractéristiques les plus satisfaisantes du zirconium et du titane consiste en ce fait que leur efficacité se manifeste, mais quand on les emploie en très petites quantités*
Ces substances ne sont que faiblement solubles dans le mercure à la température de la chaudière. A titre de comparaison, on signalera qu'on peut maintenir en solution 10.000 à 100.000 fois plus d'aluminium entre 530.et 650 .
Cette propriété est particulièrement impostante en ce sens qu'elle évite de fortes concentrations en un point quelconque de la chaudière. D'autre part, la répartition de ces agents est beaucoup plus uniforme. Par suite de la faible solubilité du zirconium et du titane dans le mercure, il en résulte que les revêtements qu'ils constituent sur les parois résistent à la redissolution beaucoup mieux que les autres matières utilisées jusqu'alors, et ils assurent une protection complète des parois de'la chaudière.
On les trouve dans la chaudière sous les formes suivantes t a) en solution à faible teneur dans le mercure chaud; b) en couches minces et uniformément réparties à la surface ou en alliage sur les parois; c) à l'état de particules finement divisées et bien mouillées.
Quand la chaudière se refroidit, par suite de leur faible solu- bilité dans le mercure à basse température, le zirconium et le titane dissous cristallisent sous forme de très fines particules d'ailleurs complètement mouil- lées. C'est là un avantage important en ce sens que ces particules cristallisées
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et mouillées sont beaucoup moins attaquées par l'oxygène susceptible d'entrer dans la chaudière au cours des périodes de repos, ou encore à l'état de solu- tion dans le mercure. Par contre, d'autres substances plus solubles telles que l'aluminium se combinent plus facilement à l'oxygène du fait qu'elles se trou- vent plus fréquemment à l'état moléculaire, au lieu de particules mouillées et par conséquent protégées par un revêtement de mercure.
On a conservé pendant plusieurs jours le mélange du zirconium et de titane avec mercure, en propor- tions convenables pour protéger la chaudière, dans des bouteilles contenant une couche d'air au-dessus du mercure, sans constater une oxydation gênante de ces substances additionnelles. On conçoit que dans ces conditions, la régularité de fonctionnement et le rendement des chaudières soient améliorées.
Comme on l'a dit précédemment, l'un quelconque des éléments du groupe zirconium-titane agit également comme désoxydant. La Société demanderesse a toutefois constaté que le rôle de désoxydant peut diminuer, dans une certaine mesure, leur propriété de rendre le fer inattaquable, en particulier dans le cas où l'on se trouve en présence d'une quantité relativement considérable d'oxygène. D'autre part, le revêtement des parois de la chaudière, constitué par le zirconium ou le titane peut s'oxyder et il peut en résulter une diminu- tion du transfert de chaleur de la paroi au mercure qui ne mouille pas bien le revêtement oxydé.
On peut, conformément à la présente invention, pallier cette difficulté en ajoutant au mercure, en dehors des dites substances, un agent désoxydant dont l'affinité est plus grande pour l'oxygène que celle des dites substances. Si le zirconium ou le titane sont utilisés, on constate que le fait d'y ajouter de l'aluminium, du magnésium ou du calcium permet d'assurer une honné désoxydation. D'ordinaire, ces métaux agissent comme agents protecteurs quand on les utilise seuls, c'est-à-dire qu'ils évitent que le mercure ne dis- solve le fer de la chaudière aux températures élevées. Il est préférable d'uti- liser du magnésium et du calcium comme agents désoxydants, car ni l'un ni l'au- tre ne forment de revêtements sur les parois de la chaudière quand on les em- ploie en combinaison avec le zirconium ou le titane.
L'application de substances désoxydantes comme le magnésium et le calcium permet également d'améliorer l'économie en ce sens qu'ils réduisent les oxydes et en particulier ceux de zirconium ou de titane, Par conséquent, la totalité du zirconium ou du titane ajoutée au mercure reste efficace. Par con- séquent, en ajoutant des agents fortement désoxydants, on évite de perdre une
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certaine quantité de zirconium ou de titane du fait de l'oxydation. Pratique- ment, on supprime toute dissolution du fer en utilisant les métaux protecteurs dans la proportion d'une partie pour 100.000 de mercure.
Quand on utilise le sodium par exemple pour faciliter le'mouillage des parois de la chaudière par le mercure, on réalise cet avantage que l'addi- tion de magnésium ou de calcium permet la réduction des oxydes formés par le sodium; ce qui évite la formation de grosses parcelles d'oxyde de sodium et on obtient ainsi une poudre qui n'obstrue pas les canaux de la chaudière.
De très faibles quantités de zirconium ou de titane suffisent pour assurer la protection certaine de la totalité de la chaudière, Par exemple dans une installation dont la surface d'évaporation est supérieure à 3.000 mê, on a obtenu une protection totale contre la dissolution de métaux ferreux pen- dant deux mois avec un mélange de trois parties de ziroonium pour 10.000 de mercure. Cette installation particulière contenait des quantités notables d'oxydes métalliques et était sujette à l'infiltration de l'oxygène pendant le fonctionnement.
On peut en somme assurer la protection des parois de la chaudière en ajoutant au mercure l'un des éléments du groupe sirconium-titane et l'un du groupe magnésium-calcium, Grâce à ces substances, on évite la dissolution du fer par le mercure, on assure le mouillage des parois et on diminue dans la chaudière la quantité d'oxydes qui n'apparaissent d'ailleurs que sous la forme pulvérulente permettant leur élimination facile.
On peut réaliser la marche ininterrompue pendant de longues pé- riodes en faisant des essais périodiques et en Introduisant une certaine quan- tité des métaux en question chaque fois qu'il est nécessaire. A cet effet, on prélève une petite quantité du fluide de la chaudière et on en fait l'analyse chimique de façon à déterminer la quantité de substance protectrice et désoxy- dante dans le mercure. On peut faire une analyse quotidienne suivant les con- ditions de la chaudière. On a obtenu des résultats satisfaisants en maintenant la concentration de zirconium supérieure à 0,0002 % en poids et celle de magné- sium supérieure à 0,001 %. Il est cependant préférable de maintenir la concen- tration du magnésium entre 0,001 % et 0,01 %, celle de ziroonium ou de titane entre 0,0002 % et 0,002 %.
L'analyse périodique du fluide est particulièrement importante dans les chaudières qui ne fonctionnent que d'une manière intermit- tente et par conséquent sujettes à des infiltrations d'air. Quand ces analyses établissent une déficience du métal protecteur ou métal réducteur, on ajoute
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à ce moment la quantité nécessaire.
L'action proteotrice du titane ou du zirconium et complète dès que ces métaux se trouvent uniformément répartis et ont constitué le revête- ment. On peut réduire l'intervalle compris entre le moment où on les introduit dans la chaudière et celui où ils commencent à jouer leur rôle suivant la méthode décrite plus loin. On attirera tout d'abord l'attention que ce fait que le zirconium et le titane du commerce ne sont pas chimiquement purs et comportent certaines impuretés et, ce qui est plus important, une légère couche d'oxyde. Si on les introduit directement dans la chaudière sous cette forme, on conçoit qu'il faille un certain temps pour que la pellicule d'oxyde se dé- truise et que la zirconium soit mouillé par le mercure.
Pour éviter ce retard, il est recommandé conformément à la pré- sente Invention de les mouiller au préalable avec du mercure avant l'introduc- tion dans la chaudière. On sait aussi que les particules non mouillées sont entrainées avec la vapeur et que les particules mouillées ne le sont pas, sauf dans les particules de mercure entrainées mécaniquement avec la vapeur du dit métal, mais c'est en quantité négligeable puisqu'on prévoit des éléments sépa- rateurs dans la chaudière.
Le zirconium et le titane sont donc Introduits dans un ballon scellé, avec une certaine quantité de mercure, et chauffés à l'abri de l'air pour éviter l'oxydation* Ce chauffage est nécessaire pour obtenir le mouillage par le mercure. Cette opération peut être accélérée si le zirconium ou le titane soànt Introduits en poudre dans le mercure. Comme on l'a dit précédem- ment, leur solubilité dans le mercure est faible.
En les ajoutant à l'état pulvérulent au mercure, on obtient ainsi une surface de contact très élevée par rapport au poids des substances introduites;ceci est également important lorsque le titane ou le zirconium sont directement introduits dans la chaudière sans être mouillés au préalable, car on évite ainsi l'obstruction d'étroits canaux de certaines régions de la chaudière et on obtient également un mouilla- ge rapide par le mercure.
Le "prémouillage" du zirconium et du titane par le mercure peut être accaléré en agitant le mélange; il est désirable que la quantité de mer- cure soit telle que le mélange reste liquide. On obtient de bons résultats en mélangeant 18 à 54 parties (en poids) de mercure avec une partie de zirconium ou de titane à une température d'environ 500 à 5500. Pour éviter toute oxyda- tion par l'air ou l'oxygène au cours de cette opération, le mélange est placé
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dans un ballon scellé que l'on agite à l'intérieur d'un four pendant environ 50 à 100 heures.
Une autre caractéristique de l'invention consiste à prévoir un dispositif et une méthode permettant de protéger le mélange de mercure et de zirconium mouillé par exemple contre l'oxydation et d'éviter par conséquent le "démouillage" de la matière, particulièrement aux fortes concentrations.
La Société demanderesse a constaté que ce résultat pouvait être obtenu en ajoutant au mélange mercure-titane ou mercure-zirconium une petite quantité de zinc, de cuivre ou d'une matière équivalente qui stabilise la pel- licule. Une particule de titane ou de zirconium peut être considérée comme prémouillée quand sa surface est en contact intime aveo le mercure qui a d'ail- leurs une forte tendance à y adhérer, Une surface "prémouillée" cesse rapide- ment de l'être quand elle est exposée à l'oxygène ou à l'air. Ce démouillage est considérablement réduit en introduisant, dans le mercure, une matière sta- bilisante appropriée.
Comme on l'a dit précédemment, la particule est mouillée quand une pellicule de mercure y adhère fortement. Cette pellicule peut être stabi- lisée par une petite quantité de zinc ou de cuivre, de telle sorte que la particule mouillée puisse être ensuite exposée à l'air pendant un temps'appré- ciable. La matière destinée à stabiliser la pellicule peut être ajoutée au mercure pendant la période de "prémouillage". On obtient de bons résultats avec un mélange constitué par 18 parties en poids de mercure, 1 partie de ti- tane et 1/6 de zinc. Ce mélange est introduit dans un tube d'acier scellé et chauffé à 500 environ pendant 50 à 100 heures.
Les tubes sont maintenus scel- lés jusqu'au moment où l'on y introduit le contenu dans la chaudière à mercure, Souvent la poudre prémouillée agglomère, mais les amas peuvent être aisément rompus par agitation, de manière à obtenir une substance parfaitement fluide et homogène avant l'introduction dans la chaudière*
Dans les chaudières où un fort agent désoxydant tel que le magné- sium ou le calcium est introduit dans le liquide avec le zirconium ou le titane, le mélange de mercure et de zirconium mouillé peut être protégé de l'oxydation en ajoutant du calcium ou du magnésium. Dans ce cas, on a obtenu de bons ré- sultats en chargeant le tube d'acier avec un mélange constitué par 18 à 54 parties en poids de mercure pour une partie de titane ou de zirconium avec une légère quantité de calcium ou de magnésium.
Dans ce cas, on peut supprimer la substance stabilisatrice telle que le zinc ou le cuivre$ sous réserve de pren-
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-dre de grandes précautions en introduisant le mélange dans la chaudière.
La grande affinité du magnésium et du calcium pour l'oxygène permet d'effec- tuer la préparation dans des tubes d'acier à faible teneur en carbone à une température de l'ordre de 480 .
L'installation représentée sur les dessins joints est constituée par un tambour 10 en matière ferreuse revêtue de matière isolante du point de vue thermique, représentée en 11 et maintenue par une pièce 12. Le tambour est partiellement rempli de mercure 13 auquel on a ajouté du zirconiwn ou du tata- ne, comme on l'a dit précédemment.On prévoit un bloc de remplissage 14 destiné à réduire, autant que possible, la quantité de liquide nécessaire au fonction- nement de la chaudière* A la partie inférieure du tambour 10 sont fixés des tubes 15 également en fer.
Comme le montre la fig.2, chacun d'eux comporte une partie tubulaire externe 16 fixée à la paroi 10 du tambour et une partie tubu- laire interne 17 ayant une paroi interne 18 et une paroi externe 19 soudées ensemble de manière à définir un espace parfaitement clos. La parai interne 18 contribue à créer un espace 20 relié à son extrémité inférieure avec un autre espace 21 entre la paroi externe 19 et le tube externe 16. Un manchon 22 est fixé à son extrémité supérieure à une plaque 23 prévue à l'intérieur du tambour 10, et son extrémité inférieure se prolonge dans l'espace 20 défini par la paroi interne du tube central.
En cours de fonctionnement, le mercure liquide s'écoule de l'espace situé au-dessus de la plaque 23 dans le tambour 10 par l'intermédiaire du manchon 22, pour aboutir en 20; d'où il s'écoule en 21 entre le tube externe 16 et la paroi externe 19. La chaleur est amenée au tube et au tambour par radiation et par conduction.
Le liquide contenu dans le canal externe 21 est partiellement évaporé et amené au tambour. Le fait de prévoir un tube central à double paroi permet de réduire la quantité de chaleur directement transférée du canal ex- terne 21 qui contient de la vapeur vers le canal interne 20 qui contient du liquide, Il en résulte une pression différentielle entre les fluides qui par- courant ces deux canaux et une circulation constante de fluide dans oes der- niers. La vapeur produite dans la chaudière est conduite à la turbine 25 par une canalisation 24, pour aboutir ensuite à un condensateur 26 portant un dispositif réfrigérant 28. Le mercure condensé est ramené au tambour par la conduite 29 connectée au condensateur 26 et par une tuyauterie 30 située entre la conduite 29 et le tambour 10.
En dehors du tambour 10 et des tubes qui lui sont connectés, on
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peut avoir dtautres éléments tels que celui représenté en 31 et qui comporte un collecteur 32 communiquant avec le liquide du tambour par la conduite 33.
L'élément 31 chauffé comporte un tube descendant 34 qui connecte le tube 32 à un autre collecteur 35 placé extérieurement à la paroi 36 de la chaudière* Le collecteur 35 est connecté aux extrémités inférieures des tubes montants 37 disposés à l'intérieur de la chambre de chauffe et dont les extrémités supé- rieures sont connectées au collecteur supérieur 32. Les tubes 37 constituent c un écran devant la paroi 36.
En cours de fonctionnement, le mercure liquide contenu dans les tubes 37 se vaporise pour arriver dans 32. La vapeur ainsi formée est amenée au tambour par la conduite 33, et le liquide circule dans les tubes 34 et 37.
Pour que le débit des tubes 37 ne vienne pas gêner le liquide parcourant les tubes 34, on a prévu un écran 38 dans le collecteur 32.
Le dispositif qui permet d'ajouter les matières précitées, con- formêment à l'invention, est constitué par une tubulure 40 connectée au tube
34. Cette conduite comporte deux robinets 41 et 42 et sa partie supérieure est évasée en 43. On peut introduire dans la chaudière les matières précitées, en cours de fonctionnement, en ouvrant tout d'abord le robinet 42 et en introdui- sant la matière dans le tube 40; après quoi on ferme le robinet 42 pour ouvrir ensuite le robinet 41 et permettre aux,dites matières de pénétrer dans le tube 34 d'où elles sont réparties dans tous les éléments de la chaudière* Pour évi- ter l'Introduction de trop grosses parcelles, on a prévu un tamis 44.
Quand on introduit le zirconium ou le titane en poudre, ils ont une tendance à flotter à la surface du mercure et on a rencontré certaines difficultés pour les introduire facilement dans la chaudière, et cela du fait de leur faible densité relative. On peut toutefois pallier ces difficultés en prévoyant un récipient 45 contenant du mercure liquide 46 et connecté à la partie évasée 43 par un tube 47 commandé par un robinet 48. Au moment de l'in- troduction du zirconium ou du titane, on ouvre le robinet 48 en même temps que le robinet 42, les matières tombent dans le tube 40 et sont entraînées par le mercure liquide qui provient du réservoir 46.
Le mercure doit être de préféren- ce aussi sec que possible et on le sépare de l'eau qu'il peut contenir en pré- voyant des éléments chauffants 49, sous forme de tubes à vapeur, à l'intérl eur du récipient 46.
Le système comporte également un dispositif qui permet de préle- ver du mercure aux fins d'analyse. 0'est ainsi qu'on peut prévoir un tube
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connecté au tube 34 et comportant deux robinets en série, Grâce à ce dispositif on peut prélever une certaine quantité de fluide, On doit éviter autant que possible, le contact du ziroonium ou du titane avec l'oxygène ou des oxydes, de manière à les conserver continuellement à l'état métallique à l'intérieur de la chaudière. Tous les éléments sont soigneusement scellés et on introduit de l'azote ou tout autre gaz inerte équivalent pendant les périodes de repos.
Bien qu'on ait représenté et décrit une seule forme de réalisa- tion de l'invention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à cette forme particulière, donnée simplement à titre d'exemple et sans aucun carac- tère restrictif et que par conséquent toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions indiquées ci-dessus, rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.