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"ECHANGEUR DE CHALEUR EN METAL ACTIONNE EN COMBINAISON AVEC UNE TURBINE A GAZ, POUR HAUTS-FOURNEAUX, ETC ...
Depuis qu'il est possible de fabriquer des aciers très résistants à la chaleur, on a entrepris de construire également en métal des échangeurs de chaleur pour porter les gaz à de hautes températures et pour remplacer, par exempla dans les hauts-fourneaux, les coûteux appareils Cooper, travaillant d'après le procédé par régénération, par des récupérateurs métalliques dont l'exploitation est plus simple.
Il a de plus été proposé, avec de tels échangeurs, de mettre
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également sous pression les gaz chauffants en ne prenant plus ces derniers à des chaufferies ordinaires, mais en utilisant des installations de chauffage sous pression, c'est-à-dire dans lesquelles la chambre de combustion où l'on produit les gaz chauffants se trouve à une pression notablement supérieure à celle de l'atmosphère ambiante.
De ce fait, ces gaz chauffants acquièrent une chute de pres- sion qui permet aussi de les utiliser comme agents moteurs dans une turbine à gaz. Avec cette turbine à gaz, on peut actionner les compresseurs à l'aide desquels l'air comburant ainsi que le combustible (par exemple le gaz de hauts-fourneaux), qui donnent le gaz chauffant, sont portés à la pression désirée. D'autre part, il a été proposé également d'utiliser cette turbine à. gaz, non seulement pour actionner les compresseurs pour l'air comburant et le combustible en vue de produire des gaz chauffants à haute pression, mais aussi pour actionner le compresseur qui fournit l'air (air utile ou vent) à chauffer dans le récupérateur.
Mais si la turbine à gaz doit fournir l'énergie nécessaire à la marche de tous ces compresseurs, il faut que son agent moteur soit, lui-même, très riche en énergie, donc, ou bien qu'il soit très chaud, ou bien 'qu'il ait une très forte chute de pression. Etant donné que l'on utilise, comme pression des gaz chauffants servant d'agent moteur, une pression analogue à celle que possède l'air à échauffer, on s'est tiré d'affaire, pour augmenter la chute de pression des gaz moteurs, en branchant à l'aval de la turbine à gaz un exhausteur, qui produit un vide élevé et ramène à la pression atmosphérique les gaz refroidis. Mais on s'est aussi trouvé dans l'obligation d'admettre à la turbine à gaz des gaz moteurs à des températures très élevées.
Le relèvement de la chute de pression des gaz
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moteurs notablement au-dessus de celle, de l'air à. échauffer, de même que 1''emploi de hautes températures pour les gaz, comme c'est le cas lorsque la turbine à. gaz est branchée directement à l'étage supérieur d'un appareil à chauffer la vent, présentent de graves inconvénients, que la présente invention a pour but d'éviter.
La présente invention consiste à augmenter, dans un échangeur de chaleur dont l'étage inférieur est précédé d'une turbina à gaz entraînant les compresseurs d'air comburant et de combustible pour le gaz chauffante ainsi que le- compresseur ou soufflante pour l'air utile (le vent) à échauffer, la puissance de la turhine à gaz, en ajoutant et en mélangeant-, aux gaz chauffants, de l'air pris soit au compresseur d'air utile, soit au compresseur d'air comburant. Cet appoint d'air peut être amené directement du compresseur à la turbine à gaz, mais peut aussi avoir traversé l'étage d'entrée, de l'échangeur, c'est-à-dire avoir subi un. réchauffage préalable.
Dans un cas comme dans l'autre, on déterminera son importance et sa température de telle sorte que la, quantité totale d'agent moteur suffise pour développer dans la turbine à. gaz, autant que possible sans moteur auxiliaire,, l'énergie nécessaire pour actionner la totalité des compresseurs.
Au dessin annexé, la Fig. 1 montre schémati- quement une installation de ce genre- a et b désignent les tubes (surfaces de chauffe) de l'étage supérieur, ceux de l'étage inférieur d'un échangeur de chaleur (appareil à chauffer le vent) f le compresseur d'air comburant et e le compresseur de combustible. Le mélange des deux gaz est brûlé dans la chambre de combustion 9 et les gaz chauffants arrivent par 1 dans l'étage supérieur de l'échangeur et en k à la turbine à gaz d.
Si ce gaz chauffant utilisé comme agent moteur
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ne doit pas avoir une pression supérieure à la résistance du haut-fourneau par exemple, ce qui est pratique eu égard à la résistance des tubes de l'étage supérieur , qui sont chauffés à une haute température, la turbine à. gaz ne peut alors, aux températures relativement basses (environ 550 C.) demandées en raison de la résistance des aubages, développer que la puis-* sance nécessaire pour actionner le compresseur d'air comburant f et le compresseur d'air utile g, si la quantité de gaz moteur de la turbine à gaz ne reste que de peu inférieure aux quantités totales de gaz et d'air à comprimer.
Il faut dès lors ajouter aux gaz chauds une certaine quantité d'air comprimé et cet appoint peut être de l'air pris à la soufflante d'air utile g (par la tuyauterie p) ou au compresseur! d'air comburant (par la tuyauterie q) . Comme ce mélange d'air n'a pas encore la température qu'il doit avoir pour alimenter la turbine, on tient un peu plus élevée la température de sortie des gaz en 1 et, avec ces gaz, on réchauffe le mélange d'air.
Les gaz moteurs quittent la turbine à gaz en 1 pour entrer dans l'étage inférieur c de l'échangeur de chaleur.
Ils passent en m à l'atmosphère ou dans une tuyauterie d'échappement.
Bien que, dans le mode de travail qui vient d'être décrit, on soit maître de faire effectuer la combustion dans la chambre o avec un excès d'air suffisant, de manière à éviter que le gaz chauffant n'atteigne des températures inadmissibles, il peut être intéressant, pour des motifs d'économie de tubes, de faire arriver du vent froid sur les tubes qui sont traversés les premiers par les gaz chauffants à haute température. Le montage qui entre alors en ligne de compte est illustré par la Fig. 1. Une partie de l'air à chauffer
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ïën1:W;t,,de. 1a: offlanta g va au groupe de tubes à., l'autre partie à. l'étage inférieur;. c de l'échangeur.
Les deux flux d'air se rejoignent dans l'accumulateur r
L'exemple de réalisation de la Fig. 2 ne diffère de celui de la Fig. 1 que par ce fait qu'ici la soufflante de haut-fourneau g fournit encore, outre le vent, l'air comburant et l'appoint d'air pour le mélange n est la prise d'air comburant, p est de nouveau la prise d'air de mélange; cet air est déjà réchauffé. On pourrait évidemment prendre aussi du vent froid par la tuyauterie t
En général, la pression du gaz moteur avant l'entrée dans la turbine à gaz sera à peu près égale à. la pression du vent, vu qua c' est de cette. manière, comme il a. déjà été dit plus haut, que la fatigue des tubes de l'étage supérieur sera la plus faible. Mais il peut aussi y avoir avantage à ce que la pression des gaz chauffants ou du gaz moteur soit un peu supérieure à celle du vent.
Dans ce cas, la soufflante commune. peut être. pourvue d'une prise fournissant le vent, tandis qua le reste de l'air est comprimé à une pression plus élevée. Si par exemple, l'étage supérieur de l'échangeur de chaleur offre une forte résistance de passa... ge, on comprimera encore l'air comburant à une pression plus élevée que l'air de, mélange allant à la turbine à. gaz
Dans les dispositifs des Figs. 1 et 2 la charnbre de combustion est représentée comme étant distincte de l'échangeur de chaleur. Naturellement, elle peut aussi être combinée avec l'étage supérieur du dit échangeur.
Le. grand avantage qu'il y a à augmenter la quantité de gaz moteur au lieu de relever la chute de pression de ce gaz consiste, en résumé, en ce que le rendement des compresseurs. pour de grands débits et de faibles près-
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sions est de beaucoup plus élevé que celui qu'on obtient pour de faibles débits et de fortes pressions, et en ce que, de plus, la température à l'amont de la turbine à gaz peut être plus faible, et que la pression est à peu près égale des deux côtés des parois des tubes, de sorte qu'on peut faire tra- vailler les tubes à de hautes températures et employer à leur fabrication des métaux très résistants à l'oxydation, mais moins résistants comme durée. Pour des motifs analogues, ce mode d'exploitation est aussi de beaucoup à préférer à 1'em- ploi d'exhausteurs.