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Installation pour la production d'air comprimé, par exemple du vent de hauts-fourneaux.
L'invention a pour objet une installation pour la production d'air comprimé, par exemple du vent de hauts-fourneaux, dans laquelle l'air est amené dans au moins un compresseur à une pression supérieure à celle de l'air de consommation, chauffé ensuite dans un échauffeur par un apport indirect de chaleur extérieure, et détendu immédiatement après avec production de puissance dans au moira une turbine action- nant le compresseur.
Le but de l'invention est de créer une installa- tion de ce genre dans laquelle la consommation d'énergie et de chaleur par Nm3 d'air comprimé est réduite et qui permet, avec des moyens de
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construction simples, d'obtenir une amélioration économique par rapport aux installations construites jusqu'à présent. l'invention est basée sur le fait que l'air d'échappement des turbines contient encore une quantité relativement grande de chaleur.
Or, le rendement des installations du genre en question est d'autant plue favorable qu'on réussit plus largement à utiliser la teneur en chaleur de l'air d'échappement de l'installation sans qu'il soit nécessaire de prévoir, par exemple, deséchaneurs de chaleur offrant des surfaces relativement grandes. pour atteindre ce but, suivant l'invention, une partie de la masse c'air aspirée par le compresseur est prélevée au moins en amont du dernier étage de la turbine et conduite dans un appa- reil d'utilisation, tandis que la partie restante dudit volume d'air, après avoir traversé la turbine, est au moins en partie complé,entai rement utilisée dana un échauffeur, sous forme d'air de combustion.
Le dessin ci-anneé à titre d'exemple représente hématique- ment plusieurs modes d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig 1 montre une installation dans laquelle l'air com- primé nécessaire à un haut-fourneau est prélevé dansun étage inter- médiaire d'une tubine à air. le fig 2 montre une installation dans laquelle l'air com- primé nécessaire à un haut-fourneau est prélevé dans le dernier étage du premier carter d'un compresseur à trois carters.
La fig. 3 montre une installation dans laquelle le chauffage de l'air de consommation et de l'air servant de fluide moteur à 1'in stallation est effectué respectivement dans un échauffeur tubulaire.
La fig. 4 montre une installation dans laquelle l'air de con- sommation est échauffé dans un groupe d'appareils Cowper, tandis que le chauffage de l'air constituant le fluide moteur a lieu dans un échauffeur tubulaire. la fige 5 montre une installation qui se distingue de celle représentée par la fig 4 par le fait que l'air de consommation et l'air constituant le fluide moteur sont comprimés dans deux compres- seurs connectés en parallèle.
Dans la fig. 1, 1,2,3 désignent les carters d'un compresseur à trois carters qui aspire l'air dans l'atmosphère et le comprime avec un refroidissement intermédiaire entre les carters 1,2 et 2,3, et ce, au-delà de la pression que doit avoir l'air (air de consommation) nécessaire à u appareil d'utilisation constitué par un haut-fourneau 4.
L'air comprimé par le compresseur 1,2,3 arrive préalablement dans un système de chauffage 5d'un échauffeur 6 dans lequel cet air reçoit indirectement un apport de chaleur extérieure, par exemple par com- bustion de gaz de gueulard. 7 désigne un brûleur de l'échauffeur 6.
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Le combustible arrive à ce brûleur par une conduite 8. L'air chauffe dans le système de chauffage 5 est conduit dans une turbine 9, où il se détend en fournissant de la puissance. La puissance produite par la turbine 9 sert à l'entraînement du compresseur 1,2,3. Une partie de l'air aspire par le compresseur 1,2,3 est prélevée dans la section à basse pression de la turbine à air 9 et est conduite dans le haut- fourneau 4 par l'intermédiaire d'un système de chauffage 10, également monté à l'intérieur de l'échauffeur 6, et dans lequel cette partie de l'air reçoit un apport indirect de chaleur extérieure. Le reste du volume d'air aspiré qui traverse la totalité de la. turbine 9 arrive par une tuyauterie II dans le brûleur 7 de l'échauffeur 6, où cet air doit servir d'air de combustion.
La détente du volume d'air restant après le prélèvement de l'air de consommation nécessaire au haut-fourneau 4 peut avoir lieu dans une turbine spéciale, celle-ci servant également a l'entraînement du compresseur.
Dans la fig. 2,12,13 et 14 désignent trois carters d'un compresseur à trois carters qui aspire l'air dans l'atmosphère et le comprime, avec refroidissement intermédiaire, au-delà de la pression que doit avoir l'air (air de consommation) nécessaire à l'appareil d'utilisation constitué par un haut-fourneau 15. L'air à fournir au haut-fourneau 15 est prélevé sur le volume d'air aspiré par le com- presseur 12,13,14 à la fin du premier carter du compresseur 12 et arrive dans le haut-fourneau 15 par l'intermédiaire d'un système de chauffage 16 qui est monté dans un échauffeur 17. Le reste de l'air aspiré par le compresseur 12,13,14 est conduit dans un système de chauffage 18 qui est monté à l'intérieur d'un échauffeur 19.
Dans ce système de chauffage 18, la fraction d'air en question reçoit un apport indirect de chaleur extérieure et cette fraction arrive ensuite dans une turbine 20 dans laquelle elle se détent en fournissant de la puissance. La puissance produite par cette turbine 20 sert à l'en- traînement du compresseur 12,13,14. D'autre part, 21 désigne un appa- reil auquel peut être fourni un excédent éventuel de puissance de la turbine 20, et qui peut éventuellement fournir la puissance complé- mentaire nécessaire à l'entraînement du compresseur 12,13,14, et servir de moteur de démarrage pour la mise en marche du groupe de machines.
Le volume d'air s'échappant de la turbine 20 est conduit par une tuyauterie 23 et constitue l'air de combustion de l'échauffeur 19, c'est-à-dire de son brûleur 22.
Le mode d'exécution d'après la fig. 3 se distingue de celui de la fig. 2 par le fait que l'air d'échappement de la turbine 24 se divise en un point 26 de la conduite d'évacuation 25, une partie de
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cet air passant dans une tuyauterie 27 raccordée à l'échauffeur 28 de l'air de consommation, tandis que le reste arrive au moins partiellement par une tuyauterie 29 dans l'échauffeur 30 de l'air constituant le fluide moteur. 31 désigne une tuyauterie dans laquelle est intercalé un obturateur 32 et qui est raccordée à un lieu d'utilisation quelcon- que pour de l'air chaud, ou qui permet de laisser échapper dans l'at- mosphère une partie de l'air détendu.
La turbine 24 qui fournit le travail nécessaire à la compression de l'air de consommation et de l'air servant de fluide moteur, fournit donc également l'air de com- bustion pour le chauffage de l'air de consommation dans l'échauffeur 28, et le chauffage de l'air servant de fluide moteur, dans l'échauffeur 3C.
Le mode d'exécution représenté par la fig. 4 se distingue essentiellement du mode précédemment décrit par le fait que le chauf- fage de l'air de consommation nécessaire à un haut-fourreau 35 n'a pas lieu dans un écliauffeur tubulaire, mais dans un groupe d'appareils Cowper 36,37 qui reçoivent comme combustible du gaz de gueulard. D'après la fig. 4, l'appareil Cowper 36 est réglé sur la période du "vent", tandis que l'appareil 37 est réglé sur la période du "gaz".
Une partie de l'air aspiré par le compresseur à trois carters 39 passe, après compression dans les premiers étages, dans une tuyauterie 41 au point 4C et arrive, par suite de l'ouverture d'un obturateur 42, dans l'appa- reil Cowper 36, où elle est davantage échauffée pour arriver ensuite, sous forme d'air chaud de consommation, dans le haut-fourneau 35, par une tuyauterie 43 et un obturateur ouvert 44. En même temps, des gaz de gueulard venant du haut-forneau 35, passent par une partie d'une tuyauterie 45, un obturateur ouvert 46 et une tuyauterie 47 dans l'ap- pareil Cowper 37, où ils sont mélangés avec de l'air de combustion.
Cet ai de combustion est formé par une partie de l'air d'échappement de la turbine 49 actionnant le compresseur 39, une partie étant pré- levée sur le courant d'air d'échappement au point 48 et arrivant dans l'appareil Cowper 37 par une tuyauterie 50, un organe obturateur ouvert 51 et une tuyauterie 52. Les gaz de chauffage produits par la combustion des gaz de gueulard, ayant cédé leur chaleur à la garniture d'accumula- tion de cet appareil Cowper 37, s'échappent à l'air libre par une tuyau- terie 53 et un organe obturateur 54.
Par contre, si l'appareil Cowper 36 est réglé sur la période du gaz, tandis que l'appareil 37 est réglé sur la période du vent, l'air de consommation prélevé au point 40 du compresseur 39 arrive par la pre- mière partie de la tuyauterie 41, une tuyauterie 56 et un organe obtura- teur maintenant ouvert 55, dans l'appareil Cowper 37, où la garniture d'accumulation chauffée lui cède de la chaleur. Après chauffage, cet air de consommation passe par une tuyauterie 57, un organe obturateur main- @
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tenant ouvert 58 et une partie de la tuyauterie 43 dans le haut- fourneau 35.
En même temps,des gaz de gueulard sortent de celui-ci par une tuyauterie 45et un organe obturateur maintenant ouvert 60, pour passer dans l'appareil Cowper 36 où. ils se mélangent à la frac- tion de l'air d'échappement de la turbine 40 qui passe dans la tuyau- terie 50 au point 48 et arrive dans l'appareil Cowper 36 par la tuyau- terie 61 et l'organe obturateur 62 maintenant ouvert. Les gaz de chauffage produits dans ce dernier par la combustion des gaz de gueu-r lard, après avoir cédé une grande partie de leur chaleur à la garni- ture d'accumulation de l'appareil Cowper 36, s'échappent par une tuyauterie 63 et un organe obturateur 64 maintenant ouvert.
La partie de l'air d'échappement de la turbine 49, qui ne passe pas dans la tuyauterie 50 au point 48, arrive, comme dans le mode d'exécution d'après la fig. 3, sous forme d'air de combustion dans l'échauffeur 65 pour l'air servant de fluide moteur à la turbine 49.
Dans les modes d'exécution d'après les figs. 3 et 4, le vo- lume d'air de combustion, c'est-à-dire le volume d'échappement arri- vant dans l'échauffeur 30 ou 65 pour l'air destiné à servir de fluide moteur, peut être le double du volume d'air nécessaire à une combu- stion complète dans cet échauffeur. Il convient également que l'air d'échappement formant air de combustion et arrivant au brûleur de l'échauffeur d'air de consommation 28 (fig. 3) ou dans les chambres de combustion des appareils Cowper 36,37 (fig. 4), ait au moins un volume double de celui de l'air nécessaire à une combustion complète dans ledit échauffeur 28 ou dans lesdites chambres de combustion.
Il résulte de l'emploi dudit excédent d'air considérable dans le chauffage de l'air servant de fluide moteur, que le volume d'air traversant la turbine 24 ou 49 augmente également d'une manière correspondante. On sait déjà que, de ce fait, la puissance à produire dans la turbine pour l'entraînement du compresseur peut être obtenue à des tempéra- tures et des pressions d'admission plus réduites de sorte qu'il de- vient possible de construire le compresseur et la turbine avec un nombre plus réduit d'étages et avec des épaisseurs de parois plus faibles. De même, lorsque l'échauffeur est constitué par un échauffeur tubulaire, les tubes de ce dernier ainsi que les éléments de la tur- bine peuvent être exposés à des températures plus élevées, les efforts de pression provenant du fluide de travail étant alors plus réduits dans un rapport correspondant.
Or, on sait que le fonctionnement avec des températures d'admission,élevées dans la turbine a une action fa- vorable sur le rendement de l'ensemble de l'installation. Ce rendement devient d'autant plus favorable que, malgré le fonctionnement avec des températures plus élevées du fluide moteur, il n'est pas nécessaire de
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souffler à l'extérieur une partie considérable de l'air d'échappement encore chaud de la turbine, la température de cet air d'échappement continuant à être utilisée dans l'échauffeur, par quoi la température des fumées sortant de cet échauffeur est bien inférieure à la tempé- rature de l'air sortant de la turbine.
Comme conséquence du grand volume d'air servant de fluide moteur, disponible dans la turbine, la puissance à produire pour l'entraînement du compresseur peut bien, le plus souvent, être obte- nue sans qu'il soit nécessaire d'équiper le compresseur d'un dispo- sitif de refroidissement intermédiaire, afin qu'il soit possible que la turbine puisse l'actionner dans toutes les conditions de charge.
Or, la construction du compresseur sans refroidissement intermédiaire permet une économie considérable en frais d'achat, en poids et en encombrement.
Quoique, à première vue, il semble absurde de travailler avec ce grand excédent d'air dans le chauffage de l'air servant de fluide moteur, le volume des gaz d'évacuation sortant alors de l'é- chauffeur et la quantité de chaleur sensible entraînée par ce volume augmentant alors en conséquence, l'admission de ce grand excédent d'air permet de réaliser des progrès techniques tels que lesdits in- convénients soient plus que compensés.
Parle fait qu'on introduit dans les échauffeurs un volume d'air d'échappement servant d'air de combustion, au moins égal au double du volume d'air nécessaire dans ces échauffeurs à une com- bustion complète on peut, à l'aide du grand excédent d'air, abaisser la température du foyer à un degré tel (cette température suffisant cependant bien entendu encore pour permettre le chauffage de l'air à la température exigée) que les particules de mâchefer entraînées par les gaz de combustion soient déjà solidifiées avant de pouvoir frapper les tubes et se présentent donc sous forme de mâchefer en grains. On évite ainsi les encrassements qui sont un danger pour la durée de fonctionnement et ont également une action défavorable sur le rendement.
Lors de l'introduction de l'air de turbine, sous forme d'air de combustion, dans la chambre de combustion d'appareils Cowper, avec ledit excédent, on évite dans ces appareils des températures qui pourraient être nuisibles aux matériaux de ces appareils, malgré l'utilisation aussi totale que possible de la chaleur contenue dans l'air d'échappement.
La fig. 5 montre un mode d'exécution dans lequel la compres- sion de l'air de consommation à fournir à un haut-fourneau 70 a lieu dans un compresseur 71, et celle de l'air servant de fluide moteuà l'installation dans un compresseur 72. Dans le compresseur 72, l'air servant de fluide moteur est comprimé à une pression plus élevée que l'air de consommation dans le compresseur 71. Les deux compresseur
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connectés en parallèle 71,72, qui fonctionnent chacun sans aucun re- froidissement intermédiaire, sont actionnés par une turbine commune 73.
Dans ce cas, le chauffage de l'air de consommation, comprimé par le compresseur 71 et nécessaire au haut-fourneau 70, a également lieu dans un groupe d'appareils Cowper 74,75, l'appareil 74 étant réglé sur la période du "vent" et l'appareil 75 étant réglé sur la période du "gaz".
En fait de combustible, l'appareil Cowper réglé sur la période du gaz reçoit du gaz de gueulard, venant du haut-fourneau 70.
L'air servant de fluide moteur et amené par le compresseur 72 à la pression nécessaire, arrive après compression dans un échauf- feur tubulaire 76, dans lequel il est porté à la température exigée, pour se détendre ensuite dans la turbine 73 en fournissant de la puis- sance extérieure. L'air d'échappement de cette turbine 73 arrive en un. point 77 où il se divise en deux courants, dont l'un passe par une tuyauterie 78, un organe obturateur ouvert 79 et une tuyauterie 80, dans l'appareil Cowper 75, réglé alors sur la période du gaz, dans le- quel cet air d'échappement sert d'air de combustion. Le reste de l'air d'échappement de la turbine 73 passe du point 77, tout au moins en partie, dans une tuyauterie 81 pour arriver au point de combustion 82 de l'échauffeur 76, où cet air d'échappement sert également d'air de combustion.
Le volume d'air d'échappement qui passe par la tuyauterie 81 pour arriver dans l'échauffeur 76 pour l'air servant de fluide mo- teur est de préférence au moins égal au double du volume d'air néces- saire à une combustion complète dans cet échauffeur 76. De même le volume d'air d'échappement arrivant dans l'appareil Cowper réglé sur la période du gaz, et dans lequel cet air se mélange sous forme d'air de combustion avec les gaz de gueulard entrant est choisi au moins égal au double du volume d'air nécessaire dans cet appareil pour une combustion complète des gaz de gueulard.
Au lieu de prévoir un seul groupe comportant deux appareils Cowper, on peut au besoin employer plusieùrs groupes d'appareils de ce genre.
De même, dans le mode d'exécution d'après la fig. l, où le chauffage de l'air de consommation à fournir au haut-fourneau 4, et le chauffage de l'air servant de fluide moteur qui doit être fourni à la turbine 9 actionnant le compresseur 1,2,3, sont effectués dans un échauffeur commun 6, le volume d'air d'échappement de la turbine, servant d'air de combustion à fournir au brûleur peut également être au moins égal au double du volume d'air nécessaire à une combustion complète dans l'échauffeur 6.
Pour les possibilités d'application de l'invention ne joue aucun rôle le mode de construction du ou des compresseurs, du ou des échauffeurs pour l'air de consommation et l'air servant de fluide
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moteur, et des appareils d'utilisation de l'air. L'appareil d'utilisa- tion de l'air peut être, par exemple un appareil à air comprimé et, dans ce cas, seul l'air servant de fluide moteur à l'installation, mais non pas l'air de consommation, reçoit un apport indirect de chaleur extérieure.
Dans ce qui précède, l'appellation "air de combustion" s'étend aussi bien à l'air constituant l'air primaire de la combustion, qu'à l'air qui, dans le chauffage de l'air servant de fluide moteur, est introduit en un point quelconque de l'échauffeur sous forme d'air secondaire.
Sous réserve d'une adaptation à la pression d'utilisation, le point de prélèvement de l'air nécessaire à un appareil d'utilisa- tion peut être prévu en un point quelconque avant le dernier étage du compresseur.
De préférence le point de prélèvement de l'air de consomma- tion sera mobile.
Il n'est pas absolument nécessaire que l'air subisse un re- froidissement intermédiaire. Dans certaines conditions, on peut même comprimer sans aucun refroidissement intermédiaire. Lorsque l'air à comprimer est refroidi entre les étages de compression, le degré du refroidissement intermédiaire dans le compresseur peut être modifié de telle manière que la compression ait lieu plus près d'une courbe isothermique, ou plus près d'une courbe adiabatique, dans le cas d'une modification du volume d'air demandé par l'appareil d'utilisation et, par conséquent, de la dépense de travail.
Le réglage peut, également, avoir lieu par des robinets de court-circuitage sur le compresseur ou sur la turbine.
Lors d'un changement dans le volume d'air de consommation demandé, on peut modifier le volume d'air comprimé dans le compres- seur jusqu'à la pression finale, ou bien on peut modifier le volume d'air détendu dans la turbine jusqu'à la pression finale, ou encore, modifier le degré de chauffage du volume d'air arrivant dans la tur- bine. Mai. dans le cas d'une modification du volume d'air de consom- mation demandé, on peut également faire varier la vitesse de rotation du groupe de machines. D'autre part, on peut employer simultanément deux ou plusieurs des dispositions précédemment indiquées pour l'adap- tation de la puissance produite au volume d'air de consommation demandé.
Une partie de l'air sortant de la turbine et détendu peut également servir au chauffage préalable du combustible arrivant à ou aux échauffeurs..
La contre-pression de la turbine dans laquelle l'air échauffé se détenden fournissant de la puissance, peut être choisie à une va- leur quelconque. Par exemple, lorsque la combustion à l'intérieur-
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des échauffeurs a lieu sous pression, on peut adapter cette contre- pression à la pression à l'intérieur de la chambre de combustion, de sorte qu'il n'est alors pas nécessaire de prévoir un compresseur spé- cial pour amener l'air de combustion demandé à la pression nécessaire.
En cas d'une forte augmentation brusque de la puissance de- mandée par le compresseur, et pour augmenter la puissance d'entraîne- ment, on peit introduire, provenant d'une source extérieure, de l'air comprimé accumulé en amont de la turbine. De préférence, l'introduc- tion de cet air comprimé dans la masse d'air de travail a lieu avant l'entrée dans l'échauffeur qui est placé en amont de la turbine.
REVENDICATIONS.
1. Installation pour la production d'air comprimé, par exemple du vent de hauts-fourneaux, dans laquelle l'air est comprimé dans au moins un compresseur jusqu'à une pression supérieure à celle de l'air de consommation, ensuite échauffé par un apport indirect de chaleur extérieure et, immédiatement après,,détendu dans au moins une turbine actionnant le compresseur, caractérisée en ce qu'une partie du volume d'air aspiré par le compresseur est prélevée en amont du dernier étage de la turbine et arrive dans un appareil d'utilisation, tandis que la partie restante de ce volume d'air est utilisée au moins partiellement sous forme d'air de combustion dans l'échauffeur, après son passage dans la turbine.