<Desc/Clms Page number 1>
Perfectionnements aux générateurs de vapeur.
D'une manière générale les performances exigées des générateurs de vapeur modernes sont supérieures à celles demandées aux chaudières de construction plus ancienne. Entre autres, on prescrit un faible encombrement, en particulier une faible hauteur de l'ensemble pour réduire les dépenses de construction de la chaufferie. Cette condition impose une haute efficacité de la surface de chauffe. Enfin, la maçonnerie doit être aussi réduite que possible et, dans certains cas, elle doit être protégée par des tubes de cir- culation d'eau.
Quoiqu'il en soit, ces conditions sont actuellement le mieux réalisées dans les générateurs de vapeur du type dit à tubes d'eau, fonctionnant avec une circulation forcée.
Dans les chaudières de ce genre, l'eau et la vapeur sont refoulées dans les tubes à vapeur par une pompe.
Ces tubes qui, dans les chaudières à tubes d'eau, de construction ancienne, à circulation naturelle, étaient d'un
<Desc/Clms Page number 2>
diamètre relativement grand, rectilignes ou légèrement incur- vés (30-110 mm. de diamètre), sontfréquemment formés par des serpentins à coudes multiples dans les chaudières à circula- tion forcée. En raison de la circulation forcée on a essayé de donner à ces serpentins tubulaires un diamètre intérieur plus faible (10-40 mm. ) et une longueur sensiblement supérieu- re à celle couramment utilisée dans les anciennes chaudières à tubes d'eau.
On supposait en effet que la résistance plus éle- vée à la circulation, conséquence de ce mode de construction, pouvait être compensée facilement par la pression de rèfoule- ment d'une pompe, mais non par les légères différences de pression qui constituent la puissance motrice déterminant la circulation naturelle dans les chaudières de construction ancienne.
De plus, on dispose d'une remarquable liberté de fonstruc- tion par le fait que ces serpentins tubulaires même en cas de taux de vaporisation élevés, peuvent être ascendants aussi bien qu'horizontaux ou même descendants, par rapport au sens de la circulation du mélange d'eau et de vapeur. Dans ce cas, il n'est nullement nécessaire de tenir compte des conditions de bonne circulation naturelle pour l'orientation des tubes, étant donné que le mélange d'eau et de vapeur est refoulé à travers les tubes de la chaudière par la pression d'une pompe.
La plupart des techniciens s'occupant de chaudières à vapeur considèrent ceci comme très naturel et presque évident.
Ce mode de construction des tubes générateurs de vapeur, c'est-à-dire le faible diamètre des tubes, leur grande longueur, la forme en serpentin et la grande liberté dans l'orientation des tubes, a donné aux chaudières à circulation forcée de nom- breux avantages par rapport aux chaudières à circulation na- turelle d'un type plus usuel.
Ces avantages sont en principe les suivants:
<Desc/Clms Page number 3>
1) Un faible encombrement et, en particulier, la possi- bilité d'adapter la forme de la chaudière à un espace déter- mine, d'où résulte en particulier une faible hauteur de construction et, par conséquent, des dépenses réduites pour la construction de la chaufferie.
2) Faibles dépenses de construction dues au procédé peu coûteux de cintrage à froid qui peut être appliqué aux serpentins tubulaires de faible diamètre employas.
3# Grande économie en ce qui concerne la surface de chauffe, étant donne qu'une surface de chauffe par convection constituée par ces tubes de petit diamètre a un coefficient de transmission de la chaleur de 40 à 50 % supérieur à celui des gros tubes usuels des chaudières de construction ancienne.
4) Insensibilité aux changements brusques de températa- re et de pression, les dilatations de toutes natures étant facilement compensées par les serpentins tubulaires de grande longueur.
5) Grande économie de poids, en particulier pour les pressions de vapeur élevées, pour lesquelles les tubes de gros diamètre exigent une épaisseur de paroi très supérieure à celle des serpentins à tubes minces.
Malheureusement, ces avantages très importants et très appréciés sont contre-balancés par plusieurs inconvénients qui sont une conséquence du principe de la circulation forcée.
Les chaudières à vapeur établies sur ce principe, qui ont trouvé les applications les plus étendues, fonctionnent à circulation forcée c'est-à-dire que la circulation est réali- sée à l'aide de pompes de circulation spéciales qui mettent seulement en mouvement l'eau contenue dans la chaudière, par opposition aux pompes alimentaires, qui introduisent dans la chaudière de l'eau provenant de l'extérieur afin de compenser l'abaissement du niveau de l'eau dû à l'évaporation. Par me- sure de sécurité,' 11 est nécessaire de monter en parallèle
<Desc/Clms Page number 4>
deux pompes différentes, l'une étant actionnée par un moteur électrique et l'autre par une turbineà vapeur.
Chacune de ces pompes doit comporter trois soupapes qui ont parfois des dimensions relativement grandes, à savoir une soupape d'aspiration, une soupape de refoulement et un clapet de re- tenue intercalé dans la conduite de refoulement. S'il se pro- duit une panne de courant dans le réseau alimentant le moteur de 1'électro-pompe, la pompe actionnée par la turbine à vapeur doit démarrer automatiquement afin que les tubes de la chau- dière ne risquent pas d'être surchauffés. Ce résultat est effectué à l'aide d'une soupape électro-magnétique de démar- rage pour la turbine à vapeur, soupape dont le fonctionnement doit être d'une sûreté absolue. En d'autres termes, il est nécessaire de prévoir toute une installation pour obtenir les avantages précédemment indiqués.
Ces avantages doivent donc être fomparés aux inconvénients suivants de l'instal- lation:
1) Augmentation des dépenses relatives à l'installation de pompage décrite ci-dessus.
2) Augmentation de la consommation de courant électri- que et quelquefois même de vapeur pour le fonctionnement de l'installation de pompage.
3) Augmentation du poids et de l'encombrement provenant de l'installation de pompage.
4) Augmentation des risques concernant la sécurité du fonctionnement, celle-ci dépendant entièrement du bon fonc- tionnement de l'installation de pompage, ou augmentation des frais de main-d'oeuvre pour la surveillance de cette instal- lation.
Bien entendu, ces inconvénients réduisent fortement les avantages précédemment indiqués, tout au moins ceux mention- nés aux paragraphes 1,2 et 5. Il en résulte que le gain net, réalisé dans les cas ordinaires par la circulation forcée, est considérablement réduit.
<Desc/Clms Page number 5>
Etant donne que ces avantages sont très apprécies, on réaliserait un progrès technique très important, si on pou- vait résoudre le problème de la construction d'un générateur de vapeur possédant tous les avantages indiqués sans qu'il soit besoin d'avoir recours à une installation de pompage com- pliquée avec tous ses inconvénients.
La présente invention a pour but de résoudre ce problè- me. L'invention répose en premier lieu sur le fait que les principes ayant jusqu'ici fait force de loi parmi les cons- tructeurs de chaudières et dans les articles de la littératu- re technique en ce qui concerne les conditions d'un bon re- froidissement des tubes générateurs de vapeur disposés horizon- talement, sont faux dans leurs grandes lignes et incomplets dans certains cas. On a fait certaines constatations mais on n'a pu expliquer correctement les raisons de ces constatations.
Par exemple, il y a lieu de signaler à titre d'exemple que, dans les chaudières à vapeur normales, établies pour une circu- lation naturelle et comportant des tubes générateurs de vapeur de grand diamètre, on constate fréquemment des éclatements de tubes et des corrosions très étendues indiquant un sur-échauf- fement des parois des tubes, dès que les tubes sont disposés horizontalement. En règle générale, ce fait a été attribué à une circulation imparfaite, par exemple à une vitesse d'écou- lement trop faible du mélange de vapeur et d'eau, provenant de bulles de vapeur immobiles adhérant aux parois des tubes au point de leur formation. On supposait que ces bulles étaient ensuite surchauffées ce qui provoquait les arrêts de fonction- nement par suite des éclatements de tubes.
A la suite de ces constatations, les tubes générateurs de vapeur ont toujours reçu une certaine inclinaison, généralement considérable, ou ils ont été placés presque verticalement, car il a été trouvé que la bonne circulation ne pouvait être obtenue que da cette manière.
L'idée que la vitesse de circulation de l'eau pouvait ,être le facteur essentiel pour un refroidissement suffisant des
<Desc/Clms Page number 6>
tubes générateurs de vapeur a également été le principe di- recteur poux l'établissement des générateurs de vapeur à cir- culation forcée. On a pensé que' seule la circulation forcée pouvait permettre d'atteindre des vitesses de circulation as- surant un refroidissement suffisant des serpentins tubulai- res de faible diamètre qui, dans ce cas, font office de tubes générateurs de vapeur. Exceptionnellement, on a employé aussi des serpentins tubulaires de faible diamètre dans des généra- teurs de vapeur circulation naturelle, pour des taux moyens de vaporisation relativement bas.
Mais ces serpentins ont tou- jours été placés dans des plans vertiaux et ils étaient cons- titués par de courts éléments tubulaires horizontaux reliés par des coudes verticaux à 180 . Le mélange d'eau et de va- peur se déplaçait vers le bas et vers le haut de la manière usuelle dans les générateurs à circulation naturelle, en pas- sant successivement dans les différents éléments tubulaires horizontaux. Pour expliquer la sûreté de marche de ces serpen- tins tubulaires, bien qu'ils comprennent des éléments tubu- laires tout à fait horizotaux, on a prétendu que la vapeur et l'eau se mélangeaient parfaitement chaque fois qu'elles traversaient l'un des coudes tubulaires verticaux.
Pour rechercher les conditions de production de la va- peut dans les tubes générateurs horizntaux de faible diamè- tre normalement prévus dans les chaudières à vapeur à circu- lation forcée, l'inventeur a procédé à des essais de produc- tion de vapeur dans un tube horizontal en verre ordinaire chauffé de tous côtés - même à la partie supérieure - par les flammes d'un combustible solide, le tube était partiellement rempli d'eau stagnante et la vapeur produite au cours de l'ébullition pouvait s'échapper par une extrémité.
Lorsque l'eau eut commencé à bouillir, on constata que la surface interne supérieure du tube était couverte de gouttelettes d'eau en quantité telle qu'après une ébullition d'une certaine durée, le tube était toujours intact malgré la grande sensi-
<Desc/Clms Page number 7>
bilité du verre aux changements de température. Il était ainsi démontré que le refroidissement de la paroi supérieure du tube était très régulier et très bon, grâce aux gouttelettes projetées. Même lorsque l'eau fut évaporée à un degré tel qu'il n'en restait qu'une faible partie couvrant le fond du tube, le refroidissement était manifestement bon. De plus, lorsque l'essai fut répété avec de l'eau ayant la même alcalinité que celle qui caractérise l'eau des chaudières, il se format une grande quantité de mousse remplissant entièrement le tuba.
Cette expérience montre que le principal refroidisse- ment de tubes générateurs de vapeur horizontaux et de faible diamètre est effectué directement ou indirectement par le processus de l'ébullition et non pas par la circulation. En fait, l'eau était complètement stagnante lors de l'expérien- ce. Ceci explique également pourquoi la disposition horizontale de tubes générateurs de vapeur de gros diamètre n'est pas iL- diquée, étant donné que la vapeur et l'eau ne forment pas un. mélange homogène, maisune couche supérieure de sapeur et une couche inférieure d'eau.
Les gouttelettes et la mousse prove- nant de l'eau circulant dans la partie inférieure du tute n'at- teignent pas la paroi supérieure du tube de grand diamètre.
Cette paroi n'est donc refroidie que par la vapeur durit la vitesse dans ces tubes de grand diamètre n'est pas élevée et est très insuffisante pour refroidir les parois des tubes. De plus, cette expérience montre qu'il est très probablement possible d'utiliser des taux de vaporisation très élevés avec des tubes de faible diamètre placés horizontalement. Plus la taux de vaporisation est élevé, plus l'ébullition est violente et plus la quantité de mousse qui recouvre la paroi supérieure du tube est importante là où autrement ne passerait que de la vapeur. Pour les parties inférieures du tube, qui sont re- couvertes par l'eau, on sait que le refroidissement est tou- jours satisfaisant' au cours de l'ébullition.
Les essais qui
<Desc/Clms Page number 8>
ont été faits ultérieurement sur un générateur de vapeur comportant des tubes générateurs de grande longueur et de faible diamètre, disposés horizontalement, dans lesquels la vitesse d'écoulement de l'eau fêtait plutôt faible, ont con- firme que ces tubes peuvent être soumis aux taux de vaporisa- tion les plus importants qu'il soit possible d'utiliser dans les générateurs de vapeur, sans qu'il en résulte une interrup- tion quelconque dans le fonctionnement.
En résumé, on peut donc affirmer que même des tubes générateurs de vapeur horizontaux soumis à un taux de vap ori- sation élevé sont suffisamment refroidis en marche normale, si la quantité d'eau introduite est suffisante pour que la par- tie inférieure d'un tube cylindrique horizontal soit toujours, ou seulement avec de courtes Interruptions, recouverte d'une petite quantité d'eau, à condition que le diamètre intérieur du tube soit suffisamment faible pour que la mousse et les gouttelettes produites pendant l'ébullition atteignent en quan- tité suffisante la paroi interne supérieure du tube, pour que cette paroi soit aussi bien refroidie que la paroi inférieure sur laquelle circule l'eau.
La présente invention est basée sur cette découverte.
En bref, la caractéristique essentielle de l'invention consiste en ce que dans un générateur établi pour produire une circula- tion naturelle au moyen de dispositifs simples, connus par eux-mêmes, on utilise comme tubes générateurs de vapeur de 3: longs serpentions tubulaires d'un faible diamètre intérieur (inférieur à 50 mm. ) et d'une forme spéciale, les dispositifs de circulation étant constitués par un ou plusieurs conduits de descente calorifuges; et des tubes d'ascension pour le re- tour du mélange d'eau et de vapeur versle séparateur de va- peur, qui est prévu à un niveau plus élevé que la chambre à eau d'où partent les conduits de descente de l'eau, et éven- tuellement par des collecteurs d'entrée et des collecteurs de sortie pour les tubes générateurs de vapeur.
L'eau arrive ainsi
<Desc/Clms Page number 9>
dans les tubes générateurs de vapeur sous l'action de sa pro- pre pression et la puissance motrice nécessaire à la circula- tion est obtenue uniquement par la différence entre la poussée de l'eau dans les conduits de descente et celle du mélange eau-vapeur dans les parties non horizontales des tubes géné- rateurs de vapeur et dans les tubes d'ascension. Bien entendu, les tubes doivent être disposés de telle manière que le sens de la circulation soit bien détermine, tout au moins dans les grandes lignes car, autrement, on ne pourrait pas compter sur un fonctionnement sûr.
Les serpentins tubulaires doivent tou- jours être disposés de telle manière que toute leur long 1...1' y compris les coudes soit exposée à la chaleur des flammes ou des gaz de combustion.
Tous les serpentins se composent essentiellement de plu- sieurs éléments tubulaires rectilignes, raccordés entre eux, pour former des serpentins continus, par de petits coudes tu- bulaires, coudés par exemple à 90 ou 180 . Deux ou plusieurs de ces éléments tubulaires rectilignes, combinés avec des cou- des horizontaux, sont placés dans un même plan horiantal.
Fréquemment, les serpentins tubulaires horizontaux sont dis- posés dans plusieurs plans pour un même tube générateur de va- peur. Grâce à cette disposition, ces tubes générateurs de va- peut peuvent être utilisés dans des modes de construction très différents. Ils peuvent revêtir toutes les parois du foyer et remplir la cavité d'un carneau, pour former ainsi une surface de chauffe par convection.
Une condition pour la mise en oeuvre de l'invention est que les longueurs des serpentins tubulaires puissent être choi- sies telles que la circulation naturelle soit suffisante pour les refroidir en service, ce qui est possible ainsi que l'ont démontré les études entreprises. Mais ces dispositions exigent que la longueur puisse être convenablement modifiée et elles seront décrites ci-après. Il s'est avéré que la résistance de frottement dans un serpentin tubulaire, dont les différentes parties sont soumises à un apport de chaleur constantpar unité
<Desc/Clms Page number 10>
do longueur, est proportionnel au cube de la longueur, si le rapport entre la quantité d'eau circulant à l'intérieur du serpentin et la quantité de vapeur produite, c'est-à-dire le coefficient dit de circulation, est également supposé cons- tant.
Des comparaisons approximatives entre la longueur des serpentins tubulaires pour la circulation naturelle et pour la circulation forcée peuvent être établies en partant des don- nées suivantes. La pression disponible pour vaincre la résis- tance de frottement peut être supposée égale par exemple à 1000 kg/m2 dans le premier cas et elle provient, bien entendu, de la différence de poids entre l'eau dans les tubes de des- cente et la vapeur dans les tubes à vapeur. Dans le dernier cas, elle peut être supposée égale à 1 kg/cm2, c'est-à-dire 10.000 kg/m2; c'est-à-dire qu'elle est 10 fois supérieure et elle est alors produite par une pompe. Mais, d'âpres la loi indiquée plus haut, le rapport entre les longueurs des tubes est seulement de #3 10/1 = 2,16/1.
En conséquence, tandis que les longueurs des serpentins tubulaires sont généralement de 20 à 30m dans le cas de la circulation forcée, elles peuvent être de 10 à 15 mètres dans le cas de la circulation naturelle si, afin de rendre les systèmes comparables, le diamètre inté- rieur, le facteur de transmission de la chaleur et le coeffi- cient de circulation sont les mêmes.
En réalité, une dépense supplémentaire résulte de l'ac- croissement du nombre des coudes, mais cette dépense est très faible comparée à celle provenant de l'installation de pompes de circulation. Elle est encore bien plus faible si on la com- pare aux dépenses annuelles de force motrice nécessitées par cette installation et aux autres inconvénients de la circula- tion forcée.
D'autre part, en ce qui concerne la longueur des tubes. générateurs de vapeur conformés en serpentins, il y a lieu de tenir compte d'un autre facteur dans le calcul de leurs di- mensions. Plus l'indice de circulation est faible(c'est-à-dire le rapport entre l'eau circulant dans le serpentin tubulaire
<Desc/Clms Page number 11>
et la vapeur produite dans ce serpentin), plus la partie recouverte d'eau du tube horizontal est faibleà la sortie de ce tube. Par suite de la diminution permanente de cet excédent d'eau, on atteint finalement une limite pour laquelle au cours de l'évaporation, les gouttelettes et la mousse ne peuvent plus aussi bien refroidir la paroi supérieure du tube horizontal que lorsqu'il existe une plus grande quantité d'eau.
Néan- moins, et pour assurer un refroidissement efficace du tube vers l'extrémité de sortie, ce tube sera calculé de façon qu'un refroidissement suffisant soit obtenu uniquement par la vapeur circulant dans le tube, tout au moins dans la partie de ce tube qui se trouve à proximité de l'extrémité de sortie, où la quantité d'eau est la plus faible. Un examen approfondi montre que la vitesse d'écoulement de la vapeur dans le tube est parfaitement suffisante pour le refroidir, même sans le secours d'un excès d'eau, à la seule condition que la longueur du tube soit suffisante par rapport à son diamètre intérieur.
En général, il suffit que la longueur du tube soit égale à au moins 200 fois le diamètre intérieur. Dans ce cas, les tubes peuvent'sand aucun risque être calculés également avec un indice de circulation très faible et il en résulte que l'en- semble du système tubulaire devient moins coûteux. De ce point de vue il existe également une différence essentielle avec les générateurs de vapeur de construction usuelle prévus pour une circulation naturelle, dans lesquels les tubes générateurs de vapeur sont relativement gros et courts et où la vitesse d'écou- lement de la vapeur est trop faible pour contribuer efficace- ment au refroidissement en service de sorte que ce dernier est moins bien assuré.
La description qui va suivre en regard. des dessins an- nexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particu- larités qui ressortent tant des dessins que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention.
<Desc/Clms Page number 12>
Les fig. 1 à 3 représentent un générateur de vapeur dans lequel les serpentins tubulaires forment un revêtement des parois du foyer et constituent une surface de chauffe par con- vection dans un carneau horizontal en aval du foyer.
Les fig. 4 et 5 montrent une solution très pratique du problème de l'agencement dans un carneau horizontal des serpen- tins tubulaires à circulation naturelle lorsque la hauteur du séparateur de vapeur au-dessus du carneau doit être très faible.
Les fige 6 à 8 montrent 1'agencement le plus simple sui- vant l'invention lorsque le foyer est revêtu en totalité par un seul groupe de serpentins tubulaires, raccordé à un seul collecteur d'entrée. Sur la fig. 6, le revêtement du foyer est développé dans un plan, la fig. 7 est une vue en coupe verticale du générâtes proprement dit et la fig. 8 est une vue en coupe horizontale de ce générateur.
La fig. 9 montre le revêtement du foyer développé dans uh seul plan comme sur la fig. 6 mais, dans cette disposition, les proportions entre la largeur et la hauteur du foyer sont choi- sies telles que le revêtement en serpentins tubulaires du pla- fond doit être divisé en deux groupes, raccordés sur le sépara- teur de vapeur en des points différents.
Les fig. 10 et 11 représentent la disposition suivant l'invention dans un générateur de vapeur, dans lequel les gaz de combustion partent du foyer directement vers le haut à travers la surface de chauffe par convection du générateur, la direction d'écoulement de ces gaz étant constante. La fig. 10 est une vue en coupe verticale du générateur et sur la fig. 11 le revêtement du foyer est développé dans un plan.
Les fig. 1 à 3 représentent un générateur de vapeur qui est muni par exemple d'une grille mécanique à chaîne et dans laquelle le foyer a la forme d'un parallélipipède, les gaz de combustion sortant de ce foyer par un orifice pratiqué dans la partie supérieure de la paroi arrière. Les gaz passent ensuite dans un carneau horizontal où ils se refroidissent sur une sur- face de chauffe indirecte. De là les baz passent dans un car-
<Desc/Clms Page number 13>
neau vertical descendant qui peut également contenir des sur- faces de chauffe du même genreou d'un autre genre, sur les- quelles les gaz de combustion se refroidissent encore.
La fig. 1 est une vue en coupe longitudinale du générateur de vapeur dans le sens du déplacement de la grille mécanique.
Sur cette figure on voit de quelle manière la paroi du foyer est garnie de tubes générateurs de vapeur très rapproches les une des autres et conforts en serpentins. Ces serpentins sont divisés en deux groupes montas en parallèle. L'un des groupes part du collecteur d'entrée 3 dans lequel l'eau, du réparateur de vapeur 1 arrive par lc tube de.descente 2 calorifuge. Les serpentins fournissent un mélange de vapeur et d'eau au collec- teur de sortie 4 d'où ce mélange est conduit au séparateur de vapeur par 1'intermédiaire: du tube ascendant 5, également cale- rifugé.
L'autre groupe est alimenté en eau par le tube de des- cente 6 et les serpentins 8 sont raccordes sur le collecteur d'entrée 7. Dans leur dernière partie, ces serpentins sepro- longent également dans le carneau horizontal9 dans lequel ils forment la surface de chauffe indirecte 10. Ainsi qu'on le voit sur la fig. la partie des serpentins logée dans le foyer est constituée par une section Verticale 11, raccordée au collec- teur d'entrée et dont la partie supérieure 'est reliée par un petit coude à une section horizontale 12 qui se prolonge vers un bord de l'orifice 13 du carneau horizontal. Le développement des serpentins à l'intérieur de la surface de chauffe indirecte est plus clairement représenté par la fig. 3 qui est une coupe suivant la ligne 3'-3' de la fig. 2.
On voit sur cette figure que les serpentins se composent d'une rangée de tubes horian- taux, rectilignes 14, disposés dans des plans horizontaux, par exemple dans des plans parallèles au sens de l'écoulement des gaz de combustion, ces tubes étant raccordés entre eux par de petites boucles de retour. Ces tubes horizontaux ne s'étendent que jusqu'au milieu 15 du carneau, 1(autre moitié 16, parfai- tement symétrique à la première, étant remplie par une surface
<Desc/Clms Page number 14>
de chauffe indirecte composée de serpentins tubulaires 17 par- tant do la paroi latérale opposée, du foyer. De cette manière, les serpentins tubulaires des deux parois latérales du foyer sont relies à des sections de serpentins placés respectivement dans la partie correspondante du carneau horizontal.
La fig. 3 et la fig. 1 montrent que les serpentins sont disposés de telle manière que, si l'on suit le faisceau de serpentins dans le sens vertical, on trouve que les parties horizontales de tous les serpentins successifs sont décalés d'un demi-intervalle par rap- port au précèdent, de sorte que le groupe de tubes reçoit ainsi une conforma tion en chicane qui est avantageuse pour la trans- mission de la chaleur.
A l'arrière du groupe de tubes, les serpentins sont rac- cordés sur des sections montantes verticales 18 et 19 (fig. 1) qui sont directement reliées au séparateur de vapeur 1. Les dé- tails de la disposition de ces serpentins ressortent de la fig.2 qui est une coupe suivant la ligne 2'-2' de la fig. 1. Sur cette fleure on voit que les sections verticales, qui sont reliées aux sections horizontales par de petits coudes, sont disposées de telle manière que 1'intervalle entre 6es sections soit sensible- ' ment le même que celui séparant les sections horizontales.
D'au- tre part, chaque deuxième section faisant partie des serpentins tubulaires, représentés en traits mixtes, est également décalée d'un demi-intervalle aussi bien dans le plan el que perpendiculai- rement au plan de la figure, la conformation en chicane du fais- ceau de tubes étant également maintenue ici. En conséquence, la vitesse d'écoulement des gaz de combustion et le degré de transmission de la chaleur seront exactement les mêmes dans la rangée des tubes verticaux et dans la rangée des tubes hori- zontaux.
L'avantage particulier que présente la disposition re- présentée fig. 1 à 3 consiste en ce que la pression motrice
<Desc/Clms Page number 15>
pour la circulation, qui est produite dans les parties vertica- les 8 des serpentins du foyer, grâce à la grande différence de niveau, devient tellement élevée qu'elle sert également dans les parties horizontales des serpentins du carneau horizontal pour vaincre la résistance provenant du frottement dans ces par- ties. En conséquence, les serpentins peuvent être beaucoup plus longs que dans d'autres conditions.
Ainsi que le montre cette figure, le collecteur d'entrée est muni d'un tube spécial 20, reliant l'extrémité supérieure de ce collecteur au séparateur de vapeur 1. Ce tube est appelé le tube d'échappement parce que la vapeur, ayant pénétré ac- cidentellement dans le collecteur d'entrée 3, peut s'en échapper rapidement par ce tube 20 vers le séparateur de vapeur. En rè- gle générale, cette vapeur arrive de temps en temps des tubes générateurs de vapeur, conformés en serpentins, dans lesquels l'écoulement est plus ou moins pulsatoire et où il peut même avoir lieu en sens inverse pendant de courtes périodes. Ces pulsations sont particulièrement puissantes dans les périodes de mise en charge et lorsque l'on modifie la puissance deman- dée à la chaudière.
En cas de chutes brusques de la pression dans le générateur, par suite de prélèvements plus ou moins impor- tants de vapeur, une quantité plus importante de vapeur est produite par l'évaporation de l'eau en circulation dans le col- lecteur d'entrée et dans le tube de descente.
Il est nécessaire d'évacuer toute quantité de vapeur ayant ainsi pénétré dans le collecteur d'entrée, étant donné que cette vapeur s'accumulerait autrement dans la partie supérieure de ce collecteur et que les serpentins supérieurs recevraient ainsi plus de vapeur que d'eau par leur orifice d'entrée. Pour être certain que cette vapeur soit réellement évacuée par le tube d'échappement, et qu'elle ne pénètre pas dans le tube de descen- te, il est nécessaire que l'ensemble des canalisations contienne certains obstacles s'opposant au reflux éventuel de la vapeur, ces obstacles pouvant êre constitués, par exemple, par le joint'hydraulique que montre la fig. l, joint hydraulique qui
<Desc/Clms Page number 16>
est constitué par le tube de descente 2 et le collecteur d'en- trée 3.
De simples dispositifs d'étranglement ou des clapets de retenue intercalés dans le tube de descente peuvent, dans une certaine mesure, produire les mêmes effets. Ces obstacles peuvent également être interposés à l'entrée des tubes généra- teurs de vapeur, la disposition étant alors prévue de telle ma- nière que la vapeur produite dans les serpentins tubulairesne puisse pénétrer dans le collecteur d'entrée. Dans ce cas, le tube d'échappement est néanmoins nécessaire pour l'évacuation de la vapeur produite dans le tube de descente ou dans le col- lecteur d'entrée lorsqu'il se produit une braque chute de pres- sion dans le générateur.
La fig. 4 est une vue en coupe verticale d'une surface de chauffe indirecte composée de serpentins tubulaires disposés dans un carneau horizontal. L'eau est prélevée dans le sépara- teur de vapeur 33 et elle est conduite par le tube de descente 21 dans le collecteur d'entrée vertical 22 duquel partent les serpentins. Le sens de la circulation est assuré par le joint hydraulique 32 formé par le tube de descente et le tube d'échap- pement 30 du collecteur d'entrée, qui remplit le même office que le tube 20 de la fig. 1. On voit que le séparateur de va- peur est placé à une hauteur insignifiante au-dessus de la paroi supérieure du carneau. Les serpentins sont raccordés par des sec- tions verticales 27 au collecteur horizontal de sortie 28, d'où le mélange de vapeur et d'au est conduit dans le séparateur de vapeur 33 par le tube d'ascension 20.
L'ensemble du faisceau de serpentins et l'ensemble du groupe de tubes reposent sur les écrans 25 pour les gaz de combustion qui, ainsi qu'on le voit, séparent dans le carneau les gaz de trémies à cendres éventuel- les placées en-dessous et qui empêchent ainsi les gaz de com- bustion de contourner la surface de chauffe indirecte. Ces écrans se prolongent également dans le sens de l'écoulement des gaz de combustion et constituent ainsi un support du type le plus convenable.
<Desc/Clms Page number 17>
Si l'intervalle entre les plans des serpentins horizontaux dans le sens vertical est choisi sensiblement égal au diamètre extérieur des tubes, les serpentins sont susceptibles de se sou- tenir réciproquement de la manière la plus simple. Etant donné que les parties horizontales des serpentins sont disposées en chicane, elles reposent les unes sur les autres par les boucles de retour prévues aux extrémités des parties horizontales des serpentins. Les parties horizontales des serpentins inférieurs reposent sur les écrans 25 déjà cités et les parties des ser- pentins disposées au-dessus s'appuient successivement les unes sur les autres, de sorte qu'elles reposent également sur les serpentins inférieurs et, par conséquent, sur les écrans.
De plus, de petites cales d'espacement ou similaires suffisent pour maintenir l'écartement entre les différents serpentins et parties de serpentins.
Les détails de construction de chaque serpentin utilisé dans la réalisation représentée fig. 4 sont également visibles sur la vue en perspective schématique de la fig. 5. En partant du collecteur d'entrée vertical 22, le serpentin tubulaire se pro- longe dans une direction horizontale et reste tout d'abord en- tièrement dans le plan$ horizontal parallèle au sens de circula- tion des gaz de combustion, ce plan pouvant passer par le cen- tre du collecteur d'entrée. Au début, le serpentin se compose d'un certain nombre de parties rectilignes horizontales 31, orientées perpendiculairement au sens d'écoulement des gaz de combustion et reliées entre elles par des boucles de retour.
Ensuite, le serpentin prend une direction verticale par une par- tie verticale 26 qui reporte le serpentin dans un plan horizon- tal plus élevé, où il se compose de nouveau d'un certain nombre de parties horizontales 24 reliées entre elles par des boucles de retour disposées exactement de la même manière que les par- ties horizontales inférieures. Finalement, le serpentin est rac- . cordé, sur le collecteur horizntal 28 par la partie verticale 27.
<Desc/Clms Page number 18>
Les tubes verticaux et les tubes horizontaux des serpen- tins tubulaires représentés en traits mixtes sur cette figure, peuvent être décalés de manière à être placés juste au milieu des intervalles séparant les serpentins réprésentés en traits pleins. On obtient de cette façon un groupe de tubes en chicane ce qui est avantageux pour une bonne transmission de la chaleur.
Grâce à cette disposition, on peut réaliser les avantages suivants en plus de ceux précédemment indiqués: la partie prin- cipale du serpentin tubulaire est disposée dans des plans qui sont parallèles au sens de l'écoulement des gaz de combustion.
De plus, les serpentins ont tous à peu près la même longueur et, par conséquent, ils reçoivent sensiblement la même quan- tité de chaleur des gaz de combustion.
La pression motrice nécessaire à la circulation provient sensiblement des parties verticales rectilignes des serpentins et non pas du tube d'ascension du collecteur. Si ces parties rec- tilignes avaient une même longueur, la pression motrice serait égale pour tous les serpentins et il en serait de même pour le coefficient de circulation. Toutefois, ceci n'est pas le cas.
6ependant, en examinant les figures, on trouve que la différen- ce de niveau entre les extrémités du serpentin le plus élevé est supérieure à la moitié de la différence de niveau correspondante pour le serpentin inférieur. En combinaison avec d'autres con- ditions, ceci fait que le coefficient de circulation le plus élevé n'est pas supérieur au coefficient le plus bas de plus de 50 % environ. Ce résultat doit être considéré comme très accep- table, si on le compare aux chaudières équipées de tubes d'eau à circulation naturelle d'un type plus normal.
Le mode de construction représenté par les fige 6 à 11 est basé sur l'observation indiquée précédemment, d'après la- quelle l'eau contenue dans un serpentin tubulaire horizontal s'écoule sur le fond du tube, tandis que la vapeur produite cir- cule dans la partie supérieure du tube. Cette partie supérieure du tube est alors essentiellement refroidie par les gouttelettes d'eau et la mousse produites au cours de l'ébullition même.
<Desc/Clms Page number 19>
Quoique le refroidissement obtenu par ces gouttelettes et la mousse soit généralement suffisant pour empêcher des éclatements de tubes, il est bien entendu que, pour des taux de vaporisa- tion très élevés ou pour des indices de circulation extrêmement bas, on obtient une plus grande sécurité de marche si la chaleur est réellement transmise au fond du tube, tandis que le dessus de celui-ci ne reçoit aucune quantité de chaleur ou n'en reçoit qu'une quantité inférieure à celle agissant sur le fond.
Dans les dispositionsreprésentées fig. 6 à 11, cette possi- bilité d'une plus grande sécurité de fonctionnement est réalisée par le fait que les serpentins tubulaires appartenant au revê- tement du foyer partent d'au moins un collecteur d'entrée, dis- posé à la partie inférieure de l'une des parois du foyer et s'étendant d'abord sur deux ou plusieurs des parois du foyer pour garnir ensuite la face intérieure du plafond de ce foyer de la même manière, après quoi les serpentins sont reliés di- rectement ou par l'intermédiaire d'un collecteur de sortie au séparateur de vapeur ou forment préalablement une surface de chauffe indirecte dans un carneau placé à l'arrière du foyer.
L'indice de circulation s'abaisse alors progressivement de l'entrée des serpentins vers leur sortie, d'autant plus que la quantité de vapeur produite dans ces serpentins augmente de plus en plus. Le risque d'un refroidissement insuffisant de la par- tie du serpentin située dans le foyer est d'autant plus grand que l'on se rapproche de la sortie où l'indice de circulation est le plus faible. Mais étant donné que cette partie constitue le re- vêtement du plafond du foyer où la chaleur est sensiblement trans- mise à la partie inférieure du tube où l'effet de refroidissement est, comme on l'a indiqué, plus sûr que dans la partie supérieure du tube, il est possible d'admettre un indice de circulation plus faible dans le tube générateur de vapeur qu'il ne serait possi- ble de la faire avec une autre disposition.
Il en résulte que la totalité du serpentin tubulaire peut être plus longue et que l'on peut réaliser une disposition très économique du revêtement du foyer.
<Desc/Clms Page number 20>
Sur les fig. 6 à 8 du dessin, 34 désigne la paroi avant du foyer avec le registre 46, 35 est la paroi latérale de gauche, 36 la paroi arrière, 37 la paroi latérale de droite, 38 le pla- fond, 42 le collecteur d'entrée pour tous les serpentins tubulai- res du revêtement du foyer qui partent de ce collecteur dans une direction horizontale, recouvrant d'abord la paroi de gauche et la paroi arrière et, ensuite, la paroi de droite où ces serpen- tins sont repliés vers le haut pour former les tubes verticaux 40, après quoi ils retournent, pour la spire mentionnée, dans une direction horizontale le long de la partie supérieure de la paroi latérale de droite, de la paroi arrière, de la paroi de gauche et de la paroi avant.
Les serpentins qui devraient re- couvrir la partie supérieure de la paroi arrière 36, laissent au contraire entièrement dégagé l'orifice d'entrée 49 du carneau 26 descendant verticalement pour le passage des gaz de combus- tion. Ils recouvrent alors le prolongement des parois latéra- les au-delà de l'entrée de ce carneau, de même que la partie su- périeure de la paroi arrière de ce carneau lui-même.
En partant de la paroi avant, les serpentins sont ensuite repliés vers le haut et recouvrent d'autre part la face inté- rieure du plafond avec leurs parties horizontales 41, après quoi ils débouchent dans le séparateur de vapeur 44.
Le collecteur d'entrée reçoit l'eau du séparateur de va- peur par le tube de descente 43. Il est également muni d'un tu- be d'échappement 45, dont le but est celui qui a été indiqué précédemment.
Le darneau descendant 26 contient une surface de chauffe indirecte formée par des serpentins tubulaires partant du col- lecteur d'entrée 51 et débouchant dans le collecteur de sortie 52. Le collecteur d'entrée est alimenté en eau de circulation par le tube de descente 50 et le tube d'ascension 53 conduit le mélange de vapeur et d'eau du collecteur vers le séparateur de vapeur 44. Ainsi que le montre la fig. les serpentins tu- bulaires du carneau 26 sont disposés à contre-courant par rap- port au sens de circulation des gaz de combustion. Il en résul-
<Desc/Clms Page number 21>
te que les parties des serpentins tubulaires qui se trouvent à proximité du collecteur d'entrée, sont exposées aux gaz de com- bustion déjà refroidis.
Ces parties reçoivent donc une quantité de chaleur plus faible que celle qui est transmiseaux autres parties de cette surface de chauffe indirecte. Par conséquent, la plus grande partie de la vapeur est produite dans les parties des serpentins tubulaires qui se trouvent à proximité du collec- teur de sortie. Cette disposition réduit considérablement les risques de reflux de la vapeur vers le collecteur d'entrée. Mais pour tenir compte d'un dégagement de vapeur dans les tubes de descente et dans les collecteurs d'entrée par suite de brusques chutes de pression dans le générateur, ces collecteurs d'entrée sont néanmoins munis aussi de tubes d'échappement, comme les collecteurs d'entrée précédemment décrits (non représentés sur les figures).
D'autre part, on voit d'après la figure que la longueur du revêtement du foyer est exactement égale à deux fois sa largeur.
Grâce à cette disposition, il est possible de réaliser d'une ma- nière très simple le passage des serpentins de la paroi avant au plafond et aucun coude n'est plus nécessaire dans le revête- ment du plafond.
La fig. 9 représente une disposition analogue à celle des fig. 6 à 8, dans cette variante la largeur du foyer est supé- rieure à la moitié de la longueur de ce dernier. En conséquence, le revêtement du plafond comporte plusieurs coudes tubulaires et les serpentins sont divisés en deux groupes différents 65 et 66 qui sont parallèles entre eux au début, mais prennent finale- ment des directions diff érentes.
Sur la fig. 9, la largeur du foyer est exactement égale à la hauteur du revêtement. Les serpentins sont en conséquence divisés en deux groupes comportant un même nombre de serpentins dans chaque groupe dans le revêtement du plafond. Dans le cas où la largeur est supérieure à la hauteur, on a également deux grou- pes de serpentins, 'mais ceux-ci ne sont pas égaux entre eux parce que l'un d'eux contient davantage de serpentins que l'autre.
<Desc/Clms Page number 22>
Les fig. 10 et 11 représentent une autre disposition pra- tique suivant l'invention. D'après la f ig. 11, l'ensemble du re- vêtement du foyer est rabattu dans'le plan de la figure.Comme on le voit sur la figure, le générateur est tout-à-fait symétri- que. Il suffit de prévoir deux collecteurs d'entrée 71 et 72 ali- mentés en eau à partir du séparateur de vapeur 68 à l'aide des tubes de descente 69 et 70. Les tubes 73 et 74 font office de tubes d'échappement pour les collecteurs d'entrée. De ces collec- teurs d'entrée partent deux groupes de serpentins tubulaires 79 et 82.
75 désigne la paroi avant avec les registres 86.76 est la paroi latérale de gauche, 78 la paroi latérale de droite et 77 la paroi arrière. On voit également, sur le côté gauche de la figure, une moitié de la paroi arrière 77. Les deux groupes de serpentins partent chacun de son collecteur d'entrée dans des directions horizontales. Ils recouvrent d'abord chacun sa paroi latérale correspondante et, ensuite, la paroi arrière où les deux groupes de serpentins se rejoignent, venant de la direction op- posée. Sur la paroi arrière ils tournent vers le haut et, en- suite s'étendent horizontalement, après quoi ils retournent cha- cun vers leur paroi latérale correspondante. En quittant celle-ci ils passent sur la paroi avant où ils se rejoignent à nouveau en venant de directions opposées.
Sur la paroi avant, ils tour- nent vers le haut en direction du plafond qu'ils recouvrent et sur lequel ils forment el les groupes de serpentins horizontaux 80 et 83 qui constituent alors une surface de chauffe indirec- te 84 (fig. 10).