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Perfectionnements aux groupes aérochauffeurs et aux procédés de chauffage à l'aide de ces groupes.
La présente invention concerne les groupes aérochauf- feurs destinés au chauffage des locaux et comportant un échangeur de chaleur alimenté par la vapeur de décharge d'une petite turbine actionnant le ventilateur qui pulse l'air sur l'échangeur.
Dans les groupes de ce genre, il est naturellement né- cessaire de rendre disponible à l'échangeur de chaleur, qui cons- titue le condenseur,une quantité de chaleur suffisante pour éle- ver à la température voulue l'air débité par le ventilateur.
Aussi, s'est-on généralement vu obligé d'augmenter la quantité de chaleur normalement apportée par la vapeur au condenseur, ce qui a rendu nécessaire le recours à des artifices tels que by-pass de vapeur vive dans le corps de la turbine ou du condenseur, - dé- tente partielle de la vapeur dans la turbine, la pression finale étant notablement supérieure à la pression atmosphérique, - addi-
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tion à l'échangeur d'un élément supplémentaire alimenté en vapeur vive.
Il a d'autre part été proposé par la demanderesse d'utiliser une turbine à éléments grossièrement profilés en com- binaison avec un réducteur de vitesse établi de façon que, quand le ventilateur de l'aérotherme est actionné à la vitesse corres- pondant à son rendement optimum, la consommation spécifique de la vapeur dans la turbine soit telle que le débit de la vapeur dégagée après sa détente réponde à la capacité de condensation de l'aérotherme.
Le but de la présente invention est de supprimer la nécessité de la dépense de vapeur vive additionnelle ou de l'in- tervention d'un réducteur de vitesse et, cependant, d'obtenir que la vapeur détendue dans la turbine soit fournie à l'aérotherme en quantité suffisante pour produire l'effet thermique désiré.
Dans ce but, suivant l'invention, on réalise dans la turbine une détente de la vapeur fortement éloignée de la détente adiabatique, on évacue en permanence directement de l'échangeur dans l'atmosphère l'eau de condensation à une température infé- rieure à 100 C et à une pression ne dépassant pas la pression atmosphérique et on agit sur la pression de la vapeur alimentant la turbine pour faire varier suivant les besoins la puissance ca- lorifique du groupe. Le groupe utilisé à cet effet comporte une turbine conçue spécialement pour assurer une détente très éloi- gnée de l'adiabatique, c'est-à-dire une turbine à faible rende- ment mécanique, que l'on accouple à un échangeur thermique de grande efficacité disposé de manière à évacuer en permanence l'air saturé de vapeur ainsi que les eaux de condensation.
Par turbine à faible rendement, on entend ici une turbine qui, pour les puissances envisagées (1 à 5 CV), a un rendement thermo- dynamique inférieur à 10% par exemple, ce qui permet de faire passer à travers la turbine toute la quantité de vapeur né- @
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cessaire à l'échangeur et de ne retenir de l'énergie de cette quantité de vapeur que la petite fraction nécessaire pour action- ner le ventilateur.
Il est ainsi possible de détendre la vapeur à la sortie de l'échangeur jusqu'à la pression atmosphérique et de refroidir l'eau de condensation à une température notablement inférieure à 100 C, ce qui assure l'utilisation au maximum de la chaleur conte- nue dans la vapeur, les pertes par évaporation des eaux de conden- sation étant pratiquement nulles.
Dans ces conditions l'échappement de l'échangeur de chaleur peut être mis en communication avec l'atmosphère et l'on peut supprimer le purgeur habituellement placé à la sortie des échangeurs à vapeur, ce qui élimine les inconvénients bien connus auxquels donnent lieu ces appareils. On peut aisément disposer les éléments du groupe aérochauffeur de manière à assurer l'écou- lement naturel et complet des eaux de condensation afin qu'à l'arrêt le groupe turbine-tuyauterie-échangeur se vide complète- ment, tout risque de dommage par la gelée étant ainsi évité.
On a en outre constaté que les groupes aérochauffeurs suivant l'invention possèdent, de façon surprenante, la précieuse propriété de permettre la modulation de la chaleur émise, dans de larges limites, par simple variation de la pression de la vapeur alimentant la turbine, alors que généralement la puissance calo- rifique des appareils de chauffage à vapeur sous pression ne varie que faiblement avec la pression de la vapeur.
On dispose ainsi d'un moyen de régler exactement la température des locaux à chauffer et de la maintenir constante, quelles que soient les'variations de la température extérieure, moyen comparable dans sa simplicité à celui qui consiste, pour obtenir le même résultat, à faire varier la température de l'eau à la chaudière dans les installations de chauffage à eau chaude.
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Pour bien faire comprendre les particularités de l'in- vention, on se référera aux dessins annexés sur lesquels :
Figs. 1 et 2 représentent des diagrammes explicatifs,
Fig. 3 est une vue schématique en coupe d'une turbine et de sa tuyère d'injection, donnée à titre d'exemple,
Fig. 4 est une vue en élévation du groupe aérochauffeur,
Fig. 5 montre un montage d'aérothermes suivant l'in- vention avec dispositif de réglage central.
Le maintien d'une température constante dans les lo- caux occupés est comr.ie on le sait, la condition essentielle d'une exploitation économique et du bien-être des occupants.
En hiver, surtout par temps clair et froid, la tempé- rature extérieure oscille entre un minimum nocturne et un maximum diurne, comme représenté à la courbe a du diagramme ci-joint (Fig. l) dans lequel le temps est porté en abscisses (en heures) et les autres variables (température-pressions) en ordonnées.
S'il s'agit de chauffer un atelier par exemple, dans lequel le travail commence à 7 heures, le chauffage sera mis en marche à la pleine puissance des appareils de façon que la tem- pérature désirée dans l'atelier (15 par exemple) soit atteinte à 7 heures dans le temps le plus court possible. A partir de ce moment la température intérieure sera maintenue aussi près que possible de 15 (courbe b) malgré le réchauffement progressif de la température extérieure jusqu'au milieu de l'après-midi, qui est généralement suivi d'un refroidissement atteignant son maxi- mum aux premières heures du matin.
A la mise en marche du chauffage, les appareils de chauffage recevront la vapeur à la pression maximum admise (par exemple 5 Kg/cm2) et ce jusqu'à ce que la température de régime soit atteinte (courbe ç) . A partir de ce moment la pression sera réduite par paliers successifs jusqu'à 2,5 Kg/cm par exemple, vers 15 h., puis à nouveau relevée pendant les deux dernières heures de travail.
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Les Figs. 3 et 4 montrent schématiquement la réalisa- tion d'un groupe suivant l'invention dans lequel la turbine re- çoit toute la quantité de vapeur nécessaire à développer la puis- sance calorifique désirée, en abaissant sa pression à une pression voisine de la pression atmosphérique, tout en ne retenant de l'é- nergie de cette grande quantité de vapeur que la petite fraction nécessaire pour actionner le ventilateur à la vitesse maximum voulue. On obtient ce résultat en réalisant, dans la turbine une détente de la vapeur fortement éloignée de la détente adia- batique (détente polytropique accentuée).
Dans le groupe représenté, 1 est le mobile à deux chu- tes de vitesse dont l'aubage 2 tourne dans le corps de la turbine 4 dans lequel est disposé le redresseur 3.
La tuyère 5 avec son convergent 6, son col 7 et son divergent 8 est disposée sur la périphérie du mobile de façon que les angles d'entrée de l'aube et d'inclinaison de la tuyère sur les aubes ne soient pas respectés, afin de créer une perte sensi- ble d'énergie interne. Pour produire la puissance nécessaire, il faut par conséquent admettre dans la turbine une quantité de vapeur de beaucoup supérieure. Il n'y aura donc qu'une faible fraction seulement de l'énergie interne disponible qui se trans- formera en travail, le restant ayant pour effet de relever sen- siblement le titre de la vapeur d'échappement.
Dans ces conditions on obtient, avec une consommation de vapeur élevée, une puissance suffisante pour le fonctionnement du ventilateur 9 qui est de préférence calé directement sur l'axe de la turbine. La tuyère 5 peut être facilement retirée de son logement et remplacée par une autre lorsqu'on désire modifier la pression maximum de fonctionnement de la turbine.
La Fig. 4 montre le condenseur et ses éléments qui sont, comme il est dit plus haut, liés étroitement dans leur fonc- tionnement à celui de la turbine.
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11 et 12 représentent les deux rideaux de tubes ailet- tes constituant l'échangeur qui sont traversés par le flux d'air froid. Ils sont avantageusement composés de tubes en cuivre ser- tis d'ailettes en aluminium. Chaque rideau comporte deux collec- teurs supérieurs 13 et 14 et deux collecteurs inférieurs 15 et 16.
Les deux collecteurs 13 et 14 s'insèrent dans la boîte 17 d'ar- rivée de vapeur de la turbine alimentée par la conduite 10.
Les deux collecteurs inférieurs sont réunis des deux côtés par des boîtes ou coudes de jonction 18 dont l'un au moins est mis en communication avec la tuyauterie d'écoulement 19 des eaux de condensation. Cette tuyauterie doit elle-même, pour don- ner un fonctionnement du groupe conforme aux principes ci-dessus, être mise en communication avec l'atmosphère par un ou plusieurs évents largement dimensionnés.
Dans un groupe ainsi constitué, on a fait la constata- tion très intéressante que si la pression maximum de la vapeur d'admission, pour laquelle la turbine a été établie, est réduite progressivement, la vitesse de rotation de la turbine diminue également; inversement si la pression est relevée la vitesse de rotation s'accroît à nouveau. Elle suit donc immédiatement toute variation de la pression; il en est de même du débit d'air du ventilateur qui lui est proportionnel et de la capacité de con- densation de l'échangeur, c'est-à-dire de la quantité de chaleur dégagée par le groupe.
Ces variations de la vitesse de rotation, du débit d'air du ventilateur et de la puissance calorifique d'un tel groupe en fonction de la pression de la vapeur sont représentées respectivement par les courbes d., e, f du diagramme Fig. 2 établi en portant les pressions de la vapeur en abscisses; les autres variables (vitesse de rotation, débit de l'air, calo- ries dégagées) étant portées en ordonnées en pourcent de leur valeur maximum. Il est à remarquer que par suite de la propor- tionnalité à peu près constante du débit d'air et de la capacité
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calorifique, la température de l'air à la sortie du groupe reste sensiblement constante, circonstance favorable qui ne se rencon- tre pas dans les autres appareils analogues.
Ces courbes montrent la grande souplesse du système.
Le groupe étant à l'arrêt, la turbine démarre dès que la pres- sion atteint quelques centaines de grammes (environ 1/2 Kg. ) et sa vitesse s'accélère jusqu'à un maximum, qui est atteint pour la pression maximum de vapeur prévue. Dans le graphique ci-joint, cette pression a été prise égale à 5 Kg/cm2, mais le groupe peut parfaitement fonctionner avec des pressions maxima plus élevées ou plus basses ; suffit de modifier la tuyère d'injection de la vapeur, ce qui se fait très facilement ainsi qu'il ressort de la description du groupe donnée ci-avant.
On conçoit donc qu'avec ce système, le prépose à la conduite des chaudières, a le moyen d'exercer un contrôle à dis- tance sur tous les groupes aérochauffeurs par la simple manoeuvre (manuelle ou automatique) d'une vanne ou d'un détendeur placé dans la chaufferie, au début de la tuyauterie de vapeur alimentant les groupes.
Dans l'installation représentée à la fig. 5, 20 dési- gne la chaudière, 21 le détendeur et 4 les turbines qui sont bran- chées en parallèle sur la tuyauterie 22 alimentée par le déten- deur et débitent dans les aérochauffeurs 11, qui par les con- duites de sortie 19 et la tuyauterie 23 évacuent les eaux de condensation vers la bâche 24 d'où elles sont repompées dans la chaudière. La tuyauterie 23 est munie d'un évent 25 débouchant à l'air libre.
Des modifications peuvent évidemment être apportées aux dispositions représentées sans sortir du cadre de l'inven- tion.