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PERFECTIONNEMENTS AUX GENERATEURS SIMULTANES DE VAPEUR ET DE GAZ.
On sait qu'il existe des générateurs de vapeur alimentés en air comburant sous très forte pression; sous une pression supérieure à 20 kg/om2 par exemple. Ces appareils fonctionnent, en définitive, comme des générateurs simultanés de vapeur et de gaz comprimés chauds, ces derniers étant sensible- ment à la même pression que l'air comburant refoulé dans le foyer., Un cas particulier intéressant est celui où la pression de la vapeur produite et la pression de l'air introduite et par suite des gaz chauds produits, sont sen- siblement les mêmes :
les Demandeurs ont appelé de- tels générateurs des "chaudières équipression". Dans le cas le plus général, il peut exister une différence quelconque entre la pression de la vapeur et celle des gaz four- nis, sous la réserve que cette dernière conserve toujours une valeur élevée, de manière- à accroître suffisamment les coefficients de transmission de la chaleur.
Une forme connue de réalisation de générateurs simultanés de va- peur et de gaz comprimés chauds fait usage de foyers refroidis par une ac- tive circulation du liquide, ou plus généralement du fluide à chauffer, et où ce foyer alimente un ou plusieurs éléments tubulaires comportant un tu- be central dans lequel passent les gaz du foyer avec une vitesse convenable,. et un tube extérieur ménageant avec le précédent un espace annulaire dans lequel circulent le ou les fluides à chauffer.
La présente invention est relative également à des générateurs comportant un foyer et un ou plusieurs éléments chauffants tubulaires, mais où les éléments tubulaires, et éventuellement le foyer, se composent de con- duits de gaz chauds sous forte pression dont les parois, au lieu d'être cons- tituées par des tubes métalliques de diamètre et d'épaisseur déterminés, é- ventuellement refroidis d'une manière quelconque, sont constitués par un faisceau continu de tubes de diamètre plus faible soudés chacun aux deux tu- bes contigus, de manière à constituer une enveloppe complexe étanche, dans les tubes de laquelle circulent le ou les fluides à chauffer.
Dans certains cas, et particulièrement suivant le diamètre moyen du conduit de gaz ainsi
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constitué et la pression des gaz chauds qu'il renferme, le faisceau des tu- bes soudés constitue, par lui-même, une enveloppe suffisamment résistante pour contenir la pression des gaz sans soumettre les soudures à des efforts excessifs. Dans d'autres cas au contraire, la résistance du conduit est assurée par des moyens mécaniques extérieurs tels que frettes ou colliers de serrage à boulons, convenablement espacés. Dans ce cas, les soudures n'interviennent plus que pour assurer l'étanchéité du conduit.
Afin d'ac- croître la surface de contact entre les frettes ou colliers et les tubes de l'enveloppe, la surface intérieure desdites frettes ou desdits colliers peut présenter des empreintes en creux, de manière à appuyer sur un certain arc de la surface extérieure des tubes.
Les tubes constituant la paroi des conduits peuvent, suivant les cas, ou bien être soudés directement chacun aux deux tubes qui l'entourent sans interposition d'éléments étrangers, ou bien être soudés par le moyen d'éléments métalliques intermédiaires dont la forme est choisie de manière à faciliter la séparation desdits tubes, en cas de besoin.
Les appareils ci-après décrits constituent un moyen intéressant mais non limitatif de réaliser l'invention.
La figure 1 est une coupe transversale perpendiculaire à l'axe d'un élément chauffant tubulaire.
La figure 2 est une vue en bout d'un élément chauffant tubulaire de forme hélicoïdale.
La figure 3 est une coupe longitudinale d'un élément chauffant tu- bulaire coupant un joint entre une section vaporisatrice de l'élément et la section surchauffeur qui lui fait suite.
La figure 4 est une coupe transversale, perpendiculaire à l'axe de l'élément et passant par le joint précédent.
La figure 5 est une coupe longitudinale diamétrale à travers la chambre de combustion de la chaudière.
La figure 6 donne le détail des soudures jonctionnant les tubes de l'enveloppe.
Les figures 7 et 8 donnent l'exemple d'un autre mode de réalisa- tion des joints entre sections successives.
La figure 9 donne un schéma du système de réglage des pressions.
La figure 10 se rapporte à une autre application des mêmes prin- cipes.
La chaudière se compose d'une chambre de combustion, par exemple cylindrique avec des fonds tronconiques, munie d'un côté de brûleurs, et de l'autre côté d'éléments chauffants- (un ou plusieurs) donnant passage aux gaz de la combustion. Pour simplifier, il n'a été figuré qu'un seul élé- ment chauffant.
On décrira d'abord l'élément chauffant, çe qui permettra de rac- courcir la description de la chambre de combustion.
L'élément chauffant est, en définitive, un conduit possédant, sui- vant la puissance et suivant la pression des gaz qu'il contient, un diamètre intérieur moyen pouvant varier de- quelques centimètres à 25 ou 30 centimètres, ou davantage, et dont la longueur peut, de son côté, atteindre et dépasser 150 mètres. Cette longueur est fonction de la pression des gaz et de la vi- tesse qu'on leur donne.
La paroi extérieure de ce conduit est constituée par un faisceau de tubes de petit diamètre, par exemple de 3 centimètres à 5 centimètres de diamètre intérieur, disposés en cercle, parallèlement à l'axe de l'élé- ment, et soudés chacun aux deux tubes qui l'entourent de manière à consti- tuer une paroi continue étanche. Dans l'exemple des figures, pour permet- tre de résister à la pression des gaz intérieurs à l'élément, sans faire tra- vailler les- soudures qui n'ont pas d'autre but ici que de réaliser l'étan-
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chéité, ce faisceau de tubes est renforcé par des frettes cylindriques en acier, en deux pièces, formant colliers de serrage, et munies à cet ef- fet de boulons.
L'épaisseur des frettes, leur longueur et leur espacement dépendent essentiellement du diamètre de l'élément et de la pression des gaz qu'il renferme.
L'élément intérieur chauffant 1 renfermant les gaz sous forte pression est limité par les tubes de faible diamètre 2 contenant les flui- des à chauffer et constituante dans leur ensemble,la paroi étanche de l'é- lémento
Des tubes analogues 2' (fig. 3) jouent le rôle de surchauffeurs et des frettes 3 sont réparties le long de l'élément et assurent sa résis- tance mécanique et sont assemblées par des boulons 4.
L'élément chauffant constitue,pour les gaz chauds;, un passage continu ininterrompu djinn bout à l'autre. Les faisceaux de tubes:qui don- nent passage aux fluides à chauffer sont, au contraire, composés de'tron- gons successifs distincts. En quittant le foyer,les premiers tronçons sont vaporisateurs ils sont suivis par une deuxième série de tronçons qui sont surchauffeurs, l'élément se termine généralement par un deuxième vapo- risateur, de manière à abaisser la température de sortie des gaz. On peut même envisager un tronçon final jouant le rôle d'économiseur en cas de be- soin.
Les tronçons successifs sont réunis par des joints aisément démon- tables.
La figure 3 et la figure 4 reproduisent la disposition d'un pa- reil joint, supposé établi entre la fin =de-la section vaporisatrice et le début du surchauffeur.
On voit que. les tubes 2 sont recourbés à angle droit, de manière à déboucher dans un collecteur torique 19 d'où se détache un tuyau 22, qui conduit l'émulsion d'eau et de vapeur au ballon d'eau et de vapeur 21 (figo 2). La vapeur saturée sort du ballon 21 par le tuyau 23, qui la conduit dans le collecteur torique 20, d'où elle passe dans les tuyaux surchauffeurs 2'. Le joint est assuré par le collier 15 ; lecollier 15' et les boulons 16. L'étanchéité entre les branches rayonnantes des tubes 2 et des tubes 2' est assurée par des plaquettes soudées 17, qui font suite aux soudures 18 reliant les tubes deux à deux.
La figure 7 et la figure 8 donnant une autre manière de réaliser le même joint. Les tubes-2 débouchent dans une chambre annulaire 24, divi- sée en deux moitiés suivant un plan diamétral, par les cloisons 25 et 25'.
L'étanchéité du conduit est assurée par un joint, métallique ou plastique 26, serré par les colliers 3 et les boulons 4 (fig. 7). L'épaisseur de la paroi interne 28 de la chambre annulaire doit être renforcée, comme le des- sin l'indique, s'il existe une différence notable de pressions entre les gaz et la vapeur. De la chambre 24 se détachent des tuyaux 27 et 27' qui jouent le même rôle. que le tuyau 22 des figures 2 et 3. Un dispositif symé- trique existe du côté des- tubes- surchauffeurs 2'. Le joint est complété par des boulons 30 et un fil de soudure 29.
Dans les appareils puissants, où la vitesse des gaz dans les élé- ments I atteint ou dépasse 100 mètres par seconde, la vaporisation dans les tubes 2 est extrêmement active,on peut alors avoir intérêt à interposer sur l'élément vaporisateur un ou plusieurs- joints analogues à celui qui vient d'être décrit. Dans ce cas, les tubes 2 conduisent l'émulsion au ballon de vapeur exactement comme dans le premier cas, mais les tubes 2', au lieu d'ê- tre alimentés en vapeur saturée, le sont en liquide à chauffer, de manière qu'une nouvelle section-vaporisatrice succède à la précédente.
Le même dispositif peut s'appliquer au surchauffeur, qui peut ain- si comporter plusieurs sections successives.
La figure 6 donne, à une échelle voisine de l'exécution le détail des soudures-d'assemblage des tubes de la paroi. On y voit plusieurs maniè-
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res de réaliser la liaison des tubes d'enveloppe par soudure avec interpo- sition d'éléments métalliques. La solution en 31, en particulier, a été é- tudiée de manière à permettre de séparer les deux tubes contigus en cas de besoin, soit en coupant l'élément métallique 31 au chalumeau, soit en le sciant longitudinalement au moyen d'une petite scie circulaire.
Les tubes soudés, d'une manière ou d'une autre, peuvent être join- tifs, s'épaulant en quelque sorte les uns aux autres, comme dans la fig. 1 et la fig. 6. Ils peuvent aussi laisser entre eux un petit intervalle de quelques millimètres, comme on le voit en 32 (fig. 7). Dans ce dernier cas, la résistance mécanique propre de la paroi complexe en tubes est légèrement plus faible, mais la surface d'échange entre gaz et fluide à chauffer est légèrement accrue.
Sur la fig. 5, on voit, en 5, le foyer qui porte en 6 les brûleurs.
La paroi du foyer est faite, comme celle de l'élément, par un faisceau de tubes 7, soudés deux à deux de la même manière, et renforcés par des frettes 12, qui doivent supporter toute la pression des gaz. Le foyer se termine par deux surfaces tronconiques- qui sont également constituées par des tubes 8 du côté de l'élément chauffant, et 8' du côté des brûleurs. Ces tubes sont progressivement aplatis, à mesure qu'ils approchent de la paroi cylindrique du foyer, de manière à couvrir correctement la surface du cône. Le cône est naturellement renforcé par une frotte.
Pour permettre aisément les visites, il existe un joint 9 entre le cylindre et le tronc de cône. L'étanchéité du joint est assurée, du côté extérieur, par des brides et des boulons, et du côté intérieur, par des plaquettes soudées en 10. Ces plaquettes doivent être coupées, par exemple au chalumeau, pour ouvrir le joint, et ressoudées pour le refermer. Pour effectuer ces opérations, il faut entrer dans le foyer par le trou d'homme situé à l'extrémité de gauche.
On voit en 13 la garniture réfractaire du foyer et en 14 l'évacua- tion des scories fondues, qui est d'un type normal pour installations â gaz sous pression.
La chaudière peut, naturellement,comporter un foyer de toute autre construction,comme par exemple un foyer à parois métalliques épaisses, à l'intérieur desquelles sont forés des conduits longitudinaux pour la circu- lation du fluide refroidisseur.
La. chaudière doit naturellement être munie de soupapes de sûreté protégeant d'une part le foyer et l'élément chauffant d'après la pression des gaz, et d'autre-part les circuits des fluides à chauffer d'après leur propre pression. Il doit y avoir en outre une soupape de sûreté addition- nelle qui décharge à l'atmosphère les fluides chauffés si la différence des pressions entre les fluides chauffés et les gaz dépasse la valeur limite qui lui est assignée.
La chaudière comporte, par ailleurs, les mêmes appareils de régla- ge et de contrôle qu'une chaudière ordinaire.
Pour le surplus, le réglage automatique des pressions s'effectue comme suit :
La pression de la vapeur agit, comme dans les chaudières ordinai- res, par le moyen d'une soupape pilote et d'un relais, sur l'injection du combustible, de manière à réduire cette dernière si la pression s'élève au- dessus du timbre, et à l'augmenter dans le cas contraire. Il n'est pas né- cessaire d'agir simultanément et proportionnellement sur la quantité d'air refoulée,le rendement du cycle des gaz n'étant pas sensiblement influencé par les variations du débit de la vapeur.
Ceci dite une soupape d'arrêt placée sur la sortie des gaz chauds à sa position commandée par un organe différentiel au moyen d'un relais, de telle sorte que cette soupape s'ouvre si le rapport entre la pression des gaz et la pression de-la vapeur s'é- lève au delà d'une valeur assignée, et, au contraire, se referme si ce rap- port tombe au-dessous d'une autre valeur assignée.
L'organe différentiel se compose d'un piston différentiel ou, si l'on préfère, de deux pistons ri-
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gidement reliés, les surfaces de ces deux pistons étant dans le rapport in- verse des pressions gaz et vapeur, et chacun d'eux se déplaçant à l'intérieur
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d'un cylindre mis en communication respectivement avec le éollecteuflàes gaz chauds et avec le collecteur de la vapeur, de telle sorte que si le rapport des pressions est correcte les résultantes des pressions sur l'un et l'autre pistons s'équilibrent exactement.
Le bloc des pistons est alors ramené par' un ressort à sa position moyennesans que 'la position donnée à la'soupape
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d'arrêt s'en trouve modifiée. . ¯ . oup9e
La fig. 9 donne l'indication schématique d'un tel dispositif on y voit l'organe mobile 33,muni d'un piston 34, -sur la surface supérieure
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duquel agit la pression des gaz par le conduit 36, et d'un piston"3S/sur la surface inférieure duquel agit la pression de la vapeur,, -par le conduit 37.
L'organe mobile 33 porte un bras 38, lequel commande le'distributeur
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39 d'un serva-moteur à huile comprimée qui, par les' tuyaux d'admission 40 41 et d'évacuation 40', 419a peut commander la fermeture ou l'ouverture de la soupape d'arrêt 45 placée sur le débit des gaz au moyen 'du m.Q:f:;,1tl' zuil le f6 L'arrivée de l'huile se fait par I39 et l'évacuation J>,a.1;' 44.. 'µ, ressorts 4%, 48' ramènent l'élément mobile à sa position d'équilibre;
4eq que le rapport correct des pressions est rétabli. " ¯
Il faut remarquer ici que l'utilisation de. parois résistantes.cons- tituées par des tubes assemblés par soudures longitudinales peut se prêter
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à beaucoup d'autres formes matérielles de 1ínventiono On peu%, par exem- ple, envisager des éléments qui seraient constitués comme en fig. 10" par un tube intérieur 1, limité par une paroi tubulaire- complexe 2 e é.xa.tpux ê d'un deuxième tube extérieur 47, l'espace annulaire compris entre le tube extérieur et la paroi tubulaire complexe pouvant, par exemple., être parcou ru par des- gaz à une- pression voisine des gaz contenus à l'intérieur de la
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paroi tubulaire- eompl>xe, mais déjà.
assez refroidis pour pouvoir êtr admis dans un tube métallique ordinaire calorifuge.
Un des caractères particuliers des générateurs suivant l'invention est qu'ils se prêtent particulièrement bien aux cas ou la pression de l'air comburant et des gaz diffère notablement de celle de la vapeur ou des flui- des chauffés. On sait, en effet, qu'une des qualités essentielles des. chau-
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dières lléquipressionll est de pouvoir se prêter à des échanges de chaleur a des taux extrêmement élevés qui sont .supportables parce que le métal des: sur- faces d'échange n'est soumis à aucune contrainte mécanique appréciable.
Dans les générateurs de la présente invention, si par exemple,le diamètre des tubes de l'enveloppe est de 4 centimètres et si la différence des pres- sions gaz-vapeur est, par exemple, de 40 kg/cm2, il suffira de donner aux- dits tubes une épaisseur de 5 millimètres pour que le taux de leur travail mécanique ne dépasse pas 1,5 kg/mm2, contrainte assez faible pour que ces tubes puissent être le siège d'échanges extrêmement élevéso Les chaudières
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de l'invention, tout en a'adaptant l'emploi,de pressions différentes pour les gaz et le-sfluidee chauffés, n'en possèdent pas moins les avantages'es- sentiels des chaudières lIéquipre-ssionl1o -Il est en particulier possible de faire circuler dans les tubes de petit diamètre constituant l'enveloppe du conduit des gaz chauds., au lieu d'un seul fluide à chauffer,
deux ou plusieurs fluides qui peuvent
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ae trouver à des pressions différentes.. Noua avons dénommé en conséquen- ce les chaudières de-ce type chaudières poypres.onst
Les chaudières de l'invention peuvent naturellement être utili- sées dans le cas .où les fluides à chauffer subissent une transformation chimique, coznme par exemple dans les appareils de cracking des hydrocar- bures,,