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FOYER DE GENERATEUR DE VAPEUR OU D'EAU CHAUDE, A PARCOURS DE GAZ
A GRANDE VITESSE. '
Dans les turbines à gaz, les pompes thermiques, etc. on emploie une roue cellulaire pour aspirer du gaz d'un étage basse pression,pour compri- mer ce gaz, et pour l'échanger, dans un étage de pression plus élevée, contre un gaz d'un état et en une quantité différents, ce dernier gaz étant ensuite ramené à l'étage de moindre pression, tout en se détendant, et étant introduit dans ce dernier étage en échange du gaz présent à cet étage. Dans un dispo- sitif connu de ce type, et qui s'applique spécialement à un foyer sous pres- sion d'un générateur de vapeur, ou d'un générateur d'eau chaude, une roue cel- lulaire tourne dans une enveloppe munie de deux paires d'ouvertures.
La roue peut être établie de façon que le gaz soit amené à traverser radialement les cellules de celle-ci, bien que ces dernières puissent être disposées de façon que le gaz les traverse axialement ou de toute autre manière. L'air pénètre dans les cellules à travers une des ouvertures de l'une des paires d'ouvertu- res de l'enveloppe et déplace le gaz contenu antérieurement dans ces cellules, de telle façon que le gaz quitte la cellule à travers l'autre ouverture de cette même paire. En tournant, la roue cellulaire entraîne l'air, qui a été introduit dan s les cellules, jusqû'à une ouverture de l'autre paire d'ouver- tures, où les gaz chauds de la combustion arrivent par un conduit venant du foyer où brûle le combustible.
Les gaz de combustion arrivant par cette der- nière ouverture déplacent l'air, le refoulent à travers l'autre ouverture de cette dernière paire et prennent sa place dans la roue cellulaire. L'air s'é- coule ensuite par un conduit vers le foyer, où il sert à favoriser la combus- tion. Les gaz chauds pénétrant dans la roue sont entraînés par celle-ci jus- qu'à la paire d'ouvertures mentionnée en premier lieu, où ils s'échappent à travers un conduit vers une surface absorbant de la chaleur laquelle peut être constituée par des conduits refroidis par l'eau.
Le volume d'air amené par la roue cellulaire vers le foyer et in- troduit dans celui-ci est égal au volume des gaz entraîné depuis le foyer par cette roue. Toutefois, comme les gaz quittant le foyer sont à une températu- re plus élevée que l'air introduit dans le foyer et possèdent donc, à pres- sion égale, un poids spécifique inférieur à celui de cet air, la pression dans le foyer s'élèvera jusqu'à ce que le poids spécifique des gaz sortants
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soit égal à celui de l'air entrant. A la température considérée, on obtient ainsi une pression effective de quelques atmosphères. Lors de l'échange de l'air contre les gaz de combustion,rlequel s'effectue dans la roue cellulai- re aux ouvertures en communication avec le foyer, l'air est comprimé jusqu'à la pression régnant dans le four.
Les gaz sortant par l'ouverture qui communique avec les conduits absorbant de la chaleur possèdent une vitesse relativement élevée, ainsi qu'u- ne pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique. En aval de cette ouverture, une partie de la vitesse peut être transformée en pression à l'aide d'un diffuseur. L'énergie des gaz peut être utilisée pour refouler le gaz à une vitesse élevée à travers les conduits de gaz de fumée, qui for- ment la surface chauffante. Ainsi, on obtient un coefficient de transmis- sion thermique élevé et, jusqu'à un certain rendement thermique, une surfa- 'ce chauffante économique.
Cependant, le dispositif décrit ci-dessus n'a pas été appliqué dans la pratique à l'usage indiqué, cela principalement du fait que les pertes d'énergie sont très importantes et que le rendement recherché n'est donc pas atteint; il est cependant connu en principe et a été appliqué à d'autres usages dans le cas de pompes thermiques et de turbi- nes a gaz.
L'invention vise à améliorer le dispositif ci-dessus. Elle s'ap- plique à un foyer de générateur de vapeur, de générateur d'eau chaude, etc., où les gaz de combustion contenus dans le foyer sont à une pression plus éle- vée que dans les éléments absorbant de la chaleur, la différence de pression étant réalisée à l'aide d'une roue cellulaire rotative dont les cellules, pendant la rotation, reçoivent des gaz chauds du foyer sous une pression éle- vée et échangent ceux-ci contre le même volume de gaz plus froid et plus lourd et sous une plus faible pression, et ramènent ce gaz plus froid à l'étage de pression plus élevée, où le gaz contenu dans les cellules est à nouveau échan- gé contre les gaz du foyer, de sorte qu'une plus grande quantité de gaz, en poids, est transférée de l'étage basse pression à l'étage haute pression,
que dans le sens opposé. Suivant l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce que l'excédent de gaz, qui s'établit dans le foyer lorsque la roue cellu- laire transporte du gaz de l'étage basse pression à l'étage haute pression, est ramené directement de l'étage haute pression constitué par le foyer vers l'étage basse pression constitué par les éléments absorbant de la chaleur du dispositif, où cet excédent de gaz est amené à entraîner, en agissant lui- même comme fluide moteur, et au moyen d'un éjecteur, les gaz chauds venant de la roue cellulaire, et à comprimer ceux-ci, après quoi la quantité totale de gaz est refoulée à grande vitesse à travers les conduits à gaz dans les éléments absorbant de la chaleur, de ce dispositif.
Ce dispositif peut être muni de moyens pour soutirer des gaz de la roue cellulaire lorsque les cellules se-déplacent de l'étage haute pres- sion vers l'étage basse pression, de sorte que ces gaz, après avoir subi une détente dans l'étage basse pression, peuvent servir à pré-comprimer, à l'ai- de d'un éjecteur, les gaz chauds quittant la roue cellulaire à un étage de pression moins élevéo
Dans l'un comme dans l'autre cas, le dispositif peut être cons- truit de fagon que la pression dans le foyer soit plus élevée que la pression atmosphérique et que les conduits à gaz de fumée soient à la pression atmos- phérique ou approximativement telle.
Suivant une variante, ce dispositif peut être établi de façon qu'une pression atmosphérique ou approximativement telle règne dans le foyer et que les conduits de gaz de fumée soient sou- mis à une pression inférieure à la pression atmosphérique.
Il est avantageux que les gaz de fumée venant du foyer et con- tournant la roue cellulaire possèdent une température plus élevée que les gaz traversant cette roue.,
L'invention sera décrite ci-après à l'aide de quelques exemples d'exécution montrés schématiquement dans les dessins annexés.
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La figure 1 montre un exemple d'exécution du dispositif.
La figure 2 montre un autre exemple d'exécution du dispositif.
Les figures 3 et 4 montrent des détails de la roue cellulaire.
La figure 5 montre une exécution de la roue cellulaire en coupe le long de son arbre.
La figure 6 montre la même roue cellulaire en coupe perpendiculairement à l'arbre.
Dans la disposition montrée dans la figure 1, une roue cellulaire 1 tourne dans une enveloppe 2, cette dernière étant munie d'ouvertures 3,4 5 et 60 Suivant la figure-l,la roue cellulaire est établie de telle façon que les gaz peuvent traverser radialement les cellules de la roue. L'air pénètre dans les cellules à travers l'ouverture 3 de l'enveloppe et déplace le gaz déjà contenu dans les cellules, de façon que ce gaz sort par l'ouverture 40 La roue cellulaire tourne dans la direction de la flèche et entraîne vers l'ouverture 5 l'air qui avait pénétré dans les cellules. Les gaz chauds de la combustion, venant du foyer 7, dans lequel brûle le combustible, pénètre dans les cellules à travers cette dernière ouverture.
Le foyer peut être à refroidissement par eau ou être suivi par une surface de chauffe, afin d'aménager la température des gaz de fumée d'une manière appropriée. Les gaz de combustion venant de l'ouverture 5 refoulent l'air à travers l'ouverture 6 et le remplacent dans la roue cellulaire. L'air s'écoule par un conduit 8 vers le foyer 7, où il sert à la combustion. Les gaz chauds pénétrant dans la roue cellulaire en 5 sont entraînés par cette roue jusque 4 et s'échappent par un conduit 9 vers une surface de chauffe 10 absorbant de la chaleur; laquelle surface peut consister en conduits refroidis à l'eau.
Lors du remplacement de l'air par des gaz de combustion, lequel s'effectue dans la roue cellulaire aux ouvertures 5 et 6, l'air est comprimé jusqu'à la pression régnant dans le foyer. La figure 3 montre en détail la manière dont cette compression peut s'effectuer. lorsque les cellules s'ouvrent vers l'embouchure 5 du conduit à l'arête 11, le gaz sous pression élevée s'écoule de 5 vers les cellules et comprime l'air. Il s'établit une onde de pression qui, lorsque la roue cellulaire tourne, se déplace le long de la ligne en pointillé 11-12.Lorsque cette onde arrive à la circonférence externe de la roue, les cellules s'ouvrent devant l'arête 12. Après le passage de l'onde de pression, laquelle se déplace à une vitesse supersonique, l'air s'engouffre dans les cellules, mais à une vitesse inférieure à celle de l'onde.
La vitesse de rotation de la roue et les dimensions de l'ouverture 6 sont adaptées à la vitesse du courant de gaz, de telle façon que, lorsque la totalité des gaz a traversé les cellules et refoulé complètement l'air, le côté sortie des cellules se trouve masqué par l'arête 13. Peu avant la fermeture de l'orifice de sortie des cellules par l'arête 13, leur entrée est obturée par l'arête 14. Il en résulte une onde de dépression le long de la ligne 14-13, et qui arrive à l'extrémité de sortie des cellules au moment exact de l'obturation de cette extrémité. Après que la sortie d'une cellule a été obturée en 13, le contenu de celle-ci èst au repos et sous une pression inférieure à celle du foyero A titre de variante, on peut supposer que l'arête 13 ferme la cellule avant l'arête 14.
Dans ce cas, on obtient une onde de compression, laquelle comprime le gaz dans les cellules. Dans le cas présent, il importe peu que l'on applique l'une ou l'autre méthode, le point principal consistant à utiliser l'énergie cinétique des gaz avant que les cellules ne soient complètement fermées. Pendant l'échange de gaz, l'air est comprimé jusqu'à la pression régnant dans le four d'une part, tandis que d'autre part, l'air se voit communiquer l'énergie cinétique requise pour vaincre la résistance dans le conduit 8 et dans le foyer.
Une fois les gaz complètement enfermés, aucun changement n'interviendra avant que la cellule considérée n'arrive aux ouvertures 3 et 4. Les phénomènes qui auront lieu à ce moment ressortent de la figure 4. Lorsque les cellules dépassent l'arête 15, elles s'ouvrent vers la basse pression de
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l'ouverture 4, une onde de dépression traverse.les cellules suivant la ligne 15-16, et le gaz s'échappe vers l'ouverture 4. lors du dépassement de l'arê- te 16, le contenu de la cellule commence à se mouvoir; les gaz commencent donc à quitter cette cellule, où ils sont remplacés par l'air venant de l'ouvertu- re 3. la pression dans Couverture 4 est légèrement supérieure à celle qui règne dans l'ouverture 3, ce qui retarde les gaz graduellement.
A l'arête 17, les cellules ont déjà été entièrement remplies d'air, et leur sortie est obturéeo Lorsque le courant d'air s'arête brusquement, il s'établit une on- de de pression qui se propage vers l'arrière le long de la ligne 17-18. En 18, tout le contenu de la cellule a été porté à une pression dépassant légè- rement la pression atmosphérique. L'arête 18 obture l'entrée des cellules, lesquelles se déplacent vers les ouvertures 5 et 6, après quoi le processus se répète.
Toutefois, dans la disposition suivant l'invention, les gaz de fumée ne passent pas dans leur totalité du foyer 7 vers la roue 1, mais une partie de ceux-ci s'écoule par un conduit 19 vers un éjecteur 20 constitué par une tuyère 21 laquelle détermine une détente de ces gaz avec accroisse- ment de leur vitesse cela à une pression voisine de la pression atmosphéri- que, en un mélangeur 22 et un diffuseur 23. L'éjecteur aspire à travers le conduit 24 les gaz chauds qui quittent la roue cellulaire par l'ouvertu- re 4. Dans le mélangeur 22, les gaz venant de la roue cellulaire et ceux ve- nant directement du foyer se mélangent, la vitesse étant ensuite principale- ment transformée en vitesse dans le diffuseur 23. Les gaz sont ensuite refou- lés à grande vitesse par les conduits 10 constituant la surface dé chauffe.
La disposition suivant la figure 1, offre plusieurs avantages considérables par rapport à celle décrite en premier lieu et qui est déjà con- nue en principe. Dans ce dispositif antérieur, où tous les gaz de la combus- tion traversent la roue cellulaire, la sunpression dans le foyer est relative- ment élevée. lorsque les gaz quittent le four à une température de 1000 C, la surpression sera ainsi entre 3 et 4 atmosphères. Cette surpression élevée est défavorable du point de vue des faites. En outre, dans la disposition montrée dans la figure 1, la surpression dans le foyer peut être modifiée.
Les meilleurs résultats d'exploitation sont obtenus avec une surpression d'en- viron 1 atmosphère.
Dans la disposition antérieure, les gaz traversant l'installation passent quatre fois successivement par des ondes de compression et de détente.
Avec un rapport des pressions de 1 :4, la perte d'énergie dans chaque onde de pression est d'environ 20 %. De plus, il convient de prendre en considé- ration des pertes d'énergie considérables à l'entrée et à la sortie de la roue cellulaire, dans les diffuseurs indispensables, etc... Par conséquent, le rendement réalisable avec le procédé antérieur est faible. Il est probable- ment inférieur à 40 %.
Le procédé suivant la figure 1, donne des meilleurs résultats principalement parce que la pression dans le foyer est moins élevée. Le rap- port des pressions dans les ondes de compression et de détente sera ainsi ré- duit, ce qui diminue considérablement les pertes dans celles-ci. Cependant, l'avantage principal réside dans le fait qu'une faible partie seulement des gaz traverse la roue cellulaire. Le reste s'écoule par le conduit 19 et se détend directement dans l'éjecteur qui lui imprime une vitesse élevée. Bien que l'on doive admettre que les éjecteurs fonctionnent également le plus sou- vent avec un faible rendement, les conditions sont dans ce cas particulière- ment favorables % un éjecteur, vu qu'une vitesse relativement élevée peut être admise pour le fluide entraîné venant par le conduit 24.
Si l'on suppo- se que les quantités de gaz d'entraînement et entraînésont égales et que le rapport des vitesses de ces gaz est de 2, ce qui correspond approximativement aux conditions réelles, le rendement de l'éjecteur, -non compris les pertes dans le diffuseur, sera supérieur à 70 %. On peut s'attendre ainsi à ce que la disposition suivant.la figurer! donne un meilleur rendement que celui réa- lisable avec la construction décrite en premier lieu. Lorsqu'une petite par-
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tie seulement des gaz traverse la roue cellulaire, les exigences, en ce qui concerne la construction, deviennent moins rigoureuses. Le fait, à savoir., si les ondes de compression et de détente se propagent d'une manière correc- te, ne constitue plus un facteur déterminant.
Il est évident que l'on peut même complètement éliminer ces processus et que l'on peut également obtenir de bons résultats lorsque la roue cellulaire agit uniquement comme écluse à gaz, appelée à écluser des gaz chauds de l'étage haute pression à l'étage bas- se pression, et un même volume de gaz froid dans le sens opposé.
Cependant, l'emploi d'un électeur suivant la figure 1, présente encore d'autres avantages. La roue cellulaire ne résiste pas à des tempéra- tures trop élevées et il n'est donc pas indiqué de laisser les gaz s'écou- ler directement d'un foyer important vers cette roue. Ceux-ci doivent être refroidis dans une certaine mesure en amont de la roue. Dans la disposition suivant la figo 1, une faible partie seulement des gaz doit être refroidie pour la raison sous-indiquéeo Le fait que des gaz traversant l'éjecteur peuvent avoir une température plus élevée que ceux traversant la roue cons- titue un autre avantage important, vu que la quantité totale de l'énergie obtenue, c'est-à-dire, la surpression disponible en amont des surfaces chauf- fantes 10, augmente rapidement avec la température dans le conduit 10.
Lors- qu'il s'agit d'utiliser la vitesse des gaz quittant la roue cellulaire par l'orifice 4, on risque de rencontrer des difficultés mécaniques et autres, Au lieu d'appliquer cette méthode, on peut utiliser l'énergie du gaz contenu dans les cellules, en amont de l'ouverture 4 en permettant à ce gaz de s'é- chapper, tout en équilibrant la pression dans les cellules, par un conduit 25,et en dirigeant ce gaz vers un conduit 24 à l'aide d'un éjecteur, lequel aspire les gaz arrivant en 4 et leur imprime une certaine vitesse avant qu'ils ne pénètrent dans l'éjecteur 20.
La construction de la figure 2 fonctionne en principe de la même façon que celle de la figure 1, avec une pression, dans le foyer, plus éle- vée que dans les conduits à gaz de fumée formant la surface de chauffe; tou- tefois, alors que dans la disposition suivant la figo 1, la sortie des con- duits à gaz de fumée communique avec l'air atmosphérique, le foyer 7 de la figure 2 communique directement avec l'atmosphère. Dans cette dernière cons- truction, le foyer 7 est sous pression atmosphérique, tandis qu'une dépression règne dans les conduits à gaz de fumée 10.
Cette dernière construction fonctionne comme suit L'air combu- rant est aspiré dans le foyer par le raccord 26. Partant du foyer, une par- tie des gaz de combustion se dirige vers la roue cellulaire 1, où ils pénè- trent par une ouverture 5. Ceci a pour effet de refouler à l'atmosphère, par l'ouverture 6, les gaz jusqu'alors contenus dans la roue cellulaire. Les gaz du foyer sont entraînés par la roue vers l'ouverture 4, où ils s'échap- pent, avec détente, vers l'enceinte basse pression représentée par les con- duits à gaz de fuméeo Une autre partie de gaz s'écoule du foyer 7 par le con- duit 19 vers l'éjecteur 20.
Grâce à l'accroissement de la pression réalisée par cet éjecteur, les gaz sont refoulés à grande vitesse par le conduit 10 formant la surface de chauffe, où leur température est réduite, par exemple à 150 C. Les gaz traversent ensüite un conduit 27 et pénètrent par l'ouver- ture 3 dans la roue cellulaire, où ils remplacent les gaz qui quittent cette roue en 4. Les gaz de fumée refroidis sont ensuite entraînés par la roue jus- qu'à la position 5-6, où des gaz sous une pression plus élevée pénètrent dans la roue, compriment les gaz y contenus jusqu'à la pression atmosphérique et les refoulent à l'atmosphère par une ouverture 6.
La différence effective entre les constructions des figs. 1 et 2 réside en ce que l'air qui pénètre en 3 dans le premier dispositif est rem- placé dans le second dispositif¯par des-gaz de fumée refroidis. Si, dans le dispositif suivant la figure 2, les gaz de fumée passant dans les conduits de la surface de chauffe pouvaient être refroidis jusqu'à la température de l'air extérieur, les deux dispositifs donneraient le même rendement. Vu que la température des gaz pénétrant.-dans la roue cellulaire par l'ouverture 3
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dépasse la température de l'air extérieur, le rendement thermique peut être quelque peu moindre dans.le système de la figure 2 que dans celui de la figure 1.
Avec des valeurs raisonnables et praticables- des températures des gaz, on peut obtenir, dans le cas du dispositif de la fige 1, une pression disponible pour les conduits de la surface de chauffe, s'élevant à 3000 mm de colonne d'eau, tandis que dans le cas du dispositif de la fig. 2, la pres- sion correspondante s'élève à 1000 mm de colonne d'eau.
Dans Inapplication pratique de la construction suivant l'invention, l'enveloppe qui entoure le roue cellulaire etc..., peut être refroidie à l'air ou à l'eau. La roue cellulaire peut être établie en une matière réfractaire Cette roue, ou du moins son arbre, peut également être refroidie par un courant d'air ou d'eau.
Les figures 5 et 6 montrent un type de la construction de la roue cellulaire. 1 désigne la roue cellulaire rotative ; 2, l'enveloppe munie d'ou- vertures d'entrée et de sortie 3,4, 5 et 6; 28, des creux prévus dans l'en- veloppe et remplis d'eau de refroidissement en circulation.