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DISPOSITIF DE CHAUFFE POUR CHAUDIERES ET FOURS.
L'invention concerne un dispositif de chauffe pour chaudières et fours, et plus précisément un tel dispositif ayant un foyer en dépres- sion, dans lequel est prévu un ventilateur pour la circulation-des fumées.
Dans les dispositifs de chauffe connus pour chaudières et fours avec foyers en dépression et circulation des fumées par ventilateur. pour accroître la vitesse des fumées ou pour les faire circuler en circuit fermée l'évacuation des gaz à l'air libre après utilisation est obtenue par le. tirage d'une cheminée, et le ventilateur est actionné par une énergie étrangère, vapeur, courant électrique ou autre semblable quelconque.; Dans ces dispositifs de chauffe, la création d'un tirage de cheminée suffisant conduit déjà à une grande perte d'énergie. Le fonctionnement du ventila- teur au moyen d'une énergie étrangère signifie une dépense supplémentaire d'énergie, qui n'est pas récupérée dans l'installation de chauffe.
De plus, le fonctionnement de l'installation de chauffe dépend de la régularité de la fourniture de l'énergie étrangère. En outre, pour la régulation de la charge, un dispositif de réglage supplémentaire est nécessaire pour l'éner- gie étrangère, celle-ci pouvant, en outre, subir des fluctuations.
Il est vrai qu'il existe des dispositifs de chauffe avec foyer sous pression, dans lesquels l'énergie requise pour actionner le ven- tilateur est empruntée aux gaz chauds, une turbine à gaz étant utilisée pour cela. Mais dans ces installations un groupe compresseur est néces- saire pour l'introduction de l'air et du combustible dans le foyer. D'au- tre part, on ne peut utiliser pour le fonctionnement du foyer que des com- bustibles gazeux où liquides, que l'on peut amener à la pression du foyer au moyen d'un compresseur. D'ailleurs un foyer sous pression est sujet au défaut fondamental, que des gaz de foyer contenant.de l'oxyde de carbo- ne peuvent fuir par suite de défauts d'étanchéité et parvenir au local de l'installation, ce qui crée un danger d'intoxication pour le personnel de service.
Pour ces raisons, on ne peut utiliser pour la construction d'un foyer sous pression que des matériaux métalliques de qualité appropriée et
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des garnitures réfractaires parfaites.
Ces inconvénients des dispositifs de chauffe connus sont éli- minés selon 1-'invention du fait que, dans un dispositif de chauffe avec foyer en dépression, le ventilateur est actionné par une turbine à gaz intercalée dans le courant des fumées, un échangeur de chaleur, ou plusieurs, étant d'ailleurs disposés entre la turbine à gaz et le ventilateur pour refroidir les fumées s'écoulant vers le ventilateur.
Au contraire d'un dispositif de chauffe avec foyer sous pression, le principe de l'invention repose sur le fait fondamental que, comme les gaz d'échappement du cycle de travail au lieu d'être lâchés à l'air libre comme jusqu'à présent du côté aspiration du ventilateur,le sont maintenant du côté refoulement, le cycle de travail s'accomplit en dépression, et qu'il est ainsi possible,avec une chute de pression relativement faible dans la turbine, d'en créer dans le ventila- teur ùne plus forte qui peut être utilisée pour vaincre les résistances à l'écoulement gazeux dans l'installation et pour aspirer de l'air dans le foyer.
Les dispositions qui précèdent permettent d'ailleurs d'utili- ser un cycle de travail de turbine à gaz avec tout foyer de type connu, en particulier avec les foyers pour combustibles solides, tels que charbons, bois ou analogues, et d'exploiter alors tous les avantages qu'une telle association entraîne.
En premier lieu, cela rend superflu une cheminée pour éva- cuer les fumées à l'air libre et pour créer la dépression dans le foyer.
L'évacuation des fumées a lieu par surpression et la dépression dans le foyer est engendrée par le ventilateur dans la présente disposition.
Cette dépression est l'ailleurs notablement plus forte que dans une in- stallation avec tirage par cheminée, de sorte que les gaz du foyer circu- lent à plus grande vitesse sur les surfaces de chauffe de la chaudière ou du four et 'que les dimensions de ces surfaces de chauffe peuvent être ré- duites en rapport avec l'accroissement de la transmission de chaleur.
Les échangeurs de chaleur, qui sont placés dans le courant des fumées su- bissent en outre une forte réduction de dimensions, du fait qu'ici des dif- férences de pression notablement plus fortes sont disponibles pour donner de la vitesse aux gaz. Il en résulte une économie de matériaux et un en- combrement moindre de toute l'installation. D'autre part la réduction des dimensions entrane une diminution de l'inertie lors des variations de charge, de sorte que les échangeurs de chaleur s'adaptent plus rapidement au nouveau régime.
Un autre avantage important d'une installation selon l'invention,consiste en ce que les-fumées qui doivent être évacuées à l'air libre peuvent être refroidies presque jusqu'au point de rosée des fumées (environ 80 à 100 ),tandis que dans les installations anciennes avec évacuation des gaz par une cheminée ils devaient entrer dans la che- minée avec une température de 120 à 1400 afin de conserver une force ascensionnelle suffisante pour créer le tirage. Le rendement thermique d'une installation selon l'invention est par suite de 90 à 95 % contre 80 à 85% dans les anciennes installations.
L'accroissement du rendement est encore plus grand lorsqu'on applique un dispositif de chauffe d'après l'invention'aux fours industriels, dans lesquels les fumées entrent sou- vent dans la cheminée entre 300 et 400 C, parce qu'ici aucune récupéra- tion de chaleur n'est possible à cause des pertes de pression trop fortes entraînées par l'interposition d'échangeurs de chaleur proportionnellement plus grands.
En principe on peut aussi transformer les dispositifs de chauf- fe existants à tirage par cheminée pour fonctionnement.à turbine à gaz selon l'invention, desorte que ces installations peuvent aussi profiter des avm- tages de 1'invention qui consistent en augmentation du débit et amélioration du rendement.
Les dispositifs de chauffe selon l'invention peuvent être considérablement améliorés en faisant recirculer les fumées plusieurs fois dans l'installation au moyen du ventilateur et en faisant fonctionner, au
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moyen des gaz en recirculation venant du. ventilateur' un.injecteur qui aspi- re les gaz brûles ,chauds du foyer et les mélange avec les, gaz en circulation fermée.
L'amélioration consiste en premier lieu dans le fait que le rende- ment de la turbiné à gaz et du ventilateur est meilleur à cause 'de la plus grande masse de gaz, ensuite dans le fait que des différences de températu- re plus faibles interviennent dans les échangeurs de chaleur de sorte que l'on peut encore être moins exigeant pour les qualités réfractaires deman- dées aux matériaux de construction utilisés. L'amélioration la plus impor- tante consiste en ce que l'installation supporte une surcharge considérable- ment plus forte sans perturbation de la combustion et s'adapte notablement plus vite à un nouveau régime qu'une installation sans circuit fermé de gaz.
Cela résulte de ce que l'augmentation de l'énergie de pression à la sortie - du ventilateur au moment de la surpression qui se produit aussitôt après l'accroissement de charge n'est pas détruite comme dans une installation sans circulation de gaz en circuit fermée mais qu'un renforcement de l'as- piration d'air et en outre une élévation supplémentaire de la pression d'en- trée de la turbine est produite par l'injecteur.
Les trois modes de réalisation qui vont être décrits en re- gard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs permet- tront de comprendre l'invention plus clairement.
Les figures 1, 'la et 1b montrent l'application de l'inven- tion a un dispositif de chauffe d'une chaudière à eau chauffée au gaz.
La figure 2 représente l'application de l'invention à un four de chauffage de locaux, la circulation de l'air des locaux étant mise en évidence.
La figure 3 concerne le dispositif de chauffe d'un four in- dustriel chauffé au gaz pour le recuit de pièces de fer.
Le dispositif de chauffe de la figure 1 se compose d'une chau- dière à eau chaude 1, d'une turbine à gaz 10, d'un aspirateur de fumée 14 et d'un moteur de démarrage 21. A la base de la chambre de combustion de la chaudière 1 est disposé un brûleur à gaz 2. La chambre de combustion est entourée sur tout son pourtour d'une chemise d'eau 4 dans laquelle l'eau qui entre en A circule de bas en haut. Au sommet de la chambre de combus- tion sont disposés deux systèmes de tuyaux à ailettes 5 et 6, dont chacun se compose de trois tuyaux munis d'ailettes etmontés en parallèle, selon.. le mode de construction représenté à la figure la en coupe suivant la ligne' a-a.
L'eau qui provient de la chemise 4 est conduite successivement à tra- vers les deux systèmes de tuyaux à ailettes 5 et 6 d'ou elle est envoyée par un.raccordement B 4-,-un dispositif de chauffage non représenté. Les gaz chauds qui sortent de la chambre de combustion 3 après avoir traversé le système de tuyaux à ailettes inférieur 5 sont recueillis dans une chambre 7 qui est fermée vers le haut.par une cloison 9 et conduits à la turbine 10 par une conduite 8. La sortie de la turbine est reliée par une conduite 8a à une chambre 11 au-dessous du deuxième système de tuyaux à ailettes 6.
Après avoir traversé le système de tuyaux à ailettes 6 les gaz chauds sont' recueillis dans une chambre 12 et conduits à l'aspirateur 14 par une condui- te 13 puis ils sont amenés à l'air libre par un tuyau d'échappement 15.
Dans le tuyau d'échappement 15 est installée une vanne d'étranglement 16.
La turbine 10 est reliée directement à l'aspirateur 14 par l'accouplement d'arbre 20. Le--moteur de démarrage est également accouplé avec l'aspirateur sur le même arbre.
Sur la figure 1b, le montage est modifié de telle sorte que sur.le tuyau d'échappement 15, en amont de la vanne d'étranglement 16, est branchée une conduite 17, qui est reliée à un injecteur composé d'une tuyè- re 18.et d'un diffuseur 19..
Le dispositif de chauffe décrit fonctionne de la façon suivan- te
Le système à turbine 10, 14 est d'abord amené par le moteur
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de démarrage 21 à la vitesse de révolution minimum qui permet aux brûleurs à gaz 2 d'entrer en fonctionnement.
La vitesse de révolution du système à turbine 10, 14 augmente ensuite d'elle marne ce qui entraîne le débrayage du moteur de démarrage 21 sous l'action d'un accouplement centrifuge non re- présenté.-, Lorsque la chaudière 1 est en pleine charge les gaz de combustion sont refroidis jusqu'à 600 0 environ par passage à travers le premier sys- tème'de tuyaux à ailettes 5 et parviennent avec cette température dans la turbine 100 A la sortie de la turbine règne une dépression d'environ 2.000 mm d'eau, qui est produite par l'aspiration de l'aspirateur 14.
Par détente à cette dépression'la turbine 10 fournit une quantité de travail mécanique telle que l'aspirateur 14 refoule sous pression les gaz d'échap- pement à l'air libre-et vainc en outre les résistances de perturbation dans la tuyauterie de conduite et en particulier au passage dans les sys- tèmes de 'tuyaux à ailettes 5 et 6. Lors de la détente dans la turbine 10 ' 'les gaz se refroidissent jusqu'à 550 C environ et ent@nt à cette températu- re dàns le deuxième système de tuyaux 6. A la sortie de la chaudière ils ' n'ont plus qu'une température de 100 C à laquelle ils sont aspirés dans l'aspirateur 14 et refoulés à l'air libre.
Dans le mode de montage de la figure 1b une partie des gaz d'échappement refoulés par l'aspirateur 14 est ramenée dans le circuit fer- mé par la conduite 17 et la masse de gaz qui arrive de la chaudière s'ac- croît de cette masse de gaz d'échappement. Ceci a en premier lieu l'avan- tage que les aubes du rotor de la turbine et du rotor de l'aspirateur peuvent être construites avec de plus grandes dimensions et que, par suite, de meilleures conditions techniques d'écoulement des gaz peuvent être créées pour le fonctionnement du système à turbine 10, 14.
De plus, les gaz de combustion n'ont plus besoin d'être refroidis à 600 C par passage dans le premier système de tuyaux à ailettes 5, puisqu'une partie du refroi- dissement s'opère au moyen des gaz d'échappement ramenés de l'aspirateur 14-,' qui se mélangent aux gaz de combustion chauds dans le diffuseur 18 avant l'entrée dans la turbine 10. Il est aussi possible par 1à d'égaliser les quantités de chaleur transmises dans les systèmes de tuyaux à ailettes 5 et 6, ce qui crée des conditions plus favorables pour l'élaboration de la chaudière.
Enfin la recirculation du gaz d'échappement a pour effet que le système à turbine s'adapte plus vite au nouveau régime lors des varia- tions de charge de la chaudière que lorsqu'il n'y a pas recirculation du gaz,
Le dispositif de chauffe représenté à la figure 2 se compo- se d'un four de chauffage d'air de locaux, de la turbine 23, de l'aspira- teur de fumée 24, du ventilateur à. air 25, du moteur de démarrage 26, des échangeurs de chaleur 27 et 28 et de l'appareil d'injection 290 A la base ' de la chambre de combustion 30 du four de chauffage 22 est disposé le brû- leur à gaz 31. La chambre de combustion est ouverte vers le bas et est en- tièrement entourée par la chemise creuse 32, qui. est reliée à l'échangeur de chaleur 28 par la conduite 33.
Les gaz de sortie de la chambre de com- bustion sont conduits par le tuyau coudé 34 à l'injecteur 29 auquel la tur- bine 23 est raccordée. Les gaz qui sortent de la turbine parviennent à l'as- pirateur de fumée 24 après passage dans les échangeurs de chaleur 27 et 28.
Une partie des gaz refoulés par l'aspirateur de fumée.. et précisément la partie qui correspond en masse au gaz combustible et à l'air utilisé pour la combustion est refoulée à l'air'libre par le tuyau d'échappement 35, le reste ,s'écoulant par l'échangeur de chaleur 27 vers la tuyère 36 de l'injecteur 29. Dans le tuyau d'échappement se trouvent les vannes d'étran- glement 37 et 38.
Le fonctionnement de ce dispositif de chauffe diffère de celui du dispositif décrit précédemment en regard de la figure 2 en ce que le re- . froidissement de la turbine à gaz est obtenu au moyen de deux échangeurs de chaleur 27 et 28 disposés l'un après l'autre, dont l'un (27) sert au réchauf- fage préalable des fumées remises en circulation et l'autre (28) au chauffa- ge de l'air des locaux refoulé par le ventilateur 25 et qui pénètre en C.
Le chauffage complémentaire de l'air se produit dans la chemise creuse 32,
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d'où l'air entièrement réchauffé sort en D pour être conduit aux locaux à chauffer.
Le dispositif de chauffe représenté figure 3 se compose d'un four de recuit 39 avec chambre de combustion 40, d'une turbine 41, d'un as- pirateur 42 et d'un moteur-de démarrage 43 et,, en outre, des échangeurs de chaleur.1 44, 45 et 46. Dans la chambre de combustion 40 se trouve à la partie inférieure un brûleur à gaz 47. L'air secondaire nécessaire à la combustion est amené par une conduite 48. Les -gaz chauds sortant de la chambre de combustion 40 parviennent à un diffuseur 49 dans lequel débou- che une tuyère 50 de gaz de circulation. Sous l'effet de la succion de l'injecteur 49, 50 les gaz de combustion chauds sont aspirés dans la cham- bre de combustion 40 et mélangés dans le diffuseur 49 avec les fumées remi- ses en circulation.
La température de mélange est établie en rapport avec la température de fonctionnement du four de recuit 39. Le four de recuit 39 est construit de la manière connue avec des matériaux réfractaires et comporte de chaque coté une porte qui peut être levée et abaissée, au moyen d'un câble à contrepoids passant sur une poulie, pour l'introduction de pièces de fer. Les gaz de foyer sont, d'un côté, distribués régulière- ment dans la section du four par un conduit annulaire=51 comportant des ouvertures vers l'intérieur et sont recueillis de l'autre côté d'une maniè- re analogue par un conduit annulaire 52.
Les gaz d'éohappement du four traversent d'abord la turbine 41, se répartissent ensuite entre les échan- geurs de chaleur 44 et 45 montés en parallèle et parviennent à l'aspirateur 42 après avoir traversé l'échangeur de chaleur 46 refroidi à l'eau. Une partie des fumées refoulées par l'aspirateur 42, et précisément la partie qui correspond en masse aux gaz combustibles et à l'air introduit pour la combustion, est refoulée à l'air libre par l'échappement 53 en passant par une vanne d'étranglement 54. La partie restante est conduite à l'échangeur de chaleur 44 par une conduite 56 en passant par une vanne d'étranglement 55 et est amenée ensuite à la tuyère 50 ou elle se mélange avec les gaz de combustion de la façon déjà décrite.
Le fonctionnement de ce dispositif de chauffe est le même que celui décrit plus haut.