<Desc/Clms Page number 1>
MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de
BREVET D'IMPORTATION " PERFECTIONNEMENTS A UN SEPARATEUR DE VAPEUR "
<Desc/Clms Page number 2>
La présente invention est relative à une ins- tallation pour obtenir de la vapeur d'eau sèche à par- tir de mélanges d'eau et de vapeur d'eau provenant des tubes de vaporisation (ou autres surfaces de chaudières génératrices de vapeur. Elle concerne particulièrement les séparateurs de liquide et de vapeur, qui peuvent être installés dans les cylindres collecteurs d'eau et de vapeur dteau de ces chaudières, en vue de remplir la fonction définie plus haut, et qui sont également utiles dans d'autres applications.
Dans les chaudières modernes du type marin ou fixe, le cylindre collecteur d'eau et de vapeur d'eau contient ordinairement des dispositifs pour : (1) répar- tir ou distribuer l'eau d'alimentation entrante; (2) séparer l'eau de la vapeur d'eau; et (3) évacuer la va- peur d'eau avec un minimum d'entraînement d'eau ou de matières solides. L'expression générale "dispositifs internes du cylindre collecteur" couvre cette classe de dispositifs, qui a acquis une grande importance à mesure que les vitesses de formation ou de libération de vapeur d'eau se sont accrues.
De manière générale, l'invention a pour objet d'améliorer l'agencement, d'étendre l'utilité et d'amé- liorer le rendement des dispositifs séparateurs de va- peur faisant partie de l'appareillage interne du cylin- dre collecteur.
Elle a pour objet plus particulier d'augmenter la quantité de vapeur d'eau de siccité et pureté accep- tables, qui peut être extraite d'un cylindre collecteur d'@aw ret de vapeur d'eau de diamètre et de longueur donnés, ce qui permet de réduire les exigences se rapportant aux dimensions, au coût et au poids du cylindre collec-
<Desc/Clms Page number 3>
teur dans une installation tonnée de production de va- peur d'eau.
Un autre objet de l'invention est de permettre aux dispositifs séparateurs de vapeur d'eau, contenus dans un cylindre collecteur, de fournir de la vapeur d'eau de siccité et pureté acceptables, même si le ni- veau de l'eau dans le collecteur peut s'élever sensible- ment au-dessus du niveau prescrit (tel que celui de l'axe du cylindre collecteur).
L'invention a encore pour objet de surmonter les difficultés dues à la formation de mousse, qui ont jusqu'à présent réduit la capacité pouvant être atteinte dans les dispositifs séparateurs, lorsque des matières solides en dissolution et en suspension et d'autres im- puretés inévitables sont présentée dans l'eau de la chau dière.
L'invention a également pour objet de permet- tre aux dispositifs séparateurs de vapeur d'eau contenus dans un cylindre collecteur de fournir de la vapeur d'eau de siccité et pureté acceptables, même si la te neur en matières solides de l'eau de la chaudière est sensiblement supérieure aux valeurs normalement exis- tantes et même s'il se produit des augmentations exces- sivement importantes dans cette teneur en matières so- lides (notamment en raison d'une teneur élevée en pro- duits chimiques de l'eau de la chaudière ou en raison de la présence de condenseurs à surface perméable qui contaminent l'eau d'alimentation).
Enfin, l'invention a pour objet complémentai- re d'assurer une séparation efficace de la vapeur d'eau dans le cylindre collecteur et l'évacuation hors de ce dernier de vapeur d'eau de siccité acceptable, lorsque
<Desc/Clms Page number 4>
le mélange d'eau et de vapeur d'eau venant des tubes de production de vapeur arrive dans le cylindre collec- teur à des vitesses de l'ordre de 50 à 75 pieds par seconde (en comparaison des vitesses habituelles de 15 à 25 pieds, qui étaient courantes dans le passé).
Suivant l'invention, on prévoit un dispositif séparateur pe vapeur, notamment de vapeur d'eau, conve- nant particulièrement pour obtenir de la vapeur d'eau sèche à partir de mélanges d'eau et de vapeur d'eau ve- nant des tubes de vaporisation de chaudières de produc- tion de vapeur, ce dispositif séparateur comprenant un tube primaire disposé sensiblement verticalement et destiné à être traversé de bas en haut par un mélange d'eau et de vapeur dteau, une hélice montée dans ce tube pour communiquer au mélange, se dirigeant vers le haut, un mouvement tourbillonnant, qui a pour effet de chasser l'eau contenue dans ce mélange vers l'extérieur et qui permet à une partie du mélange constituée en ma- jeure partie par de la vapeur d'eau de continuer à se déplacer vers le haut dans la partie centrale du tube, un manchon vertical collecteur de vapeur,
dont le dia- mètre est inférieur à celui du tube primaire et qui est disposé au-dessus de ce tube sensiblement coaxialement à celui-ci et de façon que l'extrémité inférieure dudit manchon s'étende à une certaine distance à l'intérieur de l'extrémité supérieure du tube, tout en étant écartée de celle-ci, la vapeur animée d'un mouvement ascendant passant de la partie centrale du tube susdit dans ledit manchon collecteur, et une enveloppe entourant le tube primaire 4 une certaine distance de celui-ci et s'éten- dant le long de ce tube et au delà de la partie supériou re de celui-ci,
en sorte que l'eau chassée vers ltexté-
<Desc/Clms Page number 5>
rieur est évacuée par dessus le bord supérieur du tube primaire et tombe alors à travers l'espace annulaire ménagé entre ce tube et l'enveloppe cylindrique préci- tée.
L'invention concerne également un cylindre collecteur d'eau et de vapeur d'eau pour un générateur de vapeur, qui est équipé d'un séparateur de vapeur, tel que décrit plus haut.
Pour permettre de comprendra entièrement l'in- vention, on la décrira à présent en référence aux des- sins ci-annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schémati- que simplifiée (de la nature d'une coupe verticale) d'une installation de production de vapeur d'eau, qui comporte un cylindre collecteur d'eau et de vapeur d'eau équipé des dispositifs internes perfectionnés faisant l'objet de la présente invention; - la figure 2 est, à plus grande échelle, une coupe transversale du cylindre collecteur d'eau et de vapeur d'eau de la figure le cette vue montrant com- ment les dispositifs séparateurs de vapeur d'eau, cons- truits selon une forme d'exécution de l'invention, peu- vent ² être installés de manière satisfaisante;
- la figure 3 est, à plus grande échelle, une vue en plan de dessus d'un des nouveaux dispositifs séparateurs, tel qu'il apparaît à partir de la ligne 3-3 de chacune des figures 2 et 4; - la figure 4 est une coupe verticale du même dispositif séparateur, suivant la ligne 4-4 de la figure 3, et - la figure 5 est, à plus petite échelle, une coupe simplifiée suivant la ligne 5-5 de la figure 2,
<Desc/Clms Page number 6>
cette vue montrant treize dispositifs séparateurs ré- partis en deux rangées dans le cylindre collecteur, sur la longueur de celui-ci.
Les dispositifs pour la séparation de liquides et de vapeurs suivant la présente invention conviennent spécialement bien pour être utilisés dans les chaudières à vapeur à circulation forcée et dans les chaudières à la vapeur à circulation naturelle, avec
EMI6.1
h.M1t de circula- tion libre ; ils peuvent, en outre, être avantageusement
EMI6.2
v AA/'i4/ /I' employés)%'3 un degré élevé, une séparation d'eau et de vapeur d'eau dans des générateurs de vapeur d'une grande variété de types et de capacités. Le générateur de va- peur montré à la figure 1 illustre un de ces types.
GENERATEUR DE VAPEUR DE LA FIGURE 1.
Dans ce générateur, des mélanges d'eau et de vapeur d'eau.sont déchargés à grande vitesse dans le cy- lindre collecteur 10 à partir de tubes de vaporisation 12 répartis en cinq rangées 12a, 12b, 12c, 12d et 12e (voir figure 2) le long de la partie inférieure de droi- te de la paroi du cylindre collecteur. Chacune de ces cinq rangées de tubes s'étend dans le sens de la lon- gueur du cylindre collecteur et contient une pluralité de tubes similaires. Les tubes des rangées 12c et 12d sont alimentés à partir d'un circuit de vaporisation primaire 14 constituant les parois latérales, le plancher et le plafond de la chambre de combustion chauffée par des brûleurs 15. Quant aux tubes des rangées 12a et 12b, ils sont alimentés à partir d'un circuit de vapori- sation secondaire 16, disposé à un niveau quelque peu plus élevé dans le foyer de la chaudière.
Enfin, les tubes de la rangée 12e sont alimentés par un troisième circuit 18, qui tapisse la paroi (non représentée) de la
<Desc/Clms Page number 7>
chambre de combustion, opposée aux brûleurs 15.
La chaudière illustrée à la figure 1 est, en outre, équipéed'une pompe de circulation forcée 20 (d (deux pompes de ce genre peuvent être utilisées en paral lèle) pour faire passer l'eau de la sortie inférieure 21 du cylindre collecteur 10 dans un collecteur de dis-, tribution principal 22 et de là è travers les trois circuits de vaporisation 14, 16 et 18 susmentionnés, d'un surchauffeur 24 se trouvant dans la chambre de chau@ fage, par lequel la vapeur saturée quitte le cylindre collecteur 10 par la sortie supérieure 25, de façon que sa température soit encore élevée avant son entrée dans le collecteur de vapeur surchauffée 26 ;
etd'un raccord 28 pour l'entrée d'eau, par lequel l'eau d'ali- mentation de la chaudière est admise dans le cylindre collecteur 10 d'une manière qui sera décrite plus loin.
Comme base pour la description subséquente, on suppose- ra que le générateur de vapeur de la figure 1 est agen- cé pour fonctionner à des pressions allant jusque 1200 livres anglaises par pouce carré et davantage. On sup- posera aussi que ses trois circuits de vaporisation 14, 16 et 18 sont capables conjointement d'engendrer de la vapeur d'eau et de la faire passer par des tubes 12 dans le cylindre collecteur 10 d'eau et de vapeur d'eau, à des débits horaires allant jusque 240. 000 livres an- glaises.
CYLINDRE COLLECTEUR D'EAU ET DE VAPEUR D'EAU 10
Dans le générateur de vapeur illustré à la fi- gure 1, le cylindre collecteur d'eau et de vapeur d'eau 10 a un diamètre interne de 42 pouces et une longueur (voir figure 5) de 10 1/2 pieds entre extrémités du cy- lindre collecteur, La sortie de la vapeur affecte la
<Desc/Clms Page number 8>
forme d'un simple tuyau 25 faisant saillie à la partie supérieure du cylindre collecteur à mi-distance de sa longueur. La sortie 21 prévue au fond du collecteur affecte la forme de deux tuyaux descendants (voir figu- res 1 et 5) faisant respectivement saillie aux deux ex- trémités du cylindre collecteur et agissant en parallèle pour amener l'eau quittant le collecteur dans des pompes 20 servant à la faire circuler dans le collecteur 22 et dans les circuits de vaporisation 14, 16 et 18.
Les tubes 12 des rangées a, b, c, d et e, du circuit de vaporisation ont un faible diamètre intérieur (notam- ment d'un pouce). Le trou d'homme terminal 30 prévu dans le cylindre collecteur a une dimension horizontale de 16 pouces et une dimension verticale de 12 pouces.
L'eau d'alimentation est admise, sous pression appro- priée, par le raccord 28 (voir figure 1) dans un tuyau d'entrée, qui pénètre dans le cylindre collecteur par une ouverture appropriée (non représentée), ménagée, par exemple, dans l'extrémité postérieure du cylindre collecteur.
On verra au cours de la description suivante que les améliorations apportées au séparateur de vapeur suivant l'invention ne se limitent pas à des cylindres collecteurs présentant les dimensions, les proportions que et l'agencement indiqués ci-avant, mais/de tels sépara- teurs peuvent aussi/avec des avantages comparables, être installés dans des cylindres collecteurs d'eau et de va- peur d'eau de dimensions, proportions et agencements différents.
DISPOSITIFS INTERNES DU CYLINDRE COLLECTEUR. DE
FIGURE 2.
Dans la forme d'exécution illustrative de l'invention, représentée à la figure 2, on trouve dans
<Desc/Clms Page number 9>
le cylindre collecteur 10 : un dispositif distribu- teur d'eau d'alimentation, qui comporte un tube ou tuyau immergé 32 perforé comme montré en 33, ainsi qu'une chi- cane 34 ; des dispositifs de séparation de l'eau et de vapeur, qui peuvent affecter la forme de séparateurs centrifuges 38, s'étendant vers le haut, au-dessus du niveau de l'eau) en deux rangées longitudinales s'éten- dant le long de l'intérieur du cylindre collecteur (voir figure 5) et agencés pour agir sun la totalité du mélange d'eau et de vapeur pénétrant dans le cylindre collecteur par les tubes 12;
et (3) des dispositifs for- mant crépines 40 pour distribuer et sécher encore la vapeur sur son trajet entre les dispositifs séparateurs 38 et le tuyau de sortie 25 prévu à la partie supérieu- re du cylindre collecteur.
L'eau d'alimentation entrant par le raccord 28 (voir figure 1) est amenée par un tuyau 28a (voir figure 2) au point médian (non montré) du tuyau distri- buteur 32, qui s'étend en long à la partie inférieure du cylindre collecteur, comme indiqué sur le dessin. Ce tuyau distributeur 32 est fermé ses deux extrémités et présente, le long de sa partie supérieure, des ou- vertures espacées 33, que doit traverser toute l'eau d'alimentation entrante, de façon à assurer une diffu- sion, à laquelle contribue également la chicane ou pla- que déflectrice 34 placée au-dessus des ouvertures d'ad- mission 33 prévues sur la longueur du tuyau 32, dans la masse principale d'eau submergeant le tuyau dans le cy- lindre collecteur.
Pour filtrer les éventuelles grosses particu- les de matière solide entraînées dans l'eau qui quitte le cylindre collecteur par les deux sorties descendantes
<Desc/Clms Page number 10>
21, chacune de celles-ci comporte, autour de son extré- mité supérieure ouverte, un tamis cylindrique 35 agencé de la manière montrée à la figure 2, de façon à amener l'eau pénétrant dans les sorties 21 (eau provenant du tuyau 33 et de la décharge des séparateurs 38) à passer d'abord à travers ce tamis. D'autres moyens équivalents pour diffuser l'eau d'alimentation entrante dans la masse d'eau contenue dans le cylindre collecteur et pour éva- cuer l'eau d'alimentation et de décharge du cylindre col- lecteur peuvent évidemment être utilisés en combinaison avec les dispositifs séparateurs perfectionnés 38.
Le dispositif 40 comprend une plaque 41 en forme de V placée sous la sortie 25 et s'étendant de part et d'autre de celle-ci sur toute la longueur du cy- lindre collecteur, les deux bords de cette plaque étant cependant à une certaine distance de la partie supérieu- re du cylindre collecteur, comme montré en 42; une paire de bandes déflectrices 43 soudées le long de l'intérieur de la partie supérieure du cylindre collecteur, comme montré, et faisant, en outre, office de supports pour la plaque en V 41; des éléments d'espacement 44 prévus de place en place le long du cylindre collecteur, de manière à assujettir (par exemple, àl'aide de vis) la plaque en V 41 (ainsi que des bandes inclinées 46) aux bandes de support 43;
un tamis horizontal 45 enjambant une partie du fond de la plaque en V, et des bandes in- clinées 46 fixées, de manière ajustable, - aux côtés de la plaque en V 41 et présentant une forme propre à confé- rer à chaque espace d'admission de vapeur latéral 42 une dimension minima à l'endroit de la sortie de vapeur 25 et une dimension allant progressivement en s'élar- gissant à mesure que l'on s'écarte de la sortie le long
<Desc/Clms Page number 11>
du cylindre collecteur.
La partie de la plaque en V se trouvant en dessous du tamis 45 présente, de préférence, un ou plu- sieurs trous d'égouttage (non représentés),en sorte que l'eau qui peut,s'accumuler dans la plaque en V 41 peut s'égoutter vers un endroit de moindre pression.
D'autres formes et agencements de dispositifs formant crépine peuvent évidemment être utilisés avec les dispositifs séparateurs perfectionnés 38, qui seront décrits à présent.
DISPOSITIFS SEPARATEURS 38.
Les chaudières à cylindre collecteur unique (telles que celle illustrée à la figure 1) nécessitent des moyens très efficaces et compacts pour satisfaire aux demandes courantes de capacité et pureté de vapeur élevées. Dans ces chaudières, le mélange d'eau et de vapeur entrant dans le cylindre collecteur 10 en prove- nance des tubes 12 peut comporter de deux à quinze par- ties ou davantage d'eau pour chaque partie de vapeur en poids, mais la vapeur déchargée du cylindre collecteur par la sortie 25, doit, de préférence contenir moins de 0,25 % d'humidité.
De plus, cette faible teneur en humidité de la vapeur évacuée du cylindre collecteur doit être maintenue,même si l'eau à partir de laquelle cette vapeur est engendrée (et qui pénètre dans le cy- lindre collecteur 10 par les tubes 12 avec de la vapeur) contient des quantités substantielles de matières soli- des et autres impuretés en dissolution et en suspension, qui ne peuvent pas être évitées.
Pour fournir de la vapeur d'une telle siccité, on fait passer à travers les dispositifs 38 des figures 2 à 5, selon un mouvement ascendant, à partir d'un com- partiment 48, la totalité du mélange.de vapeur et d'eau
<Desc/Clms Page number 12>
amené dans le cylindre collecteur par les tubes 12. Le compartiment 48 est délimité par des cloisons 49, qui sont disposées, comme montré, autour des extrémités des tubes 12 et qui s'étendent sur toute la longueur d'en- trée des tubes dans le cylindre collecteur, de manière à séparer l'espace délimité par le compartiment du res- tant de l'intérieur du cylindre collecteur.
Sept dispo- sitifs séparateurs 38 formant une rangée de droite sont montés le long de la paroi horizontale 49a du comparti- ment, tandis que six autres dispositifs similaires 38, constituant une rangée de gauche, sont supportés dans une position verticale similaire par l'intermédiaire de tuyaux d'alimentation 50, qui aboutissent dans la paroi verticale 49b du compartiment 48.
Il est évident qu'un nombre plus ou moins éle- vé de dispositifs 38 peut être employé, selon les dimen- sions du cylindre collecteur et la quantité de vapeur à séparer et que l'on peut prévoir plus ou moins de deux rangées de tels dispositifs. En fait, on peut se con- tenter, dans certains cas, d'un seul dispositif sépara- teur. L'agencement du compartiment 48 peut aussi diffé- rer de celui représenté.
Comme illustré aux figures 2, 3 et 4, chaque dispositif séparateur 38 comprend un tube primaire vertical intérieur 52, connecté à sa base au comparti- ment 48 et présentant des parois latérales sensiblement droites, qui se terminent par une extrémité supérieure ou aifeite@ ouverte ; des lamesren hélices 54 montées dans la partie inférieure du tube 52 entre celui-ci et une pièce cen- trale 55 ; un tube vertical extérieur 46 de diamètre supérieur à celui du tube primaire 52)monté concentri- quement à celui-ci et supporté mécaniquement par ce der- nier'tube, par l'intermédiaire de boulons 57 répartis
<Desc/Clms Page number 13>
sur le pourtour du tube 52 ;
chicane 58 en forme de disque assujettie à l'extrémité supérieure du tube exté- rieur 56, par exemple à l'aide de vis de serrage 59 et enjambant l'espace annulaire entre le tube intérieur 52 et le tube extérieur 56 ; manchon ou ajutage collec- teur de vapeur 60 supporté par la chicane 58 (par exem- ple en étant solidaire de cette dernière) au-dessus de la partie supérieure du tube vertical intérieur 52 con- centriquement à celui-ci, le fond dudit manchon étant engagé dans la partie supérieure du tube 52 en étant espacé de celui-ci de la manière représentée ;
com- partiment supérieur communiquant avec la partie supé- rieure de l'ajutage ou manchon 60 et défini par une plaque inférieure 62, par des plaques supérieures 63 réunies centralement à une chicane 64 (voir figure 4) et par des plaques latérales 65 et 66 (voir figure 3), qui ferment le compartiment, sauf à l'endroit où sont prévues des ouvertures de sortie gauche et droite, in- diquées par des flèches à la figure 3 ; etune série de plaques ondulées de filtrage 68 placées dans chacuhe desdites ouvertures de sortie et y supportées, de maniè- re appropriée, notamment à l'aide de tirants 69 et d'éléments d'espacement 70 , séparant les plaques ondu- lées entre elles.
Dans le dispositif séparateur illustré, on emploie quatre lames en hélice 54 inclinées chacune par rapport à l'horizontale selon un angle indiqué de valeur générale indiquée avec des connexions par soudure établie avec la paroi intérieure du tube primaire 52 et pénétra- tion dans les fentes représentées ménagées dans la pièce centrale 55. Il va de soi qu'un nombre plus ou moins grand de telles lames peut être employé et que chacune de celles-ci peut tre inclinée plus ou moins que ne
<Desc/Clms Page number 14>
l'indique le dessin. La pièce centrale 55 peut avan- tageusement tre pourvue d'ouvertures d'égouttage et de ventilation 71 et 72 à sa partie inférieure et à sa par- tie supérieure.
Dans la forme d'exécution représentée, le manchon collecteur de vapeur 60 présente une section transversale, dont le rapport avec la section transver- sale du tube primaire 52 sera indiqué plus loin.
Chacune des deux séries de plaques ondulées de filtration 68 (de gauche et de droite), comporte un nombre relativement élevé de plaques ondulées 68. Cha- que plaque présente, comme montré, une forme rectangu- laire et se trouve à courte distance des plaques adja- centes de la même série de plaques. Toutes les plaques de chaque série sont montées de façon que leurs ondula- tions s'étendent sensiblement en direction verticale (comme montré), en sorte que l'eau recueillie sur ces ondulations ou entre elles peut s'écouler librement vers le bord inférieur de la plaque et être évacuée du séparateur par dessus la lèvre dirigée vers le bas de la plaque inférieure 62 du compartiment. L'écartement entre les ondulations de chaque plaque 68, en direction horizontale, peut être de l'ordre de grandeur général indiqué.
A mesure que l'on avancera dans la présente description, on verra que d'autres constructions mécani- ques équivalentes sont possibles pour les dispositifs séparateurs 38 et que ces dispositifs eux-mêmes (ou leurs parties constituantes) peuvent être plus grandes ou plus petites (ou autrement modifiées), selon l'espa- ce disponible dans le cylindre collecteur et les exi- gences de la séparation de la vapeur.
<Desc/Clms Page number 15>
Fonctionnement des dispositifs séparateurs.
Pendant le fonctionnement normal du générateur de vapeur de la figure 1, le niveau de l'eau dans le Cy- lindre collecteur 10 est voisin de l'axe du cylindre collecteur indiqué en 72 à la figure 2. Dans ces condi- tions, les bords supérieurs des tubes verticaux 52 et 56 de chaque dispositif séparateur 38 se trouvent à plusieurs pouces au-dessus du niveau de l'eau dans le cylindre, tandis que les plaques 68 se trouvent encore plus haut par rapport au niveau de l'eau .
Le mélange d'eau et de vapeur d'eau entrant dans les dispositifs séparateurs 38, en provenance du compartiment 48, est, de préférence, amené à traverser une plaque perforée 75 placée, de manière appropriée , dans ce compartiment (voir figure 2), de ma- nière à empêcher que le mélange d'eau et de vapeur venant des tubes de vaporisation 12a, 12b et 12c viennent frapper les raccords d'entrée dans les dispositifs sépa- rateurs 38.
Le mélange de vapeur et d'eau circulant vers le haut du compartiment 48 à travers le tube primaire 52 de chaque dispositif est animé d'un mouvement tourbil- lonnant, grâce aux lames en hélice 54 (soit dans le sens dextrorsum, soit dans le sens sinistrorsum) , en sorte que, lorsque le mélange atteint la partie-, supé- rieure du tube, il tourbillonne rapidement à l'inté- rieur de celui-ci . Les parties plus lourdes (eau) du mélange suivent ainsi des trajets hélicoïdaux, en pro- gressant vers le haut le long de la paroi du tube 52.
Dans certaines installations particulières, il peut être souhaitable de régler la position des lames ou ailettes 54 de manière à faire subir au mélange un mouvement tour- billonnant dans le sens des aiguilles d'une montre dans
<Desc/Clms Page number 16>
certains dispositifs 38 et de manière à lui faire subir un mouvement tourbillonnant dans la direction inverse (sinistrorsum ) dans d'autres dispositifs séparateurs con- tenus dans le même cylindre collecteur. La teneur en eau du mélange peut être de 4 à 100 fois celle de la vapeur d'eau , selon la pression du mélange . Dès lors, l'eau, qui est plus lourde, soumise à l'action d'une force centrifuge, par suite de son mouvement tourbillonnant, est concentrée près de la paroi du tube vertical 52, tandis que la vapeur d'eau, qui est plus légère , est concentrée vers le centre du tube .
Le manchon de diamètre réduit 60, qui s'étend dans la partie supérieure du tube primaire (2) conduit la vapeur concentrée centralement directement à travers le manchon et permet en même temps à l'eau concentrée à l'extérieur et animée d'un mouvement tour- Sillonnant de sortir du manchon, dans la direction indi- quée par les flèches . La plaque déflectrice 58 fait dévier cette eau vers le bas dans l'intervalle séparant les tubes intérieur et extérieur 52 et 56, l'eau sécou- lant (sous l'effet de la pression appliquée du dessus) au- tour de l'extérieur du tube primaire 52, d'où elle tombe dans la masse d'eau contenue dans le cylindre collecteur (dont le niveau est indiqué en 74 à la figure 2) à l'intérieur du tube extérieur 56.
L'eau déchargée de séparateur dans le'tube 56 est ainsi mise effectivement dans l'impossibilité de se mé- langer avec la vapeur d'eau , au-dessus du niveau de l'eau 74 , l'extrémité inférieure du tube 56 étant'à un niveau sensiblement inférieur à celui de l'eau, comme indiqué à la figure 2. Ce confinement est particulièrement avan- tageux , lorsque l'eau de la chaudière, dont la vapeur est produite, contient des matières solides en dissolution
<Desc/Clms Page number 17>
et en suspension, ainsi que d'autres impuretés inévita- bles, dont la présence tend à produire la formation de ??mousse " ainsi qu'on le verra plus loin.
En proportionnant convenablement l'intervalle annu- laire d'évacuation de l'eau (voir figure 4) autour du bond inférieur du manchon collecteur 60, par rapport à la surface totale réservée au mélange tourbillonnant 'd'eau et de vapeur dans le tube primaire vertical 52, une par- tie considérable de la quantité totale d'eau sera séparée, dans cette première phase de séparation, de la vapeur d'eau et évacuée du dispositif séparateur 38 à tra- vers l'intervalle séparant les tubes intérieur et exté- rieur 52 et 56. Le courant central de vapeur ainsi partiellement séchée (qui contient encore une certaine quantité d'humidité entraînée ) continuera alors à s'éle- ver dans le manchon 60, pour y être soumis à la seconde phase de séparation.
Dans le dispositif séparateur 38 des figures 2,3 et 4, cette seconde phase de séparation s'opère dans le com- partiment secondaire supérieur contenant les séries de gauche et de droite de plaques de filtration 68. En passant du manchon 60 dans ce compartiment dans la di- rection indiquée par les flèches à la figure 4, le courant total de mélange de vapeur et d'eau est divisé par la cloison déflectrice centrale 64 en courants par- tiels de gauche et de droite, qui empruntent respective- ment un trajet de gauche et un trajet de droite, sur les- quels se @ les séries de gauche et de droite de plaques ondulées 68.
La cloison déflectrice 64 a pour effet de transformer le mouvement de rotation initial de la vapeur en un mouvement linéaire pour permettre l'entrée de cette vapeur dans les dispositifs de filtra- tion formées par les plaques ondulées 68. La figure 3
<Desc/Clms Page number 18>
montre que pour passer entre les plaques 18 faiblement écartées entre elles dans chaque série, le mélange doit changer constamment de direction et suivre un trajet en zig zag. Il s'ensuit que les particules d'hu- midité entraînée rencontrent les ondulations verticales des plaques et les heurtent, après quoi elles s'écou- lent vers le bas des ondulations sous l'action de la pesanteur.
Au moment où la vapeur a atteint le bord extérieur de chaque série de plaques ondulées, la quasi totalité de l'humidité entraînée est séparée, de cette manière, de la vapeur. La pesanteur a pour effet d'entraîner l'humidité séparée, vers le bas, dans les dépressions entre les ondulations des plaques, jusque sur l'élément de support inférieur 62 se trouvant à la base de cha- , que série de plaques. De cet endroit, l'eau recueillie est chassée par le courant susjacent de vapeur sortante vers le bord extérieur de l'élément 62 (voir figure 3) qui est recourbé vers le bas, en sorte que l'eau s'égout- te (voir les flèches de la figure 4) dans la masse d'eau dontenue dans le cylindre collecteur .
La vapeur, qui sort finalement du dispositif) séparateur 38, après avoir passé entre les plaques de séchage ondulées 68, a ainsi été soumise successive- ment à une première phase de séparation de l'eau à la partie supérieure du tube vertical 52 et à une seconde phase de séparation de l'humidité dans les séries de plaques ondulées 68 prévues à la sortie de gauche et à la sortie de droite du dispositif séparateur. On consta- te que la vapeur qui a ainsi traversé chaque dispositif séparateur et y a été soumise à ces deux phases de sépa- ration de l'eau, est-,débarrassée à un degré, remarqua- blement élevé de l'humidité qu'elle contenait.
<Desc/Clms Page number 19>
Les séparateurs 38 sont d'une efficacité remarquable.
Les nouveaux dispositifs séparateurs décrits plus haut ont une efficacité remarquable, dans les conditions pratiques de fonctionnement des générateurs de vapeur.
Des essais, en', vue de vérifier cette efficacité, ont été exécutés avec l'aide du générateur de vapeur susdécrit de la figure 1,équipé d'un cylindre collecteur 10 (tel que représenté aux figures'2 et 5) de 42 p ouces sur 10 1/2 pieds, dans lequel étaient montés, comme montré à la figure 5, treize dispositifs séparateurs 38 (tels que celui montré aux figures 2, 3 et 4) , ainsi qu'un dispositif formant crépine 40 (tel que celui de la figure 2), de même que des dispositifs d'alimentation en eau et antres dispositifs représentés.
Les essais ont été exécutés sous une pression de 1250 livres anglaises par pouce carré . Les treize dispositifs séparateurs 38 révélaient une efficacité telle qu'on a pu obtenir de la vapeur contenant moins de 0,25 % d'humidité à la sortie 25 du cylindre collec- teur 10, à un débit de 240.000 livres anglaises par heure, le niveau de l'eau étant maintenu sensiblement au niveau de l'axe du cylindre collecteur et l'eau de la chaudière contenant approximativement quatre grains par galon , de matières solides en dissolution. Ceci corres-
EMI19.1
a, pondait@ une production de plus de 18.400 livres an- glaises de vapeur sèche par heure, pour chacun des treize dispositifs séparateurs.
La limitation du débit de vapeur susindiqué a été imposée non par les dispositifs séparateurs 38 soumis aux essais, mais bien par des parties de l'installation de production de vapeur de la figure 1, extérieure@ au cylindre collecteur de vapeur et d'eau .
<Desc/Clms Page number 20>
Les essais susmentionnés n'ont pas davantage établi, avec le générateur de vapeur selon la figure 1, une limite supérieure, lorsque l'eau de la chaudière est totalement exempte de matières solidesde contamination .On peut, toutefois, s'attendre (pour des raisons qui apparaîtront plus loin ) en employant de l'eau aussi pure dans la chaudière, à ce que la capacité de chaque dispositif sépa- rateur 38 à fournir de la vapeur de siccité acceptable soit même plus élevée que la valeur susindiquée pouvant être atteinte avec de l'eau de chaudière contenant des matières solides dissoutes en petites quantités (quatre grains par galon).
Les essais en question sont confirmé les données antérieures montrant que , lorsque la teneur en matières solides de l'eau de la chaudière est plus élevée, le débit de vapeur de siccité acceptable, qui peut être fourni par un cylindre collecteur d'eau et de vapeur (tel que le cylin- dre 10), devient progressivement moindre . Nonobstant cette tendance, les débits de vapeur pouvant être obtenus avec les dispositifs séparateurs suivant l'invention dé- passent fortement le meilleur rendement de tous les dis- positifs séparateurs comparables connus antérieurement.
Ainsi, en utilisant de l'eau de chaudière contenant 88 grains ( 1 grain = 65 miligrammes environ ), par galon, de matières solides en dissolution ( l'alcalinité de l'eau dépassant alors 0,38 %), il a été possible, en opérant sous une pression de 1250 livres anglaises par pou- ce carré , de retirer du cylindre collecteur 10 du généra- teur de vapeur, 198.000 livres anglaises, par heure, de vapeur contenant 0,32 % d'humidité . La circulation totale entretenue par les pompes 20 était alors de 840.000 livres anglaises de mélange de vapeur et d'eau par heure , tandis
<Desc/Clms Page number 21>
que le niveau de l'eau était alors situé à 3 pouces au-dessus de l'2xe du cylindre collecteur 10 dans ce a dernier.
Un niveau d'eau assi élevé diminué le volume total disponible pour la vapeur sous la sortie 25 et et a imposé, par conséquent, aux dispositifs séparateurs 38, des conditions de fonctionnement plus sévères que si le niveau de l'eau s'était prouvé à hauteur de l'axe du cylindre collecteur ou sous ce niveau . Même dans ce cas, chaque dispositif séparateur 38 fournit plus de 18.000 livres anglaises de vapeur de siccité acceptable par heure . Avec des niveaux d'eau moins éle- vés dans le cylindre collecteur (et, par conséquent, avec des espaces plus grands pour la vapeur au-dessus du niveau 74 de l'eau), on aurait pu obtenir des débits encore plus élevés.
La concentration de matières solides en dissolu- tion dans l'eau de la chaudière a ensuite été portée à 103 grains par galon. A la pression précédente de 1250 livres anglaises par pouce carré et avec une circulation totale, entretenue par les pompes, de 840.000 livres anglaises par heure, on a extrait du cylindre collecteur , par%heure, 190.000 livres anglai- ses de vapeur contenant 0,13 % d'humidité. Le niveau de l'eau dans le cylindre collecteur était à une quart de pouce sous l'axe du cylindre collecteur. Toutefois, la pleine capacité des dispositifs séparateurs n'a pas été atteinte pendant cet essai,¯en sorte qu'on aurait indubitablement pu obtenir, un débit de vapeur encore plus élevé (sans transfert de vapeur dans la sortie su- périeure 25 du cylindre collecteur).
La vapeur de siccité indiquée, obtenue dans le cylindre collecteur 10 par les nouveaux dispositifs
<Desc/Clms Page number 22>
séparateurs 38, contient une quantité tellement faible d'humidité entraînée que le dispositif 40 est ra- rement appelé à devoir encore sécher la vapeur, pendant que celle-ci sort du cylindre collecteur. Dans la situation décrite, le dispositif formant crépine agit principalement de manière à contribuer à une répartition appropriée de la vapeur se dirigeant vers l'unique sortie 25 (voir figure 2) en provenance des divers dispositifs séparateurs 38 répartis le long du cylindre collecteur (voir figure 5).
Les essais en question ont, en outre, confirmé que la hauteur de pression requise pour le fonctionnement des nouveaux dispositifs séparateurs 38 se trouve bien dans les limites de la capacité de circulation des mélan- ges de vapeur et d 'eau de toutes les chaudières à circu- lation forcée, ainsi que des chaudières à circulation naturelle avec tête de circulation bilatérale .
Des mesures exécutées , pendant un fonctionnement de la chaudière à plus de 1250 livres anglaises par pouce carré avec un débit de vapeur (par treize dispositifs séparateurs) de 185.000 livres anglaises par heure et une- circula- tion de mélange de 820.000 livres anglaises par heure, ont révélé une chute de pression de cinquante pouces d'eau à 70 F (approximativement environ 1,8 livre par pouce carré : 27,76 pouces correspondant à 1 livre anglaise par pouce carré), entre l'intérieur du comparti- ment 48 (qui alimente les dispositifs séparateurs) et l'espace réservé à la vapeur dans le cylindre collecteur 10 entourant les sorties des dispositifs séparateurs.
Le programme d'essais de rendement, qui a fourni les données précitées, a montré, au surplus, que l'efficaci- té des nouveaux dispositifs séparateurs 38 n'est pas
<Desc/Clms Page number 23>
influencée défavorablement par un fonctionnement: (ya) à des pressions dans le cylindre collecteur, inférieures à 1250 livres anglaises par pouce carré (des essais ont 'été effectués à 930 et à 650 livres anglaises par pouce carré ) ; ou (b) dans lequel la vitesse de circulation du mélange eau-vapeur (par les pompes 20) dans les circuits 14, 16 et 18 (aboutissant dans les tubes 12 du cylindre collecteur ) est accrue au delà des valeurs mentionnées précédemment.
De plus, grâce à l'agencement unique des disposi- tifs séparateurs suivant l'invention, il devient possible d'amener le mélange eau-vapeur dans le cylindre collec- teur 10, par les tubes 12, à des vitesses sensiblement plus élevées qu'il n'était possible jusqu'à présent. Dans la pratique antérieure , on était limité à des vitesses d'entrée de mélange eau-vapeur de 15 à 25 'pieds par se- conde . Avec les nouveaux dispositifs séparateurs sui- vant l'invention (voir en particulier la figure 2), le mélange eau-vapeur venant des tubes 12 peut, de manière satisfaisante , être amenée dans le cylindre collecteur à des vitesses fortement accrues, pouvant atteindre 50 à 75 pieds,par seconde .
Dans la chambre d'essai représentée à la figure 1, des vitesses d'entrée de mélange eau-vapeur aussi élevées s'accompagnent de vitesses totales de circulation présentant les valeurs- indiquées dans les paragraphes précédents.
Particularités saillantes des nouveaux dispositifs séparateurs.
Les matières solides présentes dans l'eau des chaudières et signalées lors de la présentation des données fournies par les essais indiqués plus haut sont celles que l'on rencontre ordinairement dans le
<Desc/Clms Page number 24>
fonctionnement pratique des chaudières à vapeur. Dans les essais en question, ces matières solides étaient constituées, en majeure partie, par de la cendre de soude et du chlorure de sodium , accompagnés de moindres quan- tités de phosphate bisodique , d'amidon et d'impuretés en suspension , telles que sels calciques et oxyde de fer (les constituants en suspension et non dissous ajoutant environ 10 % aux matières dissoutes indiquées antérieurement) .
Leur présence augmente fortement la tendance à la formation de "mousse " dans le cylindre collecteur d'eau et de vapeur 10, ainsi que la tendance concommittante de l'humidité entraînée et des matières solides y associées à passer de l'espace réservé à la vapeur da cylindre collecteur dans la sortie 25.
Le "moussage Il , comme l'écume formée sur un verre de bonne bière, se caractérise par la formation de bulles sur la surface 74 de l'eau da cylindre collecteur (voir figure 2) , jusqu'à ce qu'elles atteignent la sortie de vapeur 25. La mousse se forme, lorsque la pellicule d'eau entourant la bulle de vapeur, telle qu'elle est engendrée à la surface de chauffage, est stabilisée par solides les matières/dissoutes et en suspension dans l'eau.
En d'autres mots, l'enveloppe de la bulle devient dure et ne se brise pas facilement , lorsque la bulle émerge, Si la vitesse à laquelle la mousse est amenée dans le cylindre collecteur excède celle à laquelle est est dé- truite, l'écume finit par remplir le cylindre collecteur.
Les causes principales de cette formation de mousse sont généralement considérées comme étant (a) la forte teneur en matières solides dissoutes et en suspension, (b) l'alcalinité élevée de l'eau, et (c) la présence d'huile , qui se saponifie, de manière à former du savon.
De plus, un niveau d'eau plus élevé que le niveau normal dans le cylindre collecteur accentue les difficultés
<Desc/Clms Page number 25>
dues à la formation de mousse, à cause de la réduction résultante de l'espace réservé à la vapeur entre la surfaee de l'eau et la sortie de la vapeur.
Les nouveaux dispositifs séparateurs suivant l'in- vention se révèlent remarquablement efficaces pour réduire la formation de mousse et de bulles à la surface 74 de l'eau dans le cylindre collecteur . L'eau séparée du mé- lange animé d'un mouvement tourbillonnant à la partie supérieure du tube primaire 52 est confinée étroitement, par le tube extérieur 56, autour de l'extérieur du tube primaire . Ce confinement oblige l'eau sortant dudit tube cau primaire à entrer dans la masse d'@ir du cylindre collec- teur 10 par une section étroite sensiblement à l'inté- rieur et au-dessus de l'extrémité inférieure du tube d'en- veloppement extérieur 56 (voir figure 2).
En conséquence, les bulles qui peuvent être présentes dans le courant descendant d'eau évacuée tendent à s'écraser au contact de la masse d'eau contenue dans le cylindre, bien que l'enveloppe des bulles puisse être dure, à cause d'une forte teneur en matières solides de l'eau de la chaudière . De plus , la tendance à la formation de nouvelles bulles, lorsque le courant d'eau évacué entre en contact avec la masse d'eau contenue dans le cy- is lindre collecteur 10, est minimée par la pression sous laquelle ce contact a lieu et par le confinement étroit de l'espace annulaire entre les tubes intérieur et ex- térieur 52 et 56.
Les recherches entreprises par la demanderesse (étude intensive et expériences conduites pendant plu- sieurs années ) ont montré, par ailleurs, que le dis- positif séparateur 38 fonctionne le mieux , lorsque le manchon collecteur de vapeur 60 a une section trans- versale comprise entre 80 et 90 % environ de celle
<Desc/Clms Page number 26>
du tube primaire .
Pendant la mise au point du nouveau dispositif séparateur, on a noté que l'efficacité de ce dispositif a augmenté progressivement , à mesure que les dimensions du manchon collecteur de vapeur 60 augmentaient depuis 52 % jusqu'à 82 % de la section du tube primaire; que l'efficacité du dispositif séparateur est restée pratiquement inchangée, lorsque ies dimensions du manchon précité ont passé de 82 à 90 % de la section du tube 52 ; et qu'une augmentation de ces dimensions au delà de 90 % de la section du tube en question, a amené une diminution progressive de l'efficacité du dispositif sé- parateur , une diminution brusque de cette efficacité a étant enregistrée lorsque la section du manchon 60/atteint 90 % de celle du tube primaire .
Ces observations indi- quent que la section optima du manchon collecteur doit être comprise entre 82 et 90 %. de le @@@@@ section du tube primaire 52, lorsque le dispositif séparateur est construit et fonctionne de la manière décrite plus haut.
Les recherches exécùtées par la demanderesse ont également établi que l'effet de séchage des plaques on- dulées 68 sur la vapeur passant au contact de ces plaques (après avoir quitté le manchon collecteur 60) est amé- lioré notablement, en raison du traitement préliminaire appliqué à la vapeur dans le tube primaire 52 contenant les ailettes hélicoïdales 54.
En plus de leur action de séparation de l'eau du mélange entrant, les pièces mentionnées en dernier lieu ont également pour effet de briser les bulles de mousse en les écrasant physiquement entre la paroi du tube primaire (pendant le mouvement d'avancement hélicoïdal le long de cette paroi) et contre la pièce formant noyau 55, au moment et après le passage du mélange eau-vapeur à travers les ailettes 54, qui lui
<Desc/Clms Page number 27>
confèrent unàmouvement tourbillonnant. Cette action de rupture préliminaire des bulles réduit la teneur en mousse de la vapeur avant son entrée dans les séries de plaques ondulées 68 et permet ainsi à ces plaques de réaliser la séparation finale de l'humidité avec une efficacité beaucoup meilleure qu'il ne serait possible autrement.
D'autres facteurs encore, qui ne sont pas encore entièrement élucidés, semblent aussi contribuer à donner l'effet en question.
Il existe donc entre les dispositifs de séparation primaireset les dispositifs de séchage secondaires des dispositifs séparateurs 38 une co-action unique et entièrement inattendue , qui contribue, dans une mesure non négligeable , à conférer aux dispositifs séparateurs leur extraordinaire efficacité, révélée par les résultats des essais susmentionnés. En consé- quence, l'efficacité des dispositifs séparateurs suivant l'invention excède grandement la somme des résultats pouvant être obtenus par emploi des dispositifs de séparation primaires et des dispositifs de séchage secondaires, lorsque ces dispositifs fonctionnent sé- parément et sans agir l'un sur l'autre comme il vient d'être dit.
On verra ainsi que les nouveaux dispositifs sépa- rateurs suivant l'invention marquent un progrès notable dans l'élimination des difficultés dues à la formation de mousse, qui; dans les séparateurs connus, ont si sérieusement limité le rendement des séparateurs tra- versés par des mélanges d'eau et de vapeur provenant d'eau de chaudière contenant des matières solides dans les concentrations se présentant dans la pratique.
Il serait évidemment possible de grouper toutes les plaques de séchage secondaire 68 en une seule série
<Desc/Clms Page number 28>
et d'y faire passer toute la vapeur recueillie dans le manchon 60. Les expériences exécutées par la deman- deresse ont montré que l'emploi d'une seule série de pla- ques est moins souhaitable que l'emploi de deux séries, comme décrit plus haut Cette dernière disposition pré- sente l'avantage évident de donner une plus grande compa- cité . De plus, la disposition "équilibrée " résultante donne une séparation plus uniforme de la vapeur à la par- tie supérieure du cylindre collecteur 10, tandis qu'elle contribue à réduire la chute de pression totale dans les dispositifs séparateurs et à réaliser la co-action sus- mentionnée .
Dans chaque cas, toutes les plaques ondu- lées 68 peuvent être alignées, de façon à opérer l'évacua- tion de la vapeur transversalement par rapport au cylin- dre collecteur , comme indiqué à la figure 5. La position de ces plaques peut être réglée (après desserrage des vis 59) de façon que l'évacuation de la vapeur se fasse dans le sens de la longueur du cylindre collecteur ou dans toute autre direction angulaire voulue . Combien encore , certaines-des plaques peuvent être ajustées pour opérer l'évacuation de la vapeur dans une direction et certaines autres pour opérer l'évacuation de la vapeur dans une autre direction.
D'autres avantages des nouveaux dispositifs sépara- teurs suivant l'invention sont leur simplicité , leur et faible coût aux points de vue assemblage/mise en pla- ce . Toutes les parties des dispositifs séparateurs sont aisées à construire et leur coût combiné est relativement faible . L'assemblage des parties servant à la séparation primaire, notamment des tubes verticaux 52 et 56 ,ainsi que des lames ou ailettes 54 et du noyau 55, peut se faire entièrement à l'extérieur du cylindre collecteur 10. Il en est de même de l'assemblage des parties servant
<Desc/Clms Page number 29>
à la séparation secondaire et comprenant les séries de plaques ondulées 68, la plaque déflectrice horizontale 65 et le manchon 60.
L'ensemble des tubes 52 et 56, séparé de l'ensemble formé par le manchon 60 et les plaques ondulées 68 (par desserrage des vis 59) peut être amenée dans le cylindre collecteur 10 par le trou d'homme habituel 30 de 12 sur 16 puces et relié a& compartiment 48 (voir figure 2) par les filets 78 (voir figure 4) dont est pourvue la partie inférieure 52a du diamètre réduit du tube vertical 52. Après cela, l'ensemble tourné par le manchon 60 et les plaques ondulées 68 peut être in- troduit dans le cylindre 10 par le trou d'homme 30, placé sur le tube vertical 56 (voir figure 4) et assu- jetti en place par serrage des vis 59. Une telle mise en place demande relativement peu de temps.
Les treize dispositifs séparateurs 38 ont, en effet, été montésdans le cylindre collecteur 10 (voir figure 5) par un seul homme en trois heures seulement.
RESUME il résulte de ce qui précède que la présente in- vention a pour effet, d'améliorer l'agencement, d'éten- dre l'utilité et d'améliorer le rendement des dispositifs séparateurs de liquide et de vapeur pour générateurs de vapeur d'eau et autres usages comparables; d'augmenter la quantité de vapeur d'eau de siccité et de puraté acceptables, pouvant être extraite d'un cylindre collec- teur de vapeur d'eau et d'eau de longueur et diamètre donnés (ce qui permet de réduire les dimensions, le cône et le poids ducylindre collecteur dans une installation donnée de production de vapeur ; depermettre aux dispo- sitifs séparateurs contenus dans le cylindre collecteur