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PERFECTIONNEMENTS RELATIFS A UN MECANISME DE POMPE CENTRIFUGE COMMANDE PAR
TURBINE A VAPEUR.
La présente invention se rapporte à un nouveau mécanisme per- fectionné de pompe entraînée par de la vapeur, destiné en particulier à être utilisé dans une installation'.de chauffage à vapeur pour ramener l'eau de condensation provenant des radiateurs à un générateur de vapeur. Dans les installations domestiques de chauffage à vapeur et autres installations, il est désirable d'utiliser un circuit fermé à fluide dans le but de conser- ver l'eau et la chaleur et, dans les installations telles que celles dans lesquelles l'eau de condensation ne peut pas être ramenée au générateur par gravité, on doit utiliser une pompe d'un certain type. On trouve des mé- canismes de pompe entraînés par la vapeur et électriquement pour le but indiqué, mais habituellement à un prix relativement élevé.
Les pompes en- traînées électriquement exigent une source d'énergie étrangère à celle de l'installation de chauffage. Un objet de la présente invention consiste à prévoir, pour l'eau de condensation, un mécanisme de pompe simple et peu coutenx, fonctionnant automatiquement et efficacement et qui n'exige pas l'utilisation d'une source d'énergie étrangère.
A cet effet,la présente invention consiste à prévoir d'une manière générale une unité de pompage de l'eau de condensation destinée à être utilisée dans une installation de chauffage ; cetteunité de pompe comprend: un réservoir ouvert ou communiquant avec l'atmosphère recevant l'eau de condensation ; turbine à vapeur ; une pompe pour l'eau de conden- sation comprenant un carter dans lequel se trouve un impulseur et reliée de manière à être commandée par la turbine ; unecanalisation d'aspiration recevant l'eau de condensation, à un niveau inférieur du réservoir ; dis- positif de refoulement situé en partie dans le réservoir ;
enfin, un méca- nisme de soupape rendu cycliquement opérant et inopérant suivant que le niveau est bas ou élevé ou suivant la quantité d'eau de condensation con- tenue dans le réservoir, ce mécanisme étant relié de manière à commander l'envoi('de vapeur à la turbine ; de pompage est caractérisée en
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particulier par le fait qu'une chambre de condensation de la vapeur, reliée de manière à recevoir la vapeur d'échappement provenant de la turbine, comporte une paroi s'étendant au-dessous du niveau le plus bas de l'eau ce condenstion contenue dans le réservoir, en vue de permettre une libre communication rendue hydrualiquement étanche entre la chambre et l'ensemble du réservoir,
cette chambre étant agencée pour retenir la vapeur d' échappement et lui permettre d'échanger sa chaleur d'une part avec le dispositif de refoulement de la pompe, et d'autre part, par l'intermédiaire de la paroi de la chambre, avec l'eau de condensation contenue dans le réservoir, à l'extérieur de la chambre.
Afin de mieux faire comprendre l'invention et de la mettre facilement en oeuvre, on va maintenant la décrire plus complètement en se référant au dessin annexé, sur lequel : La fiG ; est une vue schématique représentant une installa- tion de chauffage à vapeur, du type à circuit hydraulique fermé et l'une des façons d'y relier le mécanisme ou unité de.pompage associé (les dimensions de cette unité étant exagérées par rapport à celles des autres éléments de l'installation); la Fig. 2 est une vue en plan de l'unité de pompage à l'échelle trois-quarts (le couvercle étant démonté); la Fig. 3 est une vue en coupe faite par 3-3 de la Fig. 2.
Sur la Fig. 1, A représente un générateur ou chaudière à vapeur pourvu d'une canalisation de vapeur A' reliée.de manière à alimenter plusieurs appareils de chauffage ou radiateurs, l'un d'eux qui est indiqué en B oompor- tant une canalisation C de retour de l'eau de condensation. La canalisation C est reliée à l'unité de pompage D associée, dont le corps principal 1 est un réservoir non ferme, c'est-à-dire communiquant librement avec l'atmosphére. Une canalisation de vapeur E reliée au générateur alimente un ensemblede turbine à vapeur F de l'unité D par l'intermédiaire d'un mécanisme à sonpape G qui est commandé cycliquement, en réponse à des variations de la hau- teur du liquide ou de la quantité de liquide contenue dans le réservoir, par exemple par un flotteur H.
Le flotteur est relié à la soupape par un mécansme J à leviers ou à action brusque qui effectue l'amenée rapide de la soupape aux positions "ouvert" et "fermé" pour des niveaux maximum et minimum du liquide respectivement. La pompe destinée à l'eau de condensation (impulseur K) reliée à la turbine reçoit l'eau de condensation provenant d'une chambre R à filtre; elle comporte, d'une part, une chambre de pompe L pourvue d'un conduit de sortie de l'eau de condensation et, d'autre part, une partie M constituant une chambre hélicoïdale dont le conduit est disposé pour permettre l'échange de chaleur avec un espace ou chambre N de condensation de la vapeur d'échappement de la turbine, espace ou chambre qui est situé en plein courant liquide, ce qui permet la communication en 0 avec l'espace principal du réservoir contenant le liquide.
La partie N du conduit de sortie de la pompe est reliée de façon classique, par exemple au moyen de la canalisation P, au générateur de vapeur A. l
Si l'appareil de chauffage ou radiateur B de la Fig. 1 est construit conformément à la demande de brevet antérieure de la demanderesse, déposée le 9 juillet 1952, sous le n 400.938, alors la température maximum de l'eau de condensation s'écoulant dans la canalisation C sera limitée par un dispositif de commande de sécurité représenté dans cette demande, de manière à être bien au-dessous du point moyen d'ébullition de l'eau (en fait 77 C), ce qui fait que la température de la totalité de l'eau contenue dans le réservoir 1 est assez basse pour permettre son utilisation comme agent fluide de condensation pour la vapeur d'échappement de la turbine F.
Si l' on ne prévoit aucun dispositif dans le radiateur B pour limiter la température maximum de l'agent de chauffage de-retour, il est alors à supposer
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que d'autres dispositifs de limitation de température sont'utilisés. Nor- malement, le réservoir 1 est situé assez loin des radiateurs pour assurer une température assez basse du liquide dans le réservoir pour permettre de condenser la vapeur d'échappement de la turbine.
Toutefois, la pompe as- sociée, pour des raisons qui deviendront évidentes, est capable de ramener l'eau de condensation à la chaudière, même si l'eau de condensation, telle qu'elle provient des radiateurs, se trouve au point d'ébullition, c'est-à- dire à une température trop élevée pour assurer la condensation de la va- peur d'échappement de la turbine entièrement à l'intérieur de l'unité D.
En se référant aux Figs. 2 et 3, on voit que le corps 1 du réservoir, comme représenté,se représents sous la forme d'un simple récipient rectangulai- re en tôle comportant, d'une part, un rebord 2 tourné vers l'intérieur et régant autour de sa partie supérieure ouverte pour supporter l'ensemble de turbine et de pompe F, L, etc.., et d'autre part des couvercles appro- priées 3 et 4 (Fig. 3 seulement).
Le couvercle 3 ne ferme que la partie du r4servoir dans laquelle sont disposés le flotteur H et les mécanismes reliés J et G de soupape à vapeur à action brusque.Le couvercle 4 cons- titue la paroi supérieure d'un carter d'impulseur de turbine .comportant une partie centrale analogue à une cuvette et s'étendant vers le bas dans le réservoir, ce carter contenant une roue d'impulseur 6 coopérant avec une tuyère à vapeur 7 de la manière représentée à la partie supérieure de droi- te de la Fig. 2. La turbine, comme représenté, est, d'une façon générale la même que celle plus complètement décrite dans la demande précitée Swenson et autres.
Le carter 5d de la turbine, comme représenté, est en tôle et se présente sous la forme d'un plateau peu profond sensiblement rectangulaire,comportant un rebord supérieur '8 s'étendant sur les parois latérales du réservoir et sur l'une des parois d'extrémité du réservoir, ainsi qu'on le voit plus clairement sur la Fig. 2. La partie 8' du rebord 8 supporte un élément 9 qui constitue le corps d'une soupape à vapeur G.
L'élément 9 supporte le flotteur H. La partie 8' du rebord présente une ouverture 10 dans laquelle passe librement la canalisation C de l'eau de condensation provenant du ou des radiateurs. Le côté opposé 8" du rebord 8 porte un raccord 11 auquel est reliée la canalisation P de refoulement de la pompe.
La paroi inférieure du carter 5 de la turbine, à l'endroit d' un ensemble de palier 12 s'alignant de lui-même décrit plus loin, porte l' arbre de sortie 14 de la turbine et l'extrémité inférieure de l'arbre est supportée radialement par un ensemble de palier 15 similaire s'alignant de lui-même, monté sur un tube vertical 16, rigide et cylindrique, s'étendant vers le bas à partir du carter 5 de la turbine et fixé de façon amovible à ce dernier, par exemple au moyen de vis. Le tube 16 constitue la partie principale de la chambre L de la pompe et il entoure l'arbre 14 dont il est radialement espacée Les ensembles de palier et leurs supports se comportent comme des dispositifs de fermeture retenant le fluide de façon étarche aux extrémités supérieure et inférieure du tube 16 en délimitant ainsi la chambre de pompe L sensiblement fermée.
L'ensemble inférieur 15 de fermeture de support de l'arbre (voir Fig. 3) comprend une pièce emboutie 18 sensiblement rectangulaire supportant un filtre dont la paroi supérieure s'incline vers le bas dans toutes les directions à partir de sa zone de fixation au tube 16. Un corps de filtre 20, en couches, de préférence en grande partie en verre filé, est supporté par un cadre 21 en tôle en une seule pièce dont les éléments forment les côtés sensiblement identiques, présentant en section transversale la forme d'un U dont les ailes enserrent les bords du corps du filtre et les parties de la pièce emboutie 18 à rebord continu déporté vers le bas.
La chambre R d'eau filtrée qui se débarrasse d'elle-même des bulles d'air ou de gaz est ainsi maintenue pour alimenter la pompe qui, ainsi qu'on va le décrire, est cons-
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tituée par la partie terminale inférieure creuse de l'arbre 14. Deux éléments (formant les côtés relativement voisins) du cadre 21, par exemple à l'un des coins du bâti, sont fixés ensemble de façon amovible par un organe de serrage son représenté.
On obtient les caractéristiques permettant aux ensembles de paliers 12 et 15 de s'aligner d'eux-mêmes et d'être étanches aux fluides en partie en prévoyant des coussinets 22 et 25 en carbone de forme identique qui présentent chacun, d'une part, un alésage soigneusement poli s' emboîtant exactement sur une partie correspondante de l'arbre 14 de la pompe et d'autre part, une tête sensiblement sphérique 24 reçue dans les parties centrales coopérantes des éléments respectifs 5 et 18.
Les têtes sphériques des coussinets sont maintenues en étroit contact d' étanchéité avec leurs surfaces de support qui les épousent par des disques métalliques de retenue élastiques 26 et 27 coopérant avec les têtes sphériques respectives.
Des bagues élastiques 22' et 22" disposées autour de l'arbre 14 butent contre les extrémités relativement voisines du coussinet 22, pour maintenir l'arbre verticalement en position de travail. L'arbre 14 est de préférence en acier inoxydable et, à part les gorges recevant les bagues élastiques pratiquées dans l'arbre, la partie de ce dernier située dans le moyeu 6' de l'impulseur de la turbine et au-dessous de ce dériver est d'un diamètre uniforme.
Le rotor ou impulseur K de la pompe est un disque métallique circulaire lisse 28 présentant un moyeu 28' permettant la fixation du disque à l'arbre. Le disque présente, de préférence, un alésage de diamètre unique qui constitue deux passages 28 sensiblement radiaux communiquant à leurs extrémités intérieures,avec un alésage axial 30 prévu dans l'extrémité inférieure de l'arbre 14, extrémité de l'arbre qui est toujours immergée dans le liquide contenu dans l'espace R, entre le dispositif de fermeture de la chambre inférieure de la pompe et le filtre 20.
Il'?est important que le mécanisme G, H, J de commande de la soupape à vapeur soit conçu de telle sorte que, si bas que soit le niveau minimum de liquide de l'eau de condensation dans le réservoir, l'impulseur de la pompe se trouve au-dessous de ce niveau. En supposant une telle conception et une capacité d'écoulement importante du filtre, le mécanisme, en partie grâce au maintien d'eau moins une certaine hauteur d'eau d'alimentation de la pompe, assure le réapprovisionnement en eau de la chaudière, que toute la vapeur d'échappement de la turbine (par exemple par suite de la température trop élevée de l'eau de condensation de retour provenant des radiateurs) soit ou non condensée dans la chambre N.
Les faces axiales lisses du disque impulseur 28 et sa périphérie circulaire lisse se trouvent à des distances importantes des parois environnantes les plus proches délimitant la chambre L de la pompe, de manière que le fluide aspiré dans l'alésage 30 de l'arbre et éjecté par la force centrifuge par les passages radiaux 29 soit libre de s'écouler dans n'importe quel sens voulu à distance de l'impulseur.
Le raccord de sortie aboutissant à la chambre de la pompe (raccord 32 des- tins au conduit de sortie en hélice que l'on va décrire plus loin) est situé, de préférence, près de la partie supérieure de la chambre de la pompe afin qu'aucun volume appréciable d'air ou de vapeur pouvant être entraîné dans l'eau, par exemple par suite de l'action de la pompe à très.grande vitesse, sur l'eau de condensation à température élevée, ne soit retenu dans la chambre de la pompe.
La vapeur d'échappement sortant de la chambre de la turbine passe par les orifices d'échappement 34 prévus dans le carter 5, dans une chambre ou espace annulaire N de condensation formée autour de la pare-i 16 de la chambre de la pompe et constituée en partie par cette paroi 16 so-
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opérant avec un manchon en tôle 36 qui l'entoure relativement. Le manchon 36 est convenablement étanchéité à son extrémité supérieure autour de la péri- phérie externe du carter 5 de la turbine au moyen duquel le manchon est sup- porté dans le réservoir.
L'extrémité inférieure du manchon 36 est laissée ouverte, par exemple en ménageant un espace uniforme au-dessus du fond du réservoir, mais cette extrémité du manchon est continuellement immergée dans l'eau (le bord inférieur de manchon se trouvant au-dessous du niveau mini- mum de l'eau permis par l'action cyclique du mécanisme commandé par flot- teur, ainsi qu'on va le voir), afin de maintenir un joint hydraulique pour la chambre.
Normalement, pour assurer la condensation de toute la vapeur d'échappement de la turbine dans l'espace annulaire N, le raccord de sortie
32 de la chambre de la pompe est relié au serpentin unique hélicoïdal M en tube métallique, aboutissant au raccord de sortie 11: ceci constitue une chambre à agent de condensation présentant une surface utile échangeu- se de chaleur relativement grande dans la chambre ou espace N et concentri- que à ce dernier pour offrir davantage de surface à la vapeur d'échappement de la turbine, au fur et à mesure que son volume augmente ou- que l'espace qui lui est réservé est agrandi par suite de l'abaissement du niveau géméral de l'eau dans le réservoir.
En outre, le serpentin M présente une aire de surface de condensation adéquate assurant la retenue de la vapeur d' échappement dans la chambre N soins une pression négligeable, de manière que l'efficacité de la turbine ne ten de pas à être réduite par augmentation de la pression de la vapeur d'échappement et de manière qu'aucune fraction de la vapeur d'échappement ne soit éjectée dans l'espace de l'ensemble du réservoir communiquant avec l'atmosphère autour du manchon 36, ce qui aurait pour conséquence une déperdition d'eau de l'installation de chauffage.
Les surfaces utiles du tube 16 délimitant la chambre de condensation, du manchon environnant 36 et du tube de refoulement M de la pompe augmentent toutes au fur et à mesure que la hauteur de la colonne d'eau retenant la vapeur maintenue à l'intérieur de l'espace disponible N de la chambre de condensation diminue.
La chambre de la -soupape à vapeur constituée par l'élément 9 est normalement fermée par un clapet 40 du type à champignon pour arrêter le passage de la vapeur arrivant à la tuyère 7 de la turbine. Urne tige 41 du clapet glisse dans un orifice de guidage prévu dans l'élément 9, au-dessous duquel la tige est munie d'une pièce à double rebord ou "bobine" 42.
Une chape 43 de section en U est fixée rigidement à l'extrémité inférieure de la pièce 9 et la chape est conçue pour constituer un support pivotant libre 44' destiné à recevoir une fourchette 44 qui commande -la soupape à vapeur et se présente sous la forme d'une plaque métallique rigide et, pour former ou constituer en outre, un autre axe d'articulation libre 45' situé différemment, destiné à recevoir un étrier basculant 45 à action brusque, représenté sous la forme d'un U sur la Fig. 2. La plaque-fourchette 44 emserre étroitement la "bobine" 42 de la tige de la soupape.
L'étrier 45 est directement fixé à un bras rigide 46 supportant le flotteur et deux ressorts de tensions 47 à boudin sont reliés, pour permettre l'action de basculement brusque à dépassement de centre, d'une part à l'étrier 45 et d'autre part à la plaque 44 commandant la soupape.
Des saillies 48 verticalement espacées l'une de l'autre sur l'étrier 45 et disposées de manière à buter contre une aile latérale 4411 (Fig. 2) de la plaque 44, tendent à assurer le mouvement d'ouverture et de fermeture de la soupape à vapeur (lorsque le flotteur approche de ses positions supérieure et inférieure déterminées par le niveau de l'eau, respective- , ment) en cas de détérioration des ressorts 47 ou bien dans le cas où la soupape ou sa plaque de commande 44 ne peuvent pas, pour une raison quelconque, être déplacées librement par la seule action élastique. de basculement.
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Les ressorts 47, en vue du réglage de leurs forces utiles, et dans le but de permettre de les réaliser économiquement et d'être d'une longue durée, sont fixés, à leurs extrémités, par des vis à métaux 49 dont les têtes ont des surfaces inférieures arrondies et sont logées dans des évidements coniques prévus dans les pièces supportant ces vis. la partie filetée de ces vis étant vissée dans les spires. d'extrémité des ressorts. Les spires bloquent efficacement les vis, par une action bien connue de "blocage par ressortit contre toute rotation dans le sens nécessaire à la libération de la tension réglée des ressorts et empêchent, de façon convenable, les vis de tourner en sens inverse uniquement par frottement.
En se référant en outre au fonctionnement du mécanisme décrit ci-dessus, on voit que la soupape à vapeur G reste fermée jusqu'à ce que l' accumulation de l'eau de condensation dans le réservoir 1 provoque le soulèvement du flotteur H jusqu'à environ sa position représentée en traits pleins (Fig. 3);ensuite, la turbine commande la pompe K de l'eau de con- densation pour alimenter le générateur A Jusqu'à ce que l'épuisement de l' eau de condensation dans le réservoir permette au flotteur de venir occuper approximativement sa position représentée en traits mixtes, position dans laquelle le passage de la vapeur est rapidement et complètement interrompu, ce qui termine le cycle opératoire. La pression de la vapeur et la force des ressorts du mécanisme à action brusque maintiennent la soupape G complètement fermée.
Grâce au modèle de turbine représenté, la charge légère imposée à la turbine par l'impulseur circulaire relativement petit K de la pompe dans sa chambre non fermée et grâce aux paliers de l'arbre 14 (en carbone, s'alignant d'eux-mêmes et sensiblement exempts de frottement), la turbine (alimentée en vapeur sous une pression d'environ 0,42 à 0,70 Kg/cm2, ce qui représente une pression type pour le chauffage domestique) fait tourner son ensemble d'arbre de sortie à une vitesse comprise entre 5.000 et 7.000 t.p.m. On a constaté que pour une pression de vapeur de 0,70 Kg/cm2, la pompe débitait environ 181 litres à l'heure.
La vapeur d'échappement de la turbine est complètement condensée sans perte par respiration dans la chambre N à une vitesse telle qu'elle permette l'action efficace de la turbine si la température de l'eau de condensation, lorsqu'elle retourne à l' unité D, se trouve au-dessous de 82 C
Dans le cas où, par suite d'un mauvais fonctionnement (par exem- ple par suite des corps étrangers retenus) du mécanisme de soupape J à action brusque, la soupape à vapeur n'est pas complètement fermée et que la turbine n'est par conséquent pas alimentée en vapeur à un débit assez élevé pour assurer la rotation à vitesse élevée de son impulsour, l'accumulation de vapeur dans l'espace N de la chambre de condensation provoque l'enfoncement de la colonne d'eau dans cette chambre,
ce qui tend à soulever le niveau de l' eau dans la partie contenant le flotteur ou partie principale du réservoir, en ainsi le mécanisme de basculement brusque à ouvrir complètement et rapidement la soupape à vapeur. Etant donné que la chaleur de la vapeur utilisée pour faire fonctionner la turbine est principalement renvoyée au générateur de vapeur avec l'eau de condensation sortant de la pompe, la dépense opératoire du mécanisme décrit est négligeable. Même la perte par frottement se conserve sous forme de chaleur.
REVENDICATIONS.
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