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La présente invention concerne un procédé de production de force motrice, utilisant un fluide élastique à haute pression, et un groupe générateur de vapeur tubulaire.
Plus particulièrement l'invention concerne la production de vapeur à haute pression pour engendrer une force motrice, et la surchauffe'et réchauffe concomitantes de la vapeur produitepour utiliser celle-ci dans un moteur comprenant plusieurs étages utili- sant la vapeur chauffée à des pressions différentes. L'invention comprend l'appareil et le procédé destinés à régler la température ou les températures de la vapeur surchauffée et .de 'la vapeur réchau
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fée de telle manière que cette ou ces températures puissent être maintenues pratiquement à une ou plusieurs valeurs prédéterminées dans une large gamme de charges, au lieu de varier largement au détriment du rendement de la production de force motrice.
La présente invention comprend un procédé de production de force Motrice suivant lequel on brûle du combustible pour four- nir des gaz de chauffe à haute température, ou produit un fluide élastique à haute pression par la transmission de la chaleur, prin- cipalement par rayonnement dans une chambre de rayonne.Lient., des gaz de chauffe à haute température à un liquide vaporisable localisé, ou surchauffe le fluide élastique, ou détend le fluide élastique surchauffé dans une série d-'étages du moteur et ou réchauffe le fluide élastique entre les étages,
le procédé étant caractérisé en ce que la réchauffe du fluide élastique s'effectue en transmet- tant principalement par rayonnement la chaleur des gaz de chauffe à haute température avant qu'ils niaient perdu un degré notable de chaleur en cédant de la chaleur par convexion, le fluide élastique passant dans le premier étage de détente étant surchauffé par trans.
mission, principalement par convexion, de la chaleur des gaz après que ceux-ci ont perdu de la chaleur par la rechauffe, des gaz de chauffe étant prélévés, lorsqu'ils ont perdu de la chaleur par ces- sion à des surfaces d'échange de la chaleur par convexion et intro- duit dans la chambre de rayonnement en un point situé à distance de l'entrée des gaz dans une zone de réchauffe en vue de réduire la transmission de chaleur par rayonnement au liquide vaporisable et augmenter la surchauffe de la vapeur, le pourcentage des gaz de chauffe ainsi prélevés, et introduits en cet endroit étant réduit en fonction inverse des variations de l'allure du feu pour maintenir une température appréciable de surchauffe prédéterminée dans une certaine'gamme de charges,
la température des gaz pénétrant dans la zone réchauffe étant réglée par prélèvement de gaz de chauffe lorsqu'ils ont subi une perte de chaleur par cession à des surfaces d'échange de chaleur par convexion, ces gaz prélevés comme gaz modé-
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rateurs de température étant introduits dans les gaz de chauffe à haute température en un endroit situé à proximité de l'entrée des gaz dans la zone de réchauffe et entre la zone de chauffe et une zone de combustion, et le débit des gaz modérateurs de température recyclés étant varié pour augmenter le débit lorsque l'allure du feu augmente et réduire le débit lorsque l'allure du feu diminue.
L'invention comprend aussi un groupe générateur de vapeur tubulaire du genre comportant une chambre de combustion pourvue de tubes de parois vaporisants, un. surchauffeur et un réchauffeur, le réchauffeur de vapeur étant agencé pour être chauffé principalement par rayonnement, celui-ci étant, formé au moins en partie par des panneaux ou plateaux tubulaires largement espacés disposés dans une partie de la chambre de combustion et répartis en travers de celle- ci à proximité d'un parcours de gaz partant de la chambre, le sur- chauffeur étant agencé pour être chauffé principalement par con- vexion, celui-ci comprenant un faisceau de tubes intimement rappro- chés disposé dans le parcours de gaz en aval du réchauffeur par rap port ou sens de circulation des gaz,
des dispositifs de recyclage des gaz étant agencés pour prélever des gaz de chauffe lorsque ceux-ci ont perdu une certaine quantité de chaleur par cession au surchauffeur, et pour introduire des gaz recyclés à un débit déter-. miné par un premier dispositif régulateur de débit de gaz, comme gaz modérateurs de température à l'intérieur de la chambre de coin- bustion en un point situé à proximité du réchauffeur et entre un dispositif brûleur de combustible et le réchauffeur, et pour intro- duire des gaz recyclés à l'intérieur de la chambre de combustion à un débit déterminé par un second dispositif régulateur de débit de gaz et en un endroit situé en un point éloigné du réchauffeur.
L'invention sera décrite ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins partiellement schématiques annexés, dams lesquels :
Figure 1 est une vue en élévation de côté, partiellement en coupe verticale d'un groupe-générateur de vapeur, et
Figure 2 est une coupe horizontale suivant la ligne 2-2
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de la figure 1.
Comme le montrent ces dessins, le groupe comprend des tu- bes vaporisants, tels que les tubes 10 de la paroi avant, les tubes 12 de la paroi arrière et les tubes 14 et 16 des parois latérales, qui conjointement avec des isolants thermiques appropriés indiqués de 18 à 22, forment au moins les parties, principales des surfaces délimitant la chambre de combustion allongée verticalement 24, et d'un parcours de gaz horizontal 26 qui y est associé.
Les tubes va- porisants des parois de la chambre de combustion sont reliés d'une manière appropriée à un système circulatoire comprenant les collec- teurs inférieurs 28 et 32 des parois avant et arrière et les collec- teurs des parois latérales tels que le collecteur 30, les colonnes de descente 36, des circulateurs, tels que les circulateurs 34 pour envoyer l'eau des colonnes de descente dans les collecteurs infé- rieurs, le corps cylindrique de vapeur et d'eau 38, des raccorde- ments circulatoires tels que ceux indiqués en 40 et 42 et les col- lecteurs supérieurs 44 des parois latérales.
En service, les tubes vaporisants déchargent des mélanges de vapeur et d'eau dans le corps cylindrique 38, où des dispositifs appropriés tels par exemple, que ceux représentés sur les figures 17, 18 et 19 du brevet belge 434.096, sont prévus pour séparer 1' eau de la vapeur.
La vapeur séparée passe du corps cylindrique par une série de conduits, tels que ceux représentés en 46, à une paire de collecteurs supérieurs, tels que 48, d'où. la vapeur descend dans des tubes 50 et est chauffée dans ces tubes qui sont disposés dans le plan d'une paroi le long des parois latérales d'un tournant 52 et d'un parcours de gaz descendant sous-jacent 54. Les tubes 50 se ter- minent dans les branches 56, correspondant aux parois latérales, d' un collecteur en forme de U disposé à la partie inférieure du par- cours de gaz descendant 54. Des branches 56 parallèles aux parois latérales, la vapeur passe dans la partie intermédiaire 58 du col- lecteur en forme de U et de là, en partie, de bas en haut dans les tubes 60 disposés dans le plan d'une paroi arrière 62 et, en partie,
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dans une autre rangée de tubes, dont les parties inférieures 64 sont horizontales et les parties verticales 66 qui les continuent sont disposées dans un même plan le long d'une paroi 68 et se prolongent vers le haut pour former un écran de tubes verticaux 70 disposé en- tre le parcours de gaz 26 et le tournant'de gaz 52. Les sections 70 des tubes se prolongent vers le haut jusqu'à un collecteur de sur- ¯ chauffeur 72 auquel les extrémités supérieures de tubes 60 sont également raccordés.
Du collecteur de surchauffeur 72, la vapeur passe par une série de conduits 74 à un collecteur de surchauffeur 76 auquel sont raccordées les entrées de tubes sinueux qui forment un faisceau 78 de sections tubulaires verticales, intimement rapprochées, consti- tuant un surchauffeur primaire par convexion, l'espacement et la dis position des rangées,de sections tubulaires dans ce faisceau de tu- bes étant indiqués sur la figure 2.
Les sorties des tubes constituant le surchauffeur primaire 78 communiquent avec un collecteur de sortie de surchauffeur primai- re 80 d'où la vapeur passe par un conduit 82, un régulateur-modéra- teur de température de vapeur à pulvérisation 84 et un conduit 86 à un collecteur d'entrée 90 d'un surchauffeur secondaire par convexion 92, le régulateur-modérateur de température à pulvérisation étant de préférence du type représenté et décrit dans le brevet belge n 475. 434 et opérant de préférence en fonction de variables appro- priées comprenant la température finale de la vapeur surchauffée, pour augmenter la quantité d'eau projetée dans la vapeur lorsque la température de celle-ci tend à dépasser une valeur optimum.
Le surchauffeur secondaire 92, comme le surchauffeur pri- maire 78 est constitué de tubes sinueux comportant des sections tu- bulaires verticales intimement espacées. Ainsi, des sections butu- laires'' sont disposées en plateaux, comme ceux indiqués en 93 sur la figure 2, dans des positions relatives intimement rapprochées et ré- parties, comme un faisceau de -tubes, entièrement en travers du cou- rant gazeux dans le parcours de gaz latéral 26.
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La vapeur surchauffée partant du surchauffeur secondaire 92, passe dans un collecteur 94 et de là, par un conduit 96, à 1' entrée 98 de l'étage à haute pression 100 d'une turbine à vapeur.
Après sa détente dans cet étage 100 de la turbine, la vapeur est envoyée par le conduit 102 dans un collecteur d'entrée 104 d'un réchauffeur. Dans ce dernier, la vapeur parcourt des groupes de tubes,chaque groupe comprenant un certain nombre de tubes couplés en parallèle et chaque groupe comportant une série de sections tubu- laires verticales couplées de manière que la vapeur les parcourt.
Ces groupes de tubes forcent trois rangées de plateaux 106, 108, et 110 et dans chaque plateau les.sections tubulaires sont contiguës leurs axes longitudinaux se trouvant dans un plan commun. Dans la rangée 110, les plateaux sont intimement rapprochés de façon à cons- tituer un faisceau de tubes rapprochés s'étendant entièrement en tra vers du parcours de gaz 26 et recevant la chaleur principalement par. convexion.
Les plateaux des autres rangées 106 et 108 sont disposés suivant des plans médiaux fortement espacés, à la partie supérieure de la chalabre de combustion 24, cette disposition ayant pour effet de transmettre la chaleur des gaz de combustion à haute températu- re aux plateaux des rangées 106 et 108 principalement par rayonne- ment, et de réduire au minimumles effets préjudiciables de l'accu- mulation de particules solides sur les tubes.
La vapeur passe ensuite des rangées de tubes constituant le réchauffeur à un collecteur de sortie 111 du réchauffeur et de là, par un concu,it 114, à l'entrée d'un étage à plus basse pression 112 de la turbine à vapeur.
Pour la chauffe de la chambre de combustion 24, on emploie des rangées horizontales 116, 117 et 118 de brûleurs à combustible pulvérisé et lorsque toutes les rangées de brûleurs sont en action en cas de charge élevée, la température des gaz de combustion à l' intérieur de la partie inférieure de la chambre de combustion 24 peut s'élever au point de nécessiter sa réduction avant que les gaz ne pénètrent dans la zone de réchauffe de la vapeur.
Cette réduction de la température s'effectue en prélevant d'une trémie 120, située à
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la partie inférieure du parcours de gaz descendant 54, des gaz de combustion au moyen d'un ventilateur 122 et de conduits associés @4, 125, 126, 127 et 128 et en introduisant ces gaz dans la cham- @e de combustion 24 par des ouvertures ménagées entre des parties intermédiaires 130 des tubes de paroi de la chambre de combustion, ces ouvertures étant ménagées en recourbant des tubes d'ordre im- pair pour les faire sortir du plan de la paroi, de manière à consti tuer des écrans arquées 132 et 134.
Le débit des gaz recyclés comme gaz modérateurs de température par les conduits 124 et 128 peut être' réglé par les registres ou papillons,' tels que ceux indiqués en 136 entre les conduits 125 et 126. Ce débit peut être réglé automati- quel!lent pour maintenir la température de réchauffe à une valeur prédéterminée dans une gamme de charges étendue, en fonction de variables appre iées comprenant la température finale de la vapeur réchauffée et le débit de vapeur, le débit des gaz modérateurs de température étant réduit à mesure que la charge diminue.
Le réchauffeur est calculé pour assurer la température de réchauffe requise à une charge partielle déterminée, qui est ha- bituellement proche de la charge minimum à laquelle la température de surchauffe peut être maintenue à sa valeur requise, la tempéra- ture de réchauffe étant maintenue à la valeur voulue jusqu'à pleine charge en augmentant le débit des gaz modérateurs de température depuis un minimum à charge partielle jusqu'à un maximum à pleine charge. Les gaz modérateurs de température., en limitant la tempé- rature des gaz de combustion à leur entrée dans la zone de réchauffa déterminent ainsi l'état d'encrassement et des dépôts de scories dans cette zone.
La chambre de combustion 24 est soumise à un degré suffi- sant de refroidissement par les tubes vaporisants pour que, lorsque la chambre de combustion est chauffée à des températures supérieures à la température de fusion des particules incombustibles du char- bon, ces particules se séparant du courant de gaz soient rendues relativement sèches ou solides et sortent de la chambre de combus-
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tion par un goulet 144 du fond en forme de trémie délimité par une partie des tubes vaporisants.
Pour compenser une caractéristique inhérente du surchauf- feur par laquelle il tend produire une température finale de la vapeur inférieure à la température optimum- pendant que la charge descend dans une partie inférieure de la gamme des charges, on aug- mente le dbit des gaz recyclés par les conduits 140, 141, et 142 dans le goulet en trémie 144, ce débit de gaz recyclés étant réglé par des registres ou papillons 146, de préférence automatiquement en fonction d'une combinaison de variables comprenant la charge, le taux de vaporisation et la température finale de la vapeur sur- chauffée.
Lorsque la charge diminue et que le débit de gaz recy- clés dans le goulet de trémie augmente, la proportion de la chaleur disponible absorbée par les tubes vaporisants des parois de la chai.i- bre de combustion diminue et la quantité accrue des gaz passant sur le surchauffeur primaire 78 et le surchauffeur secondaire 92 cède cet appoint de chaleur accru à ces sections du surchauffeur, de telle sorte que la température finale de la vapeur surchauffée est maintenne à une valeur optimum ou valeur prédéterminée.
Dans les conditions mentionnées dans le paragraphe précÉ- dent, comportant une réduction de l'allure du feu des brûleurs des rangées 116, 117 et 118, il peut y avoir une diminution de la tem- pérature des gaz passant entre les plateaux des rangées de plateaux 106 et 108 du réchauffeur chauffés principalement par rayonnement, mais cette diminution de' la température du gaz est proportionnelle- ment inférieure à la réduction du débit de va.peur passant dans le réchauffeur.
Ainsi la tendance de cette section du réchauffeur dans les conditions pertinentes est de produire une température de vapeur surchauffée supérieure à la température prédéterminée ou la tempé- rature optimum, mais cette tendance de cette section du réchauffeur est, dans une certaine mesure, compensée par la tendance opposée de la section 110 du réchauffeur chauffée principalement par con- vexion. Le rapport optimum'des deux sections différentes du réchauf-
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feur est tel que., dans les conditions pertinentes comprenant une charge décroissante,
un débit décroissant de gaz recycles dans les lumières d'entrée du gaz modérateur de température entre les parties intermédiaires 130 des tubes de parois de la chambre de combustion et un débit croissant des gaz recyclés dans le goulet à trémie 114, la température finale de la vapeur réchauffée est maintenue à une valeur optimum dans une gamme de charges étendue. Une telle gamme de charges étendue comprend la partie supérieure de la gaulée de char- ges totale dans laquelle, en cas de charge croissante, le débit de gaz recyclés par le goulet de la trémie est tombé à un minimum ou a cessé, et il y a débit maximum de gaz modérateurs de température par les conduits 124 à 128.
Dans la partie la plus élevée de la gamme de charges, la tendance du surchauffeur par convexion a pour effet de produire une température de surchauffe supérieure à la température optimum mais ceci est compensé en grande partie par une diminution de la tempé- rature des gaz passant sur.le surchauffeur par suite de l'introduc- tion, à l'endroit des arcs 132 et 134, de la quantité maximum de gaz modérateurs de température destinés à être mélangés aux gaz non re- cyclés partant directement des brûleurs des rangées 116, 117 et 118.
Lorsque la charge ou le taux de vaporisation diminue en partant d'une charge maximum., la proportion des gaz recyclés est de préférence réglée automatiquement en fonction de variables telles que les "représentations" du taux de vaporisation, celles de la temp- p@rature de la vapeur réchauffée. celles de la température de la va- peur surchauffée. Lorsque la charge diminue, un plus grand pourcen- tage de gaz recyclés est amené à passer par le goulet de trémie 144, et par conséquent un plus faible pourcentage de gaz passe par les lumières d'entrée des gaz modérateurs de température entre les sec- tions 130 des tubes de parois de la chambre de combustion.
Ces effets se prolongent jusqu'à la partie la plus basse de la gamme des char- ges sur laquelle le recyclage des gaz opère effectivement pour ré- gler la température de la vapeur lorsque le pourcentage maximum de
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gaz recyclés passe par le goulet de trémie 144 et un pourcentage minimum par les sections d'entrée de gaz modérateurs de température entre les sections 130 des tubes de parois de la chambre de combus- tion.
Le débit de gaz recyclés par le goulet 144 du fond en tré mie de la chambre de combustion est réglé principalement en fonc- tion de la variation de température de la vapeur surchauffée et le débit des gaz modérateurs de température, par les lumières d'entrée de la chambre de combustion entre les sections de tubes 130, est réglé principalement en.fonction de la température de la vapeur réchauffée et, dans ces conditions, le débit total de gaz recyclés, comprenant le débit par le goulet 144 de la trémie du fond et le débit de gaz par les ouvertures entre les sections 130 des tubes de parois, peuvent ne pas rester constants sous des charges varia- bles.
Si l'on se réfère encore à la figure 1 des dessins, on constate qu'à la partie inférieure du parcours de gaz descendant 44 se trouve un économiseur qui comprend un faisceau supérieur 160 de sections de tubes intimement rapprochées et couplées en série et un faisceau de tubes inférieur semblable 162. Ces faisceaux de tu- bes s'étendent entièrement en travers du courant des gaz de combus- tion et sont agencés pour assurer un courant continu d'eau d'un col- lecteur.d'entrée d'économiseur 164 à un collecteur de sortie d'éco- nomiseur 166 d'où des connexions tubulaires appropriées sont reliées à la chambre d'eau du corps cyclindrique 38.
Après avoir passé sur les faisceaux 160 et 162 de tubes de l'économiseur, les gaz de chauffe qui ne sont pas recyclés pas- sent par un raccord de sortie 168 pour se rendre dans un réchauffeur d'air (non représenté) destiné à chauffer de l'air comburant secon- daire qui doit être envoyé par une conduite appropriée à la boîte à vent 170 dans laquelle les brûleurs des rangées 116, 117 et 118 sont montés.