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CHAUDIERE A VAPEUR
L'invention concerne une chaudière à vapeur, c'est-à-dire un générateur de vapeur et plus particu- librement un appareillage destine à la production de vapeur en brûlant un produit combustible.
Dans la production de vapeur, et particulière- ment lorsque celle-ci est destinée à l'alimentation d'une turbine, le réglage de la température de la vapeur sur- chauffée constitue un problème important..Pour avoir un bon rendement, il faut en effet maintenir cette température
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-aussi près que possible d'une valeur prédéterminée , ' mais sans la dépasser ce qui risquerait d'entraîner certaines détériorations des matériaux..
Un autre pro- blême souvent rencontré dans le grands générateurs de vapeur est que, pendant la combustion, il se forme des oxydée nitreux qui sont évacuée dans l'atmosphère par la cheminée et qu'on pense être à l'origine d'une grande partie ders produite irritant contenue dans l'air de certaines régions. ce$ divers Inconvénient* des gé- nératrurs de vapeur suivent l'art antérieur sont évitée d'une manière nouvelle, par la présente invention*
Un objet principal de la présente invention est donc un générateur de vapeur muni de moyens de ré- glage de la surchauffe à une valeur constante, prédéter- miné*.
Un autre objet de l'invention est un générateur de vapeur comportant des moyens réduisant la quantité d'oxyde nitreux contenu dans les produite de la combustion* la présente invention a encore pour objet un générateur de vapeur muni de moyens de réglage de la surchauffe agissant en même temps sur la quantité d'oxyde nitreux dans les produite de la combustion.
Le générateur suivant l'invention comprend : a) des murs avant, arrière et latéraux définissent une chambre de combustion disposée verticalement. b) Deux épaulements situes sur des murs opposée et définis sant une cellule à haute température à l'extrémité inférieure du foyer. c) Un nez sur le premier des dits murs opposes, délimitant un passage de sortie des gaz à l'extrémité supérieure du foyer.
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d) un dispositif de combustion situé dans la cellule à haute température et produisant une flamme dirigée vers le haut. e) des ouvertures d'admission d'air secondaire disposées sur les deux mure opposés, au-dessus des épaulements. f) une source d'air reliée au dispositif de combustion et aux ouvertures d'air secondaire.
g) un surchauffeur à rayonnement associé au deuxième des dits surs opposes. h) et des moyens de commande, répondant à des variations de la température de vapeur surchauffée, pour modifier la répartition, de l'air entre les ouvertures du dit premier des murs opposés et les ouvertures du dit deuxième des murs opposés, déplaçant ainsi la flua entre les dite murs opposés de façon à maintenir la température de vapeur surchauffée à une valeur prédé- terminée.
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de sa forme d'exécution non limitative représentée sur les dessins annexés t
Fig. 1 est une coupe verticale du générateur de vapeur suivant l'invention*
Fig. 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie de l'invention, suivant la ligne II-II de la fig. 1.
Fig. 3 est une vue schématique de l'appareillage, Rentrant le fonctionnement à forte charge.
Fig. 4 est une vue schématique de l'appareil*- lage, montrant le fonctionnement à faible charge.
Sur la fig. 1, qui montre le mieux les traite généreux de l'invention, le générateur de vapeur est
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globalement déeigné par le repère 10. 11 comprend un foyer 11 et une chaudière 12 montée eux une charpente support 13.Le foyer est du type vertical et comporte un sur avant 14, un mur arrière 15, des mura latéraux 16, un toit 17 et un fond 18 délimitant une chambre de combustion 19. Le mur avant 14 est muni d'un épaule** ment 21 ' avançant vers l'intérieur de la chambre. Le mur arrière 15 comporte un épaulement semblable 22. Les deux épaulements servent à diviser la chambre de combus- tion 19 en une cellule inférieure à haute température 23 et une partie supérieure 24.
Un brûleur à flamme diri- gée 25 est montée sur la face de 1'épaulement 21 qui regarde vers le bas. Un brûleur semblable 26 est monte sur la face de -épaulement 22 dirigée vers le bas* les brûleurs et la disposition générale du foyer sont ceux décrits dans le brevet américain n 2 947 289 du 11 Avril 1956.
A la. partie supérieure du foyer, lemur arrière 15 est muni d'un nez 27 dirigé vers l'avant. La. face supérieure du nez 27 et le toit 17 délimitent un passage horizontal 28 conduisant à une ouverture de sortie des gaz 29* Celle-ci aboutit à un pansage arrière 31 muni d'une chicane verticale 32 qui la divise en une section avant 33 et une section arrière 34. L'extrémité infé- reure du passage arrière 31 est reliée, à travers un réchauffeur d'air 35, à un carne au 36 aboutissant à la cheminée.
La chaudière 12 comprend un ballon d'eau et de vapeur 37, muni de l'équipement habituel de sépara- tion, et relié par des descentes 38 à des collecteurs 39
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et 41 situés Noua le fond du :oyer. Des tubes d'écran d'eau remontent du collecteur 39 le long des surface* du mur arrière 15, de l'épaulement 22 et du nez 27, pour aboutir au ballon 37 dans lequel se dégage la va- peur. De la même manière, des tubes d'écran d'eau re- montent du collecteur 41 le long du mur avant 14, de l'épaulement 21 et aussi du toit 17 pour assurer sa protection.
Les descentes 38 sont également reliées à des collecteurs 42, situés nous les murs latéraux 16, qui alimentent des tubes d'écran d'eau disposés sur les murs latéraux et se terminant dans le ballon 37. Un éoonomiseur 43 est placé entièrement en travers du pas- sage arrière 31, dans la partie inférieure des deux sections avant 33 et arrière 34. Des tubes de vapeur 44 quittent le haut du ballon 37. Certains d'entre eux sup- portent la chicane de séparation 32. Les autres suivent le mur arrière de la section arrière 34 du passage arrière.
Dans les deux cas, ils sont raccordés à leur extrémité inférieure à un surchauffeur à convection à basse tem- pérature 45, situé dans la section arrière 34. La partie supérieure de ce surchauffeur est reliée par une tuyau- terie 46, à l'extrémité inférieure d'un surchauffeur à rayonnement à température intermédiaire 47 adjacent au mur avant 14 du foyer, entre l'épaulement 21 et le tolt 17.
L'extrémité supérieure du surohauffeur 47 est reliée par une tuyauterie 48 à la partie avant d'un surcheuffeur à haute température 49. Ce dernier est constitué par des éléments pendants qui se terminent en une courte section, à transmission par oonveotion, dans le passage horizontal 28, et se raccordant finalement à un collecteur de vapeur
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surchauffée 51.
Un réchauffeur à convection à banne température 52 est placé dans la section avant 33 du passage arrière* Il est relié à sa partie supérieure à un réohauffeur à convection à haute température 53 situe dans le passage horizontal 28 près de l'ouverture de sortie des gas 29- Ce réchauffeur 53 aboutit à un collecteur de vapeur ré- chauffée 54.
Un ventilateur de soufflage forcé 55 fournit l'air au réchauffeur d'air 35, qui, à non tour, envoie l'air réchauffé dans un venturi 56. Ce dernier est muni d'un registre 57 qui permet de répartir l'air entre une chambre de pression 58 fournissant l'air aux brûleurs 25 et 26, et un conduit d*air secondaire 59. Un conduit 61, muni d'un registre 62, relie la chambre de pression 58 aux brûleurs 26 situés ourla face inférieure de l'épaule. ment 22. De même, un conduit 63, muni d'un registre 64, relie la chambre de pression 58 aux brûleurs 25 située aur la face inférieure de l'épaulement 21.
Le registre 64 est relié à un servo-moteur hy- draulique à Mouvement reotiligne 65 qui est raooordé par les lignes 66 et 67 à la sortie d'une commande centrale 68. L'entrée de cette commande oentrale 68 est reliée par une ligne 69 à un dispositif de mesure de température 71 situé dans le collecteur de vapeur réchauffée 54. Un autre dispositif de mesure de température 72,placé dans le collecteur de vapeur surchauffée 51, est raccordé par une ligne 73 à l'entrée de la commande centrale 68.
Le registre 62, dans le conduit 61, est également relié à un servomoteur hydraulique 74 raccordé a. la commande
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centrale 68 par des lignes 75 et 76. Le conduit d'air se'. conduire 59 est relié, par un premier branchement 77, à une ouverture d'air secondaire 78 située dans le mur, avant 14 du foyer, juste au-dessus de l'épaulement 21.
Le conduit 59 est également relié, par un branchement 79, à une ouverture semblable 81 située dans le mur ar- rière 15, juste au-dessus de l'épaulement 22. Un registre 82 est placé dans le branchement 77. Il est relié à un servo-moteur hydraulique 83 connecté à la commande cen- traie 68 au moyen des lignes 84 et 85. De môme, un re- gistre 86, placé dans le branchement 79,est relié à un servo-moteur hydraulique 87 connecté à la commande cen- traie 68 par des lignes 88 et 89.
En bas de la section arrière 34 du passage arrière 31 sont disposés des registres 91 reliés à un aervo-moteur hydraulique 92 connecté à la commande cen- trale 68 par des lignes 93 et 94. En bas de la section avant 33 du passage arrière sont disposés des registres 95 reliés à un servo-moteur hydraulique 96 connecté à la commande centrale 68 par des lignes 97 et 98. Le registre 57, qui règle la répartition de l'air introduit entre la chambre de pression 58 et le conduit d'air se- condaire 59, est relié à un servo-moteur hydraulique 99 connecté à la commande centrale 68 pardes lignes 101 et 102. Des prises de pression 103 et 104 sont fixées sur le venturi 56 et sont raccordées par des lignes 105 et 106 à l'entrée de la commande centrale 68.
La disposition des prises de pression 103 et 104 crée une pression dif- ferentielle entre les deux lignes 105 et 106, indiquant ainsi le débit d'air introduit dans le foyer et par
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,conséquent la. charge du générateur.
Un désurchauffeur 105 est intercalé, de la manière usuelle dans la tuyauterie 46 entre le sur- chauffeur à basse température 45 et le surchauffeur à rayonnement à température intermédiaire 47* La. quantité d'eau injectée dans la vapeur est réglée par la commande centrale 68, au moyen d'une ligne 106 reliant la commande 68 au désurchauffeur 105.
La. commande centrale 68 est d'un type connu Elle reçoit des signaux de différentes sources tel* que des dispositifs de mesure de la charge, par exemple les prises de pression 103 et 104, et des dispositifs de mesure de température, par exemple les prises 71 et 72, et elle les transforme en signaux qui aboutissent à des servo-moteurs par différentes lignes de raccordement* Ces servo-moteurs agissent alors de façon à corriger les variations des température* de ré- chauffage et de surchauffe La nature de cette commande ne fait pas partie de la présente invention et sa con- ception et sa construction sont d'un art connu*
Sur la fige 2, on voit que l'ouverture 78 dans le mur avant 14 du foyer est obtenue en courbant,.
altère Hâtivement, des tubes d'écran d'eau derrière le* tubes qui leur sont adjacents. On obtient ainsi des ouvertures ou fentes entre tubes du mure L'ouverture 81 dans le mur arrière 15 est réalisée de la même façon*
Le fonctionnement du générateur de vapeur suivant l'invention;, exposé ci-dessous aéra-mieux compris à la lumière de la description qui précède. les brûleurs 25 et 26. fonctionnent de la manière habituelle* Ils pro- duisent un mélange de combustible et d'air qui brûle en
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.donnant naissance à une masse de produit* de combustion 107.
La plus grande partie de la flamme visible constituée par cette masse de gaz se termine légèrement au-dessus des épaulements 21 et 22, en raison de la conception parti- culière du foyer et de la présence de la cellule à haute température 23 dans laquelle N'effectua une grande partie de la combustion. Les gaz produite *'élèvent à travers la chambre de combustion 19, contournent le nez 27, travers sent le passage horizontal 28, et, par l'ouverture de, sortie 29, arrivent dans le passage arrière 31. Ils se répartissent alors entre la section avant 33 et la section arrière 34, suivant la position des registres 91 et 95.
Dans certains cas, une partie de gaz peut être dirigée dans une section de by-pass -non représentée- du passage arrière, dans laquelle il n'y a ni éléments de surchauffeur. ni éléments de réchauffeur* Les gaz quittent le passage arrière, traversent le réchauffeur d'air 35 où ils ser- vent à élever la température de l'air introduit dans le @ foyer, et aboutissent dans le carneau d'évacuation 36.
L'eau est chauffée puis vaporisée, la vapeur est sur-* chauffée puis réchauffée, de la façon habituelle, par la masse de gaz qui transmet sa chaleur par rayonnement aux écrans d'eau et au surchauffeur à rayonnement 47, par une combinaison de rayonnement et de convection au surchauffeur 49, et principalement par oonveotion aux éléments de réchauffeur 52 et 53 ainsi qu'su sur chauffeur 45. Pour obtenir un rendement optimum du générateur, de la chaleur est également récupérée dans l'éoonomiseur 43 et dans le réohauffeur d'air 35.
Si le générateur fonctionnait uniquement de cette façon à différentes
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charges, la température de la vapeur .urohautt4. dans le collecteur 51, qui va vers la turbine, diminuerait, cooot à.dire que la courbe de la température de surchauffe en fonction de la charge serait inclinât, avec de* -tempes ratures de surchauffe plue ciblée aux allure. réduites,
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La quantité d*air admise aux brûleurs 25 et 26 est réglée par les registre% 64 et <'2, respectivement, de façon à déplacer la masse de gaz 1OT vers le mur arrière 15 ene le mur avant 14 du foyer. Ceci est obtenu au moyen des eervo..moteura 65 et 74, nous l'action de la commande aera trale 68 agissant par l'intermédiaire des lignes 669, fl7.
75 et 76. Ce mode de déplacement de flamme est décrit dans
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le brevet américain n 2 9' 289. D'une manière générale, cet effet est obtenu par 19,augmentation du débit d'air d'un des brûleurs 25 et 26. A forte charge, comme on le voit sur
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la fig. 3s la flamme et les gaz montent vers le mur arrière 15. En m6me tempe, Ion registres 82 et 86des conduits d'air secondaire 7T et 79 sont réglés au moyen de servo- moteurs 85 et 67y eux-m8mee commandés par la ooamandt centrale 68, par l'intermédiaire des lignes 84, 85 et 88, 89, respectivement. lorsque la charge est élevée, ce qui est signalé à la commande centrale 68 par les prises de pression différentielle 103 et 104 et par leurs ligne.
105 et 106, lea registres sont disposée pour que le débit d'air à travers le conduit 77 et l'ouverture 78 du mur avant, soit beaucoup plus grand que le débit d'air à tra- vers le conduit 79 et l'ouverture 81 du mur arrière. Ceci
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a pour effet de pousser la masse de gaz .0'T vexa le mue arrière du foyer. A forte charge, la quantité totale d'air nécessaire à l'ensemble de, brûleurs 25 et 26 est
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très élevée elle est réglée soit par les registres
62 et 64 fonctionnant simultanément, soit par le moteur du ventilateur de soufflage 55 tournant plus vite.
La quantité totale d'air secondaire admise aux ouvert tures 78 et 81 est également plus importante aux tarte. charges. Toutefois, la répartition reste telle que l'air secondaire venant du mur avant par l'ouverture 78 est prédominant par rapport à celui qui traverse l'ouverture 81 du mur arrière, et les gaz sont repoussés vers le mur arrière. Cet air secondaire a d'autre part pour effet de protéger les murs avant et arrière et de produire une combustion complète de l'oxyde nitreux comme décrit ci- dessous*
A faible charge, les registres 62 et 64 sont disposer pour que les gaz montent vers le mur avant du foyer, par exemple en envoyant davantage d'air au brû- leur 25 qu'au brûleur 26, ce qui repousse la flamme vers le mur avant.
On peut aussi obtenir ce déplacement de la flamme en donnant aux ailettes des brûleurs inter-tubes des positions relatives convenables. En même temps, les registres 86 et 82 sont disposés pour que l'air sortant de l'ouverture 81 du mur arrière soit prédominant, et repousse les gaz vers le mur avant. Ce mouvement de la flamme de l'avant à l'arrière du foyer et inversement* suivant les indications de la commande centrale 68, a pour résultat de maintenir la surchauffe dans le col- lecteur de vapeur surchauffée à une valeur constante prédéterminée.
En effet, à forte charge, la fig. 3 montre que la flamme monte vers le mur arrière 15 et doit suivre un parcours plus long pour continuer le nez 27 ;les gaz
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restent donc plus longtemps dans le foyer, et ils sont plus froids lorsqu'ils atteignent les surfaces d'échange par convection de la chaudière. :En même temps,la flamme est plus éloignée du sur chauffeur à rayonnement 47 et la transmission de chaleur à celui-ci prend une valeur minimal.. ,Au contraire, à faible charge, la fig. 4 montre que la flamme monte vers le mur avant 14- et la trans- mission de chaleur par rayonnement au surchauffeur 47 a une valeur maximale.
En outre les gaz suivent dane ce cas le trajet leplus court autour du nez 27, c'est-à-dire qu'ils restent moins longtemps dans la chambre de combus- tion 19 et qu'il sont à une température plus élevée lors- qu'ils atteignent les surfacez d'échange par convection.
Aux allures comprise. entre la charge poussée et la faible charge, la flamme occupe des positions intermédiaire. entre les murs avant et arrière du foyer* Cette méthode de réglage de la surchauffe peut, dans une forme de réa- lisation pratique, être combinée avec d'autres méthodes* Par exemple ci, dans certaine cas, à forte charge, la température de surchauffe dépasse la valeur prédéterminée malgré le bon fonctionnement du système de déplacement de la flamme, elle peut être réduite par le désurchauf- four 105 sur un signal envoyé à celui-ci à travers la ligne 106* En outre,
les températures relatives de la vapeur réchauffée dans le collecteur 54 et de la vapeur sur- 'chauffée dans le collecteur 51 peuvent être ajustées en réglant la répartition des gaz à travers la section avant 33 sur le réchauffeur à convection 52 et à travers la section arrière 34 sur le surchauffeur à convection 4.
Une réduction complémentaire de la =chauffe peut être
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obtenue, d'une manière connue, en dérivant une partie des gaz à travers une section de by-pass du passage ar- rière dans laquelle ne se trouvent ni éléments de réohauf- feur 52 ni éléments de surohauffeur 45.
Le registre 57 est manoeuvré par le servo-moteur
99 Mitonne par la c ommande centrale 68 par le intermédiaire des lignée 101 et 102. Ce registre répartit l'admission. d'air entre les brûleurs 25 et 26 d'une part, et les ou- vertures d'air secondaire 78 et 81 d'autre part* A forte charge, bien qu'il soit nécessaire d'envoyer beaucoup d'air aux brûleurs pour la combustion, le registre est disposé pour abaisser la proportion d'air dirigé vers les brûleurs* Au contraire, à faible charge, la propor- tion d'air envoyé aux brûleurs est augmentée, pour main- tenir l'allumage. En même tempe il n'est pas nécessaire d'introduire beaucoup d'air secondaire par les ouvertures 78 et 81.
D'une manière générale, la présente invention comprend la répartition de l'air entre les ouvertures d'air secondaire qui sont au-dessus des épaulements 21 et 22, et les brûleurs à flamme dirigée montés sur les faces inférieures des épaulements.
Dans le fonctionnement habituel d'un foyer, le pourcentage d'oxyde nitreux dans le gaz effluent augmente avec la charge d'une façon plus ou moins accentuée. On a constaté que la pante de cette courbe (ou la valeur absolue de l'oxyde nitreux) peut être diminuée en réduisant la vitesse du combustible et de l'air dans le brûleur..
A forte charge, où la vitesse dans le brûleur est naturel.- lement élevée, une partie de l'air de combustion est
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.introduite indépendamment dans le foyer, comme air secondaire. Le point d'introduction est bien sépare de la zone dans laquelle l'air se combine immédiatement au combustible venant du tube du brûleur.
A faible charge, quand il *et nécessaire de mélanger immédiat** ment l'air aveo le combustible pour maintenir l'allu- mage, une partie considérable de l'air est introduite par les brûleurs de façon classique@ plutôt que sous forme d'un courant séparé d'air secondaire* A faible charge, le fonctionnement du générateur correspond à la zone inférieure de la courbe de production d'oxyde ni- treux, pour laquelle la formation de ce produit est très faible* Dans la forme de réalisation préférés, à faible charge,
la plus grande partie de l'air pas** par les brûleurs et la flamme est positionnée de ma- nière à monter vers le mur avant pour que les gas rac- tent moins longtemps dans le foyer et passent plus près tu surchauffeur à rayonnement*. Ce déplacement de la flamme est aidé par l'introduction, d'une plus grand* proportion d'air secondaire par le mur arrière, qui repousse la flamme vers l'avant. A forte charge, on augmente la proportion d'air secondaire, et les brûleurs sont disposés de maniérée, positionner la flamme vers le mur arrière. Les gas séjournent alors plus longtemps dans la chambre de combustion et transmettent moins de chaleur au surchauffeur à rayonnement.
L'air secondaire est réglé de façon à passer en grande partie par le mur avant, pour aider à repousser la flamme vers le mur arrière.
On volt qu'à forte charge, c'est-à-dire lorsque
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la masse des gaz est importante et difficile à régler en position, on utilise une plus grande quantité d'air secondaire, ce. qui aide à pousser la flamme vers l'ar- rière du foyer. A faible charge, c'est-à-dire lorsque la masse des gaz eat faible et qu'il est facile de pla- cer la flamme, l'air secondaire eet également introduit' en faible quantité et il n'a pas à intervenir de façon aussi importante dans le placement de la flammeEn même -Lampa,. à forte charge, où la production d'oxyde nitreux pose un problème, la vitesse de l'air dans le brûleur est réduite, diminuant ainsi la formation d'oxyde nitreux. La combustion reste toutefois complète grâce à l'air seoondaire introduit à cette charge.
11 est entendu que des changements de détail peuvent être apportés dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de la présente invention ; celle-ci n'est pas limitée à la forme d'exécution particulière représentée et dé- orite plus haut*