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BREVET D' INVENTION monsieur Adolf BARTSCH - Ingénieur 5, Landsbergerstrasse, Halle an der Saale (Allemagne) "PROCEDE ET APPAREILLAGE POUR LA PRODUCTION RAPIDE DE VAPEUR"
La présente invention a pour objet un procédé et un appareillage pour la production rapide et sans danger de va- peur, à toutes températures et pressions,dans lesquels l'eau d'alimentation est/vaporisée sous forme pulvérisée dans un pulvérisateur-vaporisateur rotatif disposé extérieurement à la chaudière.
L'invention vise essentiellement les objectifs ci-après:
L'installation assurera la production de vapeùr pour la force motrice, le chauffage, la cuisson, le séchage, etc, sans danger d'explosion, sensiblement de façon aussi rapide, qu'un moteur produit de la force motrice. En outre, l'instal... lation assurera en même temps les besoins en force motrice et en chaleur d'une exploitation. L'installation suivant l'invention, tout en ayant un rendement de vaporisation très élevé présente un encombrement réduit; en raison de la vaporisationrapide, automatique, de grandes masses d'eau jouant accumulateur de chaleur ne 'sont pas nécessaires.
Ainsi que l'indique la disposition constructive repré- sentée à titre d'exemple eu dessin .annexé, l'installation comporte essentiellement un faisceau de tubes chauffés et un
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groupe "force motrice" et"alimetation", (figs. 1 et, 3).
Fig. 3 est une vue d'un,- détail.
Le groupe de force motrice à vapeur 1 (turbine ou machine à vapeur) peut présenter toute forme et boute grandeur; ou bien ses dimensions sont telles qu'il sert uniquement à' la commande du groupe "alimentation", ou bien eocre son im- portance lui permet de céder de l'énergie mécanique, par exem- ple lorsqu'il est accouple à une dynamo. Ce groupe peut fonc¯ tionner à condensation, ou encore la vapeur de la décharge (ou éventuellement prélevée) peut être réemployée à une ten- sion quelconque pour le chauffage,, la cuisson, le séchage, etc..
Le retour des produits de condensation à l'alimentation est, en tous cas, aisément réalisé.
La figure 1 montre en coupe longitudinale et médiane, et la figure 2 montre, de face, extérieurement dans sa moitié de gauche et en coupe transversale et médiane dans sa moitié de droite, un faisceau de tubes de chauffe. monté sur une plaque 1 assemblée de façon amovible, 'lui se compose de plusieurs séries d'éléments tubulaires 2 et 9. Dans cet exem- ple, les tubes -8 constituent des éléments de surchauffe de la vapeur de circulation et d'utilisation, tandis que les tubes9forment réchauffeur d'eau.
Le nombre des éléments tubulaires ±. et .±!. peut être quel- conque, non seulement dans une disposition superposée mais aussi dans une disposition adjacente. Les coudes do retour antérieures, 10, sont montés amovibles, de préférence à vissage, ,en vue du nettoyage intérieur et 'de la facilité de remplacement des éléments tubulaires..
L'alimentation en vapeur et en eau, de même que le rassemblement de la vapeur et de l'eau pour les séries d'éléments, s'effectuent avantageusement par des boîtes de distribution également amovibles, Il et 13, et des collecteurs, 12 et ¯14, lorsque l'échauffement(de la vapeur et de l'eau) s'obtient'à contre-courant des gaz de foyer 1,5.Le foyer principal 16est. entouré, en dessous et
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latéralement, par un réchauffeur d'eau 17, à l'avant par la paroi avant18 et à l'arrière par la, paroi arrière 19.
Les deux parois. ¯18 et 19 sont refroidies à l'eau et isolées du côté foyer, avantageusement par un revêtement de chamotte ou de briques réfractaires. '
Les combustibles liquides, gazeux ou pulvérulents (les premiers éventuellement pulvérisés) introduits en 20 attei- gnent, en même temps que l'air de combustion, le foyer 16 pour y être brûlés. Les ga,z de combustion ba,layent les 'séries d'éléments tubulaires 8 et 9 pour leur céder de la chaleur, traversent le conduit des- fumées 21, balayent ensuite le réchauffeur d'eau supérieur 22, traversent le conduit de fumée 23 (fig. 2) pour lécher le réchauffeur d'air 24, passer au collecteur de fumées 25 et s'échappent à la cheminée 26.
Les réchauffeurs 17 et 22 peuvent être multi-séries tandis que le réchauffeur d'a-ir 24 peut être à compartiments multi- ples. Pour guider les gaz de combustion ou gaz des fumées, le réchauffeur 17 est constitué. dé tubes à ailettes et l'on prévoit en outre une cloison 35..
Extérieurement au foyer 16 on prévoit un foyer de mise en marche ou d'amorçage 27 qui est limité respectivement par le réchauffeur 17 et le réchauffeur 28, ainsi que la .paroi avant et la paroi arrière 18 et 19. Le chauffage préli- minaire peut s'obtenmr aussi bien par des combustibles liquides, gazeux ou pulvérulents, introduits en 29, que par du combustible solide 32 introduit, par la porte de foyer 30, sur la grille 31. L'introduction de l'air s'obtient dans le premier cas, avantageusement à l'aide d'un ventilateur, tandis que dans le second elle s'obtient automatiquement à l'aide du registre de réglage 33.
Les gaz du réchauffage préliminaire se rendent dans le conduit des fumées 23, en cédant de la chaleur aux .réchauffeurs 17 et 28, balayent ensuite le réchauf- feur d'air 24, traversent le collecteur des fumées 25 et s'échappent à la cheminée 26.
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L'appareil est muni d'une'couverture calorifuge facile- ment amovible, 34, avantageusement composée d'une couche en laine de verre garnie de tôle. La chemise à refroidissement d'eau des parois 18 et 19 est également utilisée comme réchauffeur d'eau, toutefois avantageusement sans pression, de façon que l'eau d'alimentation descende lentement ou encore que la pompe d'alimentation en essure la circulation, en totalité ou en partie seulèment.
L'eau échauffée dans les réchauffeurs précités s'écoule, du collecteur 14, en passant par le régulateur d'alimenta- tion 36, 37, 38 et 39, vers le pulvérisateur- vaporisateur rotatif 2; dans ce dernier, elle est mécaniquement' divisée par l'action de la force centrifuge en fines gouttelettes ou brouillard et mélangée intimement à de la vapeur surchauf- fée amenée du collecteur lE! au vaporisateur-. En raison de cet échange thermique direct, le brouillard d'eau est trans- formé immédiatement en vapèur.
Le corps tournant monté à rotation dans le vaporisateur 2 se compose d'un pulvérisa- tour à force centrifuge qui, outre les organes assurant la division de l'eau comporte encore, des nervures, des saillies, ailettes et analogues assurant l'aspiration de la vapeur sur- chauffée etson mélange avec le brouillard d'eau. Le pulvé- risateur-vaporisateur est'établi de manière à refouler rapi- dament le' brouillard de vapeur d'eau ou le mélange' eau-vapeur.
La vapeur formée au vaporisateur 2 traverse ensuite un séparateur-épurateur 40 qui, sous l'action de la force.centri- fuge, sépare de la sapeur les particules d'incrustations sous forme de poussière. En fait, cette poussière ne se forme que lorsqu'on alimente à l'eau! fraîche par suite de la vaporisa- tion de cette eau sous forme pulvérisée. En cas de remploi des eaux de condensation, cette épuration n'est nécessaire que pour l'eau fraîche supplémentairement introduite.
Pour assurer une vaporisation subséquente et une surchauf- fe, la vapeur-est alors conduite du pulvérisateur-vaporisateur 2 ou du séparateur 40 vers le faisceau des tubes de chauffe 8,
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dit ti ei v 1- c v OÙ/1 est rapidement surchauffée par circulation à contre- courant avec les gaz de combustion 15. Les tubes de surchauffe sont très largement calculés;
ils possèdent donc une grande surface, ce qui diminue la résistance à la transmission de la chaleur, Afin toutefois d'obliger la vapeur à circuler à grande vitesse, ce qui favorise l'absorption, de la chaleur, les tubes sont munis de moyaux 41 (fig. 3) qui ne laissent libre pour le passage qu'un espace annulaire relativement étroit. On obtient de cette façon une réduction considérable du parcours de la chaleur qui pénètre dans le courant de va- peur, et la transmission de la chaleur s'effectue ainsi d'une manière très rapide.
Là fig. 3 montre un. tube de l'espèce et, à titre de comparaison, un autre tube dépourvu de noyau. En pratique on pourrait également accélérer la transmission de la chaleur, en adoptant pour les tubes se trouvant du côté des gaz les plus chauds des diamètres plus faibles et en adoptant des diarnè tres plus grands pour les tubes qui se trouvent du côté des gaz les moins chauds; les .sections de l'écoulement gazeux dans les tubes décroissent alors proportionnellement à la chute de température et l'on obtient ainsi une vitesse de courant gazeux favorable. Quand les tubes présentent un même diamètre, on adopte une forme de foyer correspondante. La disposition précitée (fig. 3) peut égalements'appliquer aux tubes d'eau ou tout au moins à une partie d'entre eux.
Elle peut de même être employée d'une façon générale pour les réchauffeurs, les échangeurs de -température, les sur- chauffeurs et organes analogues.
De la vapeur surchauffée qui quitte le collecteur 12, une partie, ainsi qu'il a été dit plus haut, se rend au pulvérisateur-vaporisateur rotatif' 2; l'autre partie va à la machine motrice d'où, après avoir -cédé une partie de son énergie elle se' rend au condenseur ou autre récupérateur 43 de la vapeur de décharge.' Sur le trajet de la vapeur vers la
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machine 1, on peut intercaler un surchauffeur intermédiaire 44, avant oubaprès la soupape régulatrice de pression .45. Cette dernière a pour fonction, en. cas devariation, considérable de la consommation de vapeur, .de maintenir dans l'installation une pression de vapeur minimum.
Pour les besoins' en vapeur autres que ceux de la machine ];, on peut en prélever sous forme de vapeur surchauffée en 46ou sous forme de vapeur saturée en 47. On prévoit en ces points des soupapes régulatrices de pression (comme 45).
Quand les besoins en vapeur varient considérablement, et peuvent donner naissance à des à-coups de vapeur, on prévoit un accumulateur 48, toutefois agencé de manière que. la vapeur produite en excès s'y rende en passant par une soupape' de sur- pression 49 et que cette vapeur surchauffe fortement, l'eau du dit accumulateur, de sorte que lors d'une chute de pression brusque, de la vapeur de tour 48 puisse repasser 'en traversantune anne 50, dans l'installation et ce, autant que possible par 11-8-12 afin d'obtenir un nouveau surchauffage.
La vapeur en excès peut aussi bien être conduite de 11 que de 12, ou d'un autre point approprié, vers 48. La référence 52 'désigne une soupape de sûreté; l'appareil 48 pourraitn'être uniquement qu'un accumulateur de vapeur, dont les produits de condensation se rendent dans 2.
Les réglages de l'alimentation etdu foyer s'obtiennent par l'intermédiaire du régulateur 39 qui es monté en avant de la soupape à fermeture rapide 36, de la soupape de renver- sement37 et de la -soupape d'équilibrage de pression 38.
Le piston 54 influencé par la pression de la. vapeur d'une part, la pression de l'eau d'autre part etla contrepression du ressort 53, est agencé de façon à pouvoir monter et descendre dans son enveloppe. Il est relié à la tige 55 avec ce résultat que tout déplacement 'du piston en montée ou en descente se transmet à cette tige.
L'organe ou piston -54 est entouré d'une bague 56 qui peut
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uniquement tourner et qui est guidée à l'aide d'une manette 57. Le piston 54 et la bague 56 présentent des orifices d'écoulement d'égal diamètre que l'eau de*alimentation doit traverser pour se rendre de 38 en 2. La plus grande section de passage est donc disponible lorsque le piston 54 occupe sa position inférieure. Mais si la pression atteint, une vapeur anormale, le piston 54 est déplacé vers 53, pe qui diminue proportionnellement la section de passage. Il passe alors une quantité moindre d'eau. L'écoulement est réduit de même quand la bague 56 est déplacée 'par la manette 57 car en ce cas la section réservée à l'écoulement décroit proportionnellement.
Une soupape régulatrice analogue -58 est prévue .pour le réglage de l'admission du combustible dans le foyer; ses organes 59 et ¯60 sont conçus et disposés comme les organes 54 et 56. On peut néanmoins prévoir un réglage fixe pour l'organe 60.
La soupape de réglage du combustible, 58, est montée dans la conduite d'amenée du combustible au foyer.
Si à un moment donné, le groupe prélève une quantité moin- dre de vapeur, la pression de celle-ci monte; il en résulte un déplacement de l'organe 54 régulateur de l'écoulement de l'eau dans le sens d'un étranglement; en même temps, l'organe 58 diminue également 1' alimentation en combustible; de même, l'arrivée d'air diminue par étranglement de l'organe 62 en liaison de réglage avec 55.
Le dispositif d'étranglement de l'air 62 peut, pratique- ment, être disposé- également dans le générateur de gaz de combustion 3. En outre l'organe 56 peut également commander .une vanne de répartition de vapeur surchauffée,63, lorsque, pour vaporiser .le combus tible, il est nécessaire d'introduire de la.'vapeur sur.chauffée dans son. dispositif d'alimentation.' L'alimentation ou répartition de l'eau et du combustible s'obtient donc d'une manière qui correspond automatiquement à la pression. qui règne à l'instant considéré.
Par contre le
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rapport convenable d'écoulement entre l'eau et.le combustible, en pourront, -- correspondant au rendementde vaporisation momentané du combustible calculéd'après son pouvoir calori- fique et le rendement de la chaudière ainsi que relativement à la température de vapeur surchauffée à abbeindre -- est réalisé en déplaçant la bague 56 par laManette 57.
La soupape à fermeture rapide #6 est établie de faon que la pression 'de la pompe alimentaire ¯5 doiveêtre plus élevée que la pression de vapeur maximum,. Au 7.:9 au de prévoir une pompe centrifuge telle que ¯5, on peu), qussi se servir de toute autre pompe appropriée. D'autre part, lelevier de dé- marrage 64 du groupe est maintenu dans sn position opéra tive B par J'intermédiaire d'une came, et il en résulte que lorsque la pompe ne débite plus, c'est à dire lorsque l'écoulement de l'eau cesse dans le régulateur, le levier 64 déclenche, et
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est ramené par le ressort 6S dans la position A.
On obtient .. simultanément / ainsi/le rendement de la vanne à- eau 37 et de la vanne à z combustible 67, ces organes se trouvant en liaison de réglage avec le levier 64. L'alimentation en eau, en combustible et en air s'arrête ainsi presqu'immédiatement. Il n'Bst pas indispensable que cet arrêt soit complet, mais on reviendra avantageusement uniquement aux conditions de marche à vide de la machine.
Le générateur de gaz de combustion, 3, est de même équipé d'un corps rotatif qui, outre le dispositif de pul- vérisation et de mélange, comprend des nervures, saillies, ailettes ou analogues afin d'aspirer et de refouler l'air comburant. Le combustible, par exemple de l'huile de chauffage (huile brute ou lourde) y est pulvérisé par faction de la - force centrifuge et mélangé intiment à l'air qui s'introduit simultanément pour former un gaz combustible. Comme on peut introduire ensuite une quantité correspondante et proportionnel!, le de vapeur surchauffée dans le corps'rotatif, le combustible est simultanément vaporisé ce qui accélère sa gazéification et
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non mélange.
Le réchauffage du combustible est pratiquement réalisé à l'aide d'eau chaude venant de 14, dans l'appareil
68, l'eau étant la première échauffée pendant la période de mise à feu.
Les machines des groupes "force motrice" et "alimentation" de la fig. 1, c'est à dire : lamachine à va,peur 1 (turbine ou machine à vapeur -- qui pourraiet tégalemnt être remplacée par toute autre machine motrice --, le pulvérisateur-vaporisa- teur rotatif -2 -- qui pourrait également être agencé dans l'enveloppe de la machine 1 --, le générateur de gaz de com- bustion 3.-- lorsque cet appareil n'est pas remplacé par un autr dispositif d'alimentation combustible pompe autre 'dispositif d'alimentation de combustible la pompe combustible ou huile de chauffage, 4, -- lorsque. le combustible n'est pas introduit par gravité --; la. pompe alimentaire 5 00- qui peut également être de type différent, comme par exemple une pompe à piston accouplée mécaniquement --;
le ventilateur 6, dont la présence b'est pas absolument nécessaire dans tous les cas, peuvent être commandés par un axe commun ou être reliés les uns aux autres en accouplant leur axes entre eux. On peut aussi disposer séparément le groupe force, motri- ce 1 et prévoir pour les autres machines d'alimentation une machine de commande séparée.
La. mise en marche de l'installation peut, s'obtenir de diverses manières, et notamment :
1) A supposer prévu un moteur auxiliaire de démarrage, par exemple, un moteur électrique, pour le groupe d'alimentation 3, la mise à feu peut s'obtenir dans 27 en amenant de 4 du com- bustible liquide, gazeux ou pulvérulent et de l'air froid de ¯6, ou de l'air réchauffé, par.le brûleur 29, de 61. Dans ce cas, l'eau d'alimentation est refoulée par la. pompe 5 à travers les réchauffeurs 28, 22, 17, 9 d'où elle retourne la pompe par 36,37,69 pour circuler à nouveau sous la pression produite automatiquementpar le dispositif 36.
2) A supposer prévu pour le ventilateur 36 uniquement,
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un moteur auxiliaire de démarrage, le combustible peut arri-
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vor au brûleur '20 par gravité ou encore, y' être refoulé par la pompe à main 70. La. circulation d'eau indiquée sub 1 peut alors être obtenue grâce à une pompe à main 71.
3) La mise à feu peut s'effectuer sur la grille 31 à l'aide de combustible solide avec arrivée naturelle d'air
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par J33. L'eau d'alimentation est alors, ainsi qu'il a été indiqué plus haut, mise sous pression et en circulation par la pompe à main 71.
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Dans 'chaque cas envisagé, 1.' eau d* alimentation subit ainsi un réchauffage intense, pratiquement jusqu' à la.tempé- rature de saturation correspondant à la pression effective'
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du liquide communiqué par le dispositif 06.
Ce n'est qu' a- lors que s'opère. le renversement du levier 64 'de laposition de mise à feu A à la position de fonctionner.en normal B,
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après quoi l'eau surchauffée s'écoule par j?9 et 3' vers ¯2, s'y transforme en vapeur et remplit ainsi de vapeur le faisceau des tubes de chauffage 2. 00,:111e la vapeur passe alors de j3 à la .machine l, met cette dernière en marche, et que par renversement du levier 64 on assure également l'ali-
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menta Lion du foyer principal '!6 par le dispositif i-:8, l'installation, atteint très rapidement le régime de marche à vide. La mise en charge peut alors être réalisée dès que latempérature de la vapeur surchauffée est devenue cons-tante.
En tous cas, la. mise en marche s'obtient très rapidement, car seules interviennentles surfaces de chauffe des tubes, et
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la c ntenance en eau de l'installation est faible. La mise en route n'exige. donc en faitque quelques minutes, ce qui
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sarap correspond sensiblement au temps nécessaire à l'échauffe- ment d'un moteur avant qu'il ne puisse être mis en charge.
En cas de production d'énergie électrique, la machine 1
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erèt f'1ccoup16e à une dynamo. La vapeur de décharge de la :.rchine I peut être réutilisée à volonté à toute pression requise peur le chauffage, la cuisson, le séchage, etc, car
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la pression initiale' de la vapeur peut sans danger être aussi élevée qu'on le désire. On peut également avec de la vapeur à moyenne pression produire dansl'installation de à
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J vapeur à hautes ou/très haute pression, en prévoyant un évapora leur 72 alimenté par une pompe alimentaire spécia- le à haute pression.
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On peut disposer daniu l'évaporateur '2 un dispositif de vaporisation rapide .73 à faisceau de tubes, auxquels En peut s'appliquer ce qui a été dit pour les tu1<1es 12. et la fie. 3 concernant les naSa,ux 91. Le véhicule de chaleur est conduit sous forme de vapeur de circulation à travers l'es- pace annulaire des tubes et cède ainsi sa chaleur à l'eau qui entoure ces derniers. Cornue la vapeur de chauffage n'est pas complètement condensée de ce fait, elle est encore con- duite à travers l'échangeur de température .74 également traversé par l'eau d'alimentation à' haute pression. La sapeur
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de chauffe fs condense de la sorte et passe à- l'état d'eau de 00'1'18n(3R t,.êon daiss le collecteur 7a. La valeur formée qui arrive dans 75, est' aspirée par 2.
Lés produits de conden- sation de la vapeur de chauffage de 75 sont aspirés par une
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pompe telle que J et. renvoyés par 36,¯.37, ,S8, J33 au vaporisa- teur L dans lequel, connue indiqué plus haut, ils sont vaporisés sc-us forme pulvérisée par une autre portion de la vapeur de circulation venant de 12 par 76, et conduits dans les sur- clip,uffeurs 8 sous forme de vapeur. L'eau d'alimentation à refouler dans l'évaporateur 72 par la pompe alimentaire à hauts pression est avantageusement conduite à travers les
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réchauffeurs 2, pop,, 17' et 9, le collecteur z, le régulateur de niveau d'eau 77 et 1)6.changeur*de température 74.
La vapeur à haute ou très haute pression produite dans 72 est avantageu- sement envoyée à travers un surchauffeur 78 dans son -trajet
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fiers son point d'utilisation. Le réglage de l'alimentation et de la marche dw"foyer s'effectuent également de façon simple en cas.de production
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de vapeur à haute ou très haute pression, à la manière suivan- te. Le niveau d'eau favorable dans 72 est. régulièrement
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maintenu par le régulateur T7. même a? ars que la. consomma- tion varie. A supposer en effet, un -prélèvement imporban't de vapeur en 72, le, régulateur 77 fait arriver plus d'eau d'alimentation par 74; par contre, quans le prélèvement de vapeur est moindre, il en fait arriver moins.
En cas d'excès
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de prélèvement dans 1 ' évapora beur 7., 18 condensation de la, vapeur de chauffe est renforcée en 73 et dans labatterie de tubes de l'échangeur de température 74, de. manière que
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dans le faisceau des tubes de chauffe 11--l, la pression de vapeur tombe tout d'abord, ce qui permet au régulateur 3P, 58 d'accroître l'alimentation; tandis qurv dans le cas contraire, c' e st à dire quand la pression de vapeur augmente, il se produit une réduction de l'alimentation. Le chauffage
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se règle donc automatiquement suivant l'imporbance du- prélève'ment momentané de vapeur ( en 72).
Dans les installa- tions à vaporisation-rapide avec production indirecte de vapeur à haute ou très haute' pression, on. peut, en fait,' employer pour un ensemble de groupes "force motrice" et "alimentation.", deux groupes de tubes de ,chauffe. Pratiquement, le faisceau de surchauffeur-s 8 de l'un des groupes de tubes est employer alors pour la surchauffe de la vapeur de circulation tandis que le .faisceau 8 de l'autre groupe est utilisé pour la sur- chauffe de la. vapeur à haute ou très haute pression de 72.
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Les ré chauffeurs 8, 2, 17 et 9 peuvent alors servir pour réchauffer l'eau d'alimentation à haute pression de 73, ou en partie pour chauffer les produits de condensation envoyés,
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par la'pompe jî, de 7 vers En ce qui concerne' les surfaces d'échange calorifique de l'éhhangeur de température ¯74, du réchauffeur 6S du surchauf- feur intermédiaire 44, du surchauffeur 78 et de l'appareil 43 lorsque ce dernier est un condenseur, il parait.avantageux d'agencer l'installation, de manière à appliquer ce qui a été
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dit au sujet des noyaux de tubes (fig. 3).
L'appareil 72 peut également être utilisé comme accumula- teur de chaleur ou de vapeur ; onpourra alors y prélever suivant les besoins une quantité quelconque de vapeur ou de chaleur.
REVENDICATIONS
1.- Procédé pour la production rapide de vapeurs, carac- térisé par l'agencement, dans un circuit de vapeur, d'un corps mobile qui pulvérise le fluide (eau surchauffée) d'alimenta- tion et le mélange à la vapeur (surchauffée) de circulation.