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"GENERATEUR DE VAPEUR A HAUTE PRESSION"
On a déjà proposé de produire de la vapeur en surchauf- fant de la vapeur disponible et en faisant passer cette vapeur surchauffée à travers une couche d'eau ou bien en injectant dans cette vapeur surchauffée de l'eau pulvérisée. La cession de la chaleur de surchauffe entraîne ainsi la production d'une nouvelle quantité de vapeur. On a encore proposé de fai" re passer à plusieurs reprises de la vapeur surchauffée dans de l'eau et de surchauffer à chaque reprise le mélange de vapeur nouvellement formée et de vapeur préalablement surchauffée et refroidie par suite de son passage dans la couche d'eau, jus- qu'à ce qu'on obtienne enfin la quantité de vapeur nécessaire
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pour le service.
Pour vaincre la résistance des surchauffeurs et celle de la couche d'eau et pour faire circuler la vapeur, diverses mesures sont nécessaires, qui ne vont pas sans cer- tains inconvénients. Si, par exemple, la génération de vapeur a lieu dans un corps unique où se font les échanges thermi- ques (échangeur de chaleur) il est nécessaire, pour assurer la circulation de la vapeur qui sert de véhicule à la cha- leur et qui, pour certaines raisons, doit être un multiple de la quantité de vapeur utilisable, d'employer une pompe spé- ciale qui consomme relativement beaucoup d'énergie et qui, par suite des pertes inévitables causées par défaut d'étanchéité, notamment aux pressions. élevées, diminue notablement le ren- dement de l'installation.
Si, par contre, la circulation de la vapeur est réalisée en engendrant dans une chaudière spé- ciale et sous pression élevée de la vapeur dite d'excitation et en faisant passer celle-ci, par sa propre détente, succes- sivement dans plusieurs surchauffeurs et chambres d'eau, de nouvelles quantités de vapeur se trouvant engendrées au pas- sage dans chaque chambre d'eau par la chaleur de surchauffe, une pompe de circulation n'est évidemment plus nécessaire, mais on est obligé de prévoir de nombreux réservoirs de va- peur sous pression, ce qui augmente le coût de l'installation ainsi que son encombrement, tout en provoquant certaines dif- ficultés de service.
La présente invention a trait à un procédé pour produire de la vapeur, notamment de la vapeur à très haute pression (plus de 50 Kg/cm2) en utilisant comme véhicule de chaleur de la vapeur ultra-surchauffée, tout en évitant les inconvénients indiqués précédemment. Le procédé consiste à produire dans une chaudière dite excitatrice une quantité re- lativement faible de vapeur (moins de la moitié de la quanti- té de vapeur de service), laquelle vapeur circulant par l'ef- fet de sa propre détente à travers un nombre relativement grand de surchauffeurs ou de groupes de surchauffeurs disposés
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en cascade et munis en un nombre quelconque de points, mais au moins en deux points, de dispositifs dans lesquels on in- troduit de l'eau à l'état finement divisé.
Par l'absorption de la chaleur de surchauffe l'eau introduite se transforme en nouvelle vapeur ; on surchauffe ensuite le mélange de cet- te vapeur et de la vapeur précédemment produite et redeve- nue saturée, et ainsi de suite jusqu'à ce qu'on atteigne la quantité de vapeur nécessaire à l'état où elle doit être uti- lisée.
Un générateur destiné à la réalisation du procédé est représenté schématiquement à la Fig. 1, dans laquelle 1 représente le foyer. Dans ce foyer est disposée la chau- dière d'excitation 2,3 dans laquelle la faible quantité néces- saire de vapeur d'excitation est produite et où s'effectue éventuellement le réchauffage de l'eau d'alimentation com- plémentaire. La vapeur d'excitation se rend ensuite, par l'effet de sa propre pression, par la conduite 6 à travers un organe d'étranglement 29 et une vanne d'arrêt 33, jus- qu'au premier surchauffeur 7, dans lequel elle est forte- ment surchauffée, et elle arrive dans le premier vaporisateur 13, où la vapeur de surchauffe lui est enlevée par un jet pulvérisé d'eau réchauffée presque jusqu'à la température de vaporisation.
Cette chaleur de surchauffe transforme l'eau injectée en nouvelle vapeur qui se rend ensuite, mélangée avec la vapeur d'excitation, revenue maintenant à la tempé- rature de saturation, dans le surchauffeur 8 suivant. Là on lui amène une nouvelle quantité de chaleur de surchauffe qui lui permet de transformer en une quantité accrue de vapeur l'eau injectée dans le vaporisateur suivant 14. L'opération est ainsi répétée jusqu'à ce que la quantité de vapeur nécessaire pour l'utilisation à l'état définitif soit enfin obtenue.
Comme on l'a déjà indiqué plus haut, l'eau d'in- jection peut être prise à la chaudière d'excitation 2, 3
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qui, en ce cas, joue donc aussi le rôle de réchauffeur, au moyen de la conduite 5 commandée par une vanne d'arrêt 32.
L'eau froide d'alimentation proprement dite arrive par 4. La totalité de la vapeur produite quitte le dernier vaporisateur 18 par la soupape 31 et est conduite à son point d'utilisa- tion en passant par un dernier réchauffeur 28 dans lequel elle est portée à la température de surchauffe nécessaire pour le service. En ce qui concerne les organes représentés dans la Fig. 1 et qui n'ont pas été décrits jusqu'ici, il en sera question plus loin.
Tandis que la Fig. 1 représente sous forme sché- matique le générateur de vapeur vu par le dessus, la Fig. 2 est une vue latérale schématique, partiellement en coupe, de la batterie de vaporisateurs et du réservoir collecteur.
Les vaporisateurs sont numérotés de 13 à 18 et ils reçoivent leur eau d'injection, par exemple de celle des parties de la chaudière d'excitation (non visible) qui fonctionne com- me réchauffeur, par l'intermédiaire de la conduite 5. L'eau est injectée sous forme finement divisée par les. ajutages 10 de façon qu'elle offre une grande surface de contact à la va- peur qui pénètre par 41. Des tamis en toile métallique sont disposés en 42, destinés à retenir les grosses gouttes et à assurer leur division et leur vaporisation. La vapeur refroi- die et la vapeur nouvellement formée quittent la vaporisa- teur en 43 pour entrer dans le surchauffeur qui lui est ef- fecté. Avant la sortie, des chicanée, en tôle peuvent être disposées en vue de séparer l'eau éventuellement entraînée.
Comme on l'a indiqué,l'injection sous forme finement pulvérisée a pour but d'augmenter la surface de con- tact et de permettre ainsi un échange rapide de tempéra- ture. Au lieu d'employer une injection sous forme finement divisée au moyen d'ajutages, on peut réaliser aussi l'éta- lement de l'eau à vaporiser sur une grande surface, au mo- @
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yen par exemple de remplissages appropriés disposés dans le corps du vaporisateur. Ce dispositif a l'avantage de per- mettre d'employer au lieu d'ajutages percés d'un canal très étroit, de simples pommes d'arrosoir moins suscep - tibles de se boucher et avec lesquelles il est plus facile d'éviter l'entraînement de grosses gouttes.
Ces remplissages peuvent être constitués par de petits cylindres (connus sous le nom d'anneaux de Rasohig) faits en matière aussi bonne conductrice que possible de la chaleur. Les Fig. 3 et 4 représentent en coupe des vaporisateurs de ce type. Le chif- fre 50 désigne le corps du vaporisateur, et 51 les remplis- sages. Ces derniers reposent sur une grille 52 au-dessous de laquelle la vapeur est admise en 53. L'eau arrive par lune pomme d'arrosoir 54 et se répand sur le remplissage, of- frant ainsi une grande surface de contact à la vapeur qui circule à contre courant. Le mélange de vapeur refroidie et de vapeur nouvellement formée s'échappe en 55, l'excès d'eau pouvant être évacué en 56.
Le dispositif de la Fig. 4 se distingue de celui de la Fig. 3 en ce que le remplissage est en deux cou- ches 51 et 57 laissant entre elles un espace libre dans lequel débouche la pomme d'arrosoir 54. Seul, par conséquent, le remplissage inférieur est arrosé, la couche supérieure jouant le rôle de séparateur d'eau. On peut en outre chauf- fer cette dernière par de la vapeur surchauffée admise par une dérivation 58 de la conduite 53 en vue de vaporiser les gouttes demeurées suspendues à cet endroit.
Il importe que le générateur de vapeur décrit ici soit maintenant conduit de telle manière que la tempé- rature finale de surchauffage dans chaque surchauffeur demeu- re dans un rapport déterminé avec la quantité d'eau d'injec- tion. Si la quantité d'eau arrivante est trop faible il en
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résulte que la vapeur admise est insuffisamment refroidie, tandis que dans le surchauffeur qu'elle traverse ensuite elle est trop fortement surchauffée. Inversement, un excès d'eau a pour inconvénient de donner facilement lieu à des entrai- nements d'eau et que les impuretés que cette eau peut conte- nir se déposent sur les parois des tubes de surchauffe qu' elles entartrent ; lespompes fournissent tout au moins un travail inutile.
La température de la vapeur surchauffée offre toutefois elle-même une possibilité de régulation. On peut par exemple prévoir un thermostat qui soit soumis à l'influence de la température que possède la vapeur à un point quelconque, et en particulier à la sortie d'un sur- chauffeur faisant suite à un ajustage ou groupe d'ajustages.
La Fig. 1 met en évidence le montage d'un tel dispositif de régulation par thermostat. Les chiffres 19 à 23 désignent des thermostat de construction connue quelconque, commandant des organes de fermeture également quelconques intercalés dans les conduites d'alimentation d'eau des vaporisateurs 13 à 18.
Si la température à la sortie d'un surchauffeur est trop élé- vée, le thermostat actionne la vanne d'admission de manière que l'alimentation d'eau soit plus abondante, et inversement.
Comme on l'a dit plus haut, il y a avantage à régler le dispositif de régulation de telle façon que la quantité d'eau injectée soit juste suffisante pour que, au sortir des échangeurs de vapeur (vaporisateurs), ]a vapeur soit enco- re à l'état surchauffé, afin d'éviter autant que possible des séparations d'eau.
Cependant, si un dispositif tel qu'il est notamment indiqué dans la Fig. 4 et décrit ci-dessus empêche sûrement les séparations d'eau, on peut encore introduire jus- qu'à un certain point un excès d'eau. On peut, par exem- ple,n'appliquer la régulation par thermostat qu'à une partie de l'alimentation, en prévoyant dans chaque vaporisateur deux ajutages ou deux pommes d'arrosoir.ou deux groupes de tels
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organes, dont l'un fournit en service normal l'eau d'injec- tion à vaporiser tandis que l'autre, actionné par un thermos- tat ou un organe analogue, n'entre en jeu que dans des oc- casions exceptionnelles.
Ces occasions peuvent se présenter aussi bien dans le cas de charges supérieures à la charge normale que dans le cas de perturbations telles, par exemple, que l'engorgement ou la rupture des dispositifs d'injection à commande non automatique. La Fig. 5 représente de façon semi-schématique la disposition relative à un service mix- te. Là aussi le chiffre 50 désigne les corps des vaporisa- teurs, 51 les remplissages; l'eau arrive en 54 par une pom- me d'arrosoir, se répartit dans les remplissages et prend sa chaleur de surchauffe, à la vapeur ultra-surchauffée arrivant en 53. L'arrivée d'eau à cette pomme d'arrosoir se trouve toutefois réglée de telle façon qu'il y passe une quantité d'eau déterminée et constante pour une marche entre des limites de charge très étendues. L'eau qui n'est pas vaporisée est évacuée en 56.
Si, pour une raison quelconque, la quantité d'eau introduite par la pomme d'arrosoir 54 est insuffisante, de sorte que le degré de surchauffe dans les surchauffeurs suivants 60 ou 61 s'élève au-dessus de la limite admissible, le thermostat réagit en 62 ou en 63 et ouvre automatiquement la vanne 64 (65), qui laisse dès lors passer une quantité d'eau supplémentaire jusqu'à ce que la température de surchauffe soit retombée à la va- leur maximum fixée.
Si toute l'eau introduite n'arrive pas à être vaporisée immédiatement ou si, à dessein, on injecte un excès d'eau, il s'amasse à la partie inférieure du vaporisateur une quantité d'eau plus ou moins importante. Cette eau ren- ferme des quantités appréciables d'énergie sous forme de chaleur et de pression. Il importe donc qu'on l'évacué et la recueille sans perte. Dès lors, la présente invention a
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encore pour objet le procédé par lequel cette eau en excès est évacuée, au moyen de dispositifs appropriés, des capacités dans lesquelles s'effectue l'injection et la vapori- sation puis est recueillie en vue de son utilisation ulté- rieure.
A cet effet, le corps des vaporisateurs peut être pourvu à sa partie inférieure d'une petite chambre collec- trice communiquant vec un réservoir collecteur plus grand et commun à tous les vaporisateurs. La liaison s'effectue par l'intermédiaire d'une oupape à flotteur ou encore d'un dia- phragme. Ce dernier et imensionné' de manière à laisser s'é- couler une quantité d'eau suffisante mais à empêcher la passa- ge de quantité$importantes de vapeur, par exemple d'un vapo-. risateur au suivant. Le collecteur commun est représenté, dans la Fig. 1, par le réservoir 25, et la conduite commune d'éva- @ cuation est,désignée par le chiffre 24.
Dans la Fig. 2, les diaphragmes 45 s'auvrent dans \la conduite collectrice 46. Le réservoir collecteur commun est représenté en coupe sous le chiffre 47. Dans la Fig. 5, les, conduites d'écoulement sont rie- présentées en 56 sans, toutefois, leur conduite collectrice ni leur réservoir.
Le réservoir destiné à recevoir l'excès d'eau injectée peut encore servir à un autre usage. On peut aussi l'utiliser comme accumulateur de vapeur ou réservoir-tampon pour équilibrer les variations de la consommation de vapeur.
Si les surchauffeurs et les vaporisateurs correspondent, par leur rôle dans le nouveau générateur de vapeur dont il s'agit ici, aux bouilleurs d'une chaudière ordinaire, le révervoir collecteur équivant ici aux corps supérieur et inférieur d'une chaudière ordinaire, c'est-à-dire aux parties permettant l'accumulation de l'eau à vaporiser et de la vapeur déjà produi- te.
Comme, ainsi qu'il est indiqué dans la Fig. 1, d'une part le dernier vaporisateur 18 communique avec le tuyau de distri- bution 26 au moyen de la conduite 34, mais que, d'autre part,
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le dernier surchauffeur 28 est en communication avec le dôme à vapeur 27, s'il arrive que la vapeur disponible soit momen- tanément en excès, on peut introduire de cette vapeur dans la chambre d'eau du réservoir 25, où elle se condensera en donnant lieu à une augmentation de la pression. Inversement, en cas d'insuffisance de vapeur momentanée, on peut prendre de la va- peur du réservoir en 27, la pression s'abaissant alors dans le réservoir. En outre l'eau qui avait été injectée en excès dans les échangeurs de chaleur (vaporisateurs) et qui s'était écou- lée dans le réservoir peut être reprise en totalité ou .en par- tie pour être réinjectée.
Il convient à cet,. effet de la portet à la' pression nécessaire pour l'injection au moyen d'une pom- pe. Le schéma de la Fig. 2 permet de se rendre compte de ce mo- de de fonctionnement ; tuyau collecteur d'eau en excès est désigné par 46 et le réservoir par 47, tandis que la pompe en question et son moteur d'entraînement (par exemple un moteur électrique) sont respectivement représentés par 48 et 49. La conduite d'aspiration de la pompe est reliée au réservoir et la conduite de refoulement se rend aux vaporisateurs de 13 à 18, lesquels peuvent aussi être alimentés à partir de la chau- dière d'excitation par la conduite 5.
Si l'alimentation ne s'effectue exclusivement qu'au moyen d'eau prélevée dans le réservoir par la pompe 48, on ferme la vanne 70 et l'on envoie directement dans le réservoir, par la conduite 71, l'eau d'in- jection réchauffée dans la chaudière d'excitation, ou même l'eau froide d'alimentation. Dans ce cas il faut que le niveau de l'eau dans le réservoir 47 soit réglé au moyen d'une soupa- pe à flotteur 72.
On peut aussi avec avantage entraîner la pampe 48 au moyen d'une turbine à vapeur 73. Par mesure de sécurité, on peut encore accoupler à la turbine un moteur électrique qui tourne à vide et ne reçoit de courant qu'au moment où la vites- se angulaire de la pompe tombe au-dessous d'une certaine limi- @ te.
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La sécurité de marche et le bon fonctionnement du présent générateur de vapeur nécessitent encore divers dé- tails qui sont encore compris dans l'objet de la présente in- vention. C'est ainsi que les échangeurs de chaleur (vaporisa- teurs) doivent être munis de séparateurs de boues. Il peut en outre être nécessaire, notamment si l'injection de l'eau sous forme finement divisée a lieu au moyen d'ajutages, de porter l'eau à une pression notablement supérieure à celle de la va- peur. Si la vapeur d'excitation et l'eau d'injection provien- nent de la même chaudière, comme il est indiqué par exemple en 2 et 3 de la Fig. 1 et si dès lors la vapeur et l'eau sont à la même pression, il faut abaisser artificiellement la pres- sion de la vapeur destinée aux vaporisateurs.
On peut utiliser à cet effet un réducteur de pression, lequel est indiqué en 29 dans l'exemple de la Fig. 1.
La construction est simplifiée lorsque toutes les pièces utilisées ont les mêmes dimensions. On peut arriver à ce résultat en donnant à tous les éléments de surchauffeurs des surfaces égales et en les disposant d'une manière uniforme autour du foyer et dans les conduits de fumée. En outre, on reliera ensemble tous les surchauffeurs ou groupes de surchauf- feurs en cascade et l'on calculera leurs surfaces et sections de passage, (par exemple en branchant plusieurs éléments de surchauffeurs en parallèle), de telle manière que, pour chaque surchauffeut ou groupe de surchauffeurs les corps des vapori- sateurs et les ajutages d'injection aient même grandeur et mê- me construction.
Le générateur de vapeur ainsi proposé présente encore cet avantage que les parties de la chaudière qui contien- nent das quantités relativement grandes d'eau et de vapeur, comme par exemple la chaudière d'excitation et le collecteur, sont séparées des tubes surchauffeurs, c'est-à-dire des orga- nes servant proprement à la production de la vapeur et qui sont
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disposés dans les conduits de fumée. Ceci permet d'isoler com- plètement certains organes sans interrompre le service et de munir les tubes de surchauffe de clapets de retenue ou de sou- papes de rupture, lesquelles isolent automatiquement du géné- rateur le tube intéressé au cas où il viendrait à se rompre.
Ces mêmes raisons font que le générateur de va- peur peut fonctionner comme générateur rapide et comme chaudiè- re de pointe. Les tubes de surchauffe servant à la production proprement dite de la vapeur peuvent, contrairement aux bouil- leurs des chaudières ordinaires, avoir un petit diamètre. L'é- paisseur des parois de ces tubes est donc faible, même pour des pressions de vapeur élevées. Le poids des surfaces de chauffe est, par suite, extrêmement faible comparé au cas d'une chau- dière à tubes bouilleurs de même surface de chauffe. La cham" bre d'eau est supprimée, ainsi que les masses des réservoirs nécessaires, dans les chaudières ordinaires, pour contenir ces quantités d'eau.
Avec un mode de chauffage convenable, au char- bon pulvérisé par exemple, le présent générateur permet une pro- duction de vapeur immédiate, car seules les masses peu impor- tantes des surchauffeurs ont à être portées à la température de régime, tandis que la génération de vapeur commence immédia- tement avec l'injection de l'eau dans la vapeur surchauffée.
Lorsqu'on a un besoin immédiat de vapeur, on la prend en géné- ral directement dans les vaporisateurs et surchauffeurs ; dant, si le réservoir est en pression ou si l'on dispose d'un temps suffisant pour le mettre en pression, la prise de vapeur peut aussi avoir lieu par l'intermédiaire de ce réservoir. Le présent générateur peut donc être conduit à volonté comme chau- dière purement aquatubulaire ou bien, par l'interposition du collecteur de vapeur faisant fonction d'accumulateur, comme chaudière à grande chambre d'eau.
Afin de faciliter le mode de fonctionnement dé- crit, on veillera à ce que le réservoir soit toujours sous
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pression, c'est-à-dire que l'eau qu'il contient soit et demeure à une température correspondant à peu près à la pression de ré- gime de la vapeur. A cet effet, lorsqu'on arrêtera la chaudière par exemple, on enverra la vapeur restante dans la chambre à eau et même, pendant le sewice, on fera de même cons- tamment passer une partie de la vapeur dans la chambre à eau du réservoir.
Pour n'être pas obligé d'attendre la vapeur d'excitation de la chaudière d'excitation lors de la remise en marche, on peut dans bien des cas prélever aussi cette vapeur d'excitation à d'autres sources, par exmeple à des chaudières déjà en service et travaillant à la même pression. Un autre procédé très utile consiste à utiliser ce qu'on appelle une pompe thermique ou pompe de chaleur.
Une telle pompe permet, surtout si elle est construite comme pompe à piston et lors même que le contenu du réser- voir s'est fortement refroidi, de transformer en vapeur une partie de l'eau du collecteur par l'effet d'une réduc- tion de pression convenable, puis de comprimer vette vapeur à la pression qu'elle doit avoir dans les suchauffeurs.
L'emploi d'une pompe thermique rend donc superflue la chaudière d'excitation et cela non seulement lors de la mise en marphe, mais même en service normal.
La Fig. 6 représente à nouveau le schéma du générateur de vapeur. Les numéros de référence des orga- nes analogues sont les mêmes que dans la Fig. 1. Cette fi- gure montre aussi le raccordement de la pompe pour l'eau d'injection qu'on tire du réservoir ainsi que le moteur entraînant cette pompe. De plus, 75 désigne la con- duite d'aspiration de la pompe de chaleur, elle-même dési- gnée par 76 et son moteur d'entraînement par 77. La figure indique en outre une conduite de communication 78 comman- dée par la soupape 79 et qui permet de conduire la vapeur en excès, ou celle qui continue à se produire après l'ar-
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rêt de la chaudière, dans tous les surchauffeurs et de la condenser dans la chambre à eau du réservoir.
Comme, à la différence du corps supérieur dès-chaudières normales, ce réservoir peut fonctionner avec un niveau très variable, on peut, dans le cas par exemple où l'on doit accumuler une grande quantité de vapeur dans le réservoir, empêcher une élévation excessive de la pression en alimentant avec de l'eau froide.
Au lieu d'eau, on peut aussi mettre dans le ré- servoir un liquide à point d'ébullition élevé, afin d'at teindre des températures élevées avec des pressions faibles dans le dit réservoir. 11 faut alors conduire la vapeur d'eau surchauffée dans des serpentins où elle se condense et cède sa chaleur au liquide à point d'ébullition élevé.
Pour produire de la vapeur d'eau supplémentaire ou pour réchauffer l'eau d'injection, on refoule de l'eau sous pression dans ces serpentins où elle reprend la chaleur accumulée dans le liquide à point d'ébullition élevé.
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"HIGH PRESSURE STEAM GENERATOR"
It has already been proposed to produce steam by superheating available steam and passing this superheated steam through a layer of water or by injecting sprayed water into this superheated steam. The release of the superheating heat thus results in the production of a new quantity of steam. It has also been proposed to repeatedly pass superheated steam through water and each time to superheat the mixture of newly formed steam and steam previously superheated and cooled as a result of its passage through the layer of water. water, until the necessary amount of steam is finally obtained
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for the service.
To overcome the resistance of the superheaters and that of the water layer and to circulate the steam, various measures are necessary, which are not without certain drawbacks. If, for example, the generation of steam takes place in a single body where heat exchange takes place (heat exchanger), it is necessary to ensure the circulation of the steam which serves as a vehicle for the heat and which , for certain reasons, must be a multiple of the quantity of usable steam, to employ a special pump which consumes relatively a lot of energy and which, as a result of the inevitable losses caused by lack of tightness, in particular at pressures. high, significantly reduces the efficiency of the installation.
If, on the other hand, the circulation of the steam is carried out by generating in a special boiler and under high pressure so-called excitation steam and by passing the latter, by its own expansion, successively through several superheaters. and water chambers, new quantities of steam being generated in the passage through each water chamber by the superheating heat, a circulation pump is obviously no longer necessary, but it is necessary to provide many reservoirs steam under pressure, which increases the cost of the installation as well as its bulk, while causing certain service difficulties.
The present invention relates to a process for producing steam, in particular steam at very high pressure (more than 50 kg / cm2) using ultra-superheated steam as heat vehicle, while avoiding the drawbacks indicated above. . The process consists in producing in a so-called exciter boiler a relatively small quantity of steam (less than half of the quantity of working steam), which steam circulates by the effect of its own expansion through a relatively large number of superheaters or groups of superheaters arranged
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in a cascade and provided at any number of points, but at least at two points, with devices into which water in a finely divided state is introduced.
By absorbing the heat from overheating, the water introduced is transformed into new vapor; the mixture of this steam and the steam previously produced is then superheated and returned to saturated, and so on until the quantity of steam required in the state in which it is to be used is reached .
A generator intended for carrying out the method is shown schematically in FIG. 1, where 1 represents the focus. In this hearth is arranged the excitation boiler 2, 3 in which the small necessary quantity of excitation steam is produced and where the additional feed water is reheated if necessary. The excitation steam then travels, by the effect of its own pressure, through line 6 through a throttle member 29 and a shut-off valve 33, to the first superheater 7, in which it is greatly superheated, and it arrives in the first vaporizer 13, where the superheating vapor is removed from it by a spray jet of water heated almost to the vaporization temperature.
This superheating heat transforms the injected water into new steam which then goes, mixed with the excitation steam, now back to saturation temperature, in the next superheater 8. There, a new quantity of superheating heat is brought to it which enables it to transform the water injected into the next vaporizer into an increased quantity of steam. The operation is thus repeated until the quantity of steam necessary for the vaporizer is obtained. final use is finally obtained.
As already indicated above, the injection water can be taken from the excitation boiler 2, 3
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which, in this case, therefore also plays the role of a heater, by means of line 5 controlled by a shut-off valve 32.
The cold feed water proper arrives at 4. All of the steam produced leaves the last vaporizer 18 via valve 31 and is conducted to its point of use, passing through a last heater 28 in which it is. brought to the superheat temperature necessary for service. With regard to the organs shown in FIG. 1 and which have not been described so far, will be discussed later.
While Fig. 1 shows in schematic form the steam generator seen from above, FIG. 2 is a schematic side view, partially in section, of the vaporizer battery and the collecting tank.
The vaporizers are numbered from 13 to 18 and they receive their injection water, for example from that of the parts of the excitation boiler (not visible) which work as a heater, via line 5. L water is injected in a finely divided form. nozzles 10 so as to provide a large contact surface for the vapor which penetrates through 41. Wire mesh screens are arranged at 42, intended to retain the large drops and to ensure their division and vaporization. The cooled vapor and the newly formed vapor leave the vaporizer at 43 to enter its superheater. Before the exit, baffles, in sheet metal can be arranged in order to separate the possibly entrained water.
As indicated, the purpose of the injection in finely pulverized form is to increase the contact surface and thus to allow a rapid exchange of temperature. Instead of using an injection in finely divided form by means of nozzles, it is also possible to spread the water to be sprayed over a large area, at the least.
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yen for example of suitable fillings arranged in the body of the vaporizer. This device has the advantage of making it possible to use, instead of nozzles pierced with a very narrow channel, simple watering heads less likely to clog and with which it is easier to avoid 'entrainment of large drops.
These fillings can be made up of small cylinders (known as Rasohig rings) made of a material which is as good a heat conductor as possible. Figs. 3 and 4 show vaporizers of this type in section. The number 50 designates the body of the vaporizer, and 51 the refills. The latter rest on a grid 52 below which the steam is admitted at 53. The water arrives through a sprinkler head 54 and spreads over the filling, thus providing a large contact surface for the steam which circulates against the current. The mixture of cooled steam and newly formed steam escapes at 55, excess water being able to be discharged at 56.
The device of FIG. 4 differs from that of FIG. 3 in that the filling is in two layers 51 and 57 leaving between them a free space into which the sprinkler head 54 opens. Only, therefore, the lower filling is watered, the upper layer playing the role of separator of water. The latter can also be heated by superheated steam admitted through a bypass 58 of the pipe 53 in order to vaporize the drops which have remained suspended at this location.
It is important that the steam generator described here is now operated in such a way that the final superheating temperature in each superheater remains in a determined relationship with the quantity of injection water. If the quantity of incoming water is too low, it
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As a result, the admitted steam is insufficiently cooled, while in the superheater which it then passes through it is too strongly superheated. Conversely, an excess of water has the disadvantage of easily giving rise to water entrainments and that the impurities which this water may contain are deposited on the walls of the overheating tubes which they scale up; at the very least, the pumps do unnecessary work.
However, the temperature of the superheated steam itself offers a possibility of regulation. It is for example possible to provide a thermostat which is subject to the influence of the temperature which the steam possesses at any point, and in particular at the outlet of a superheater following an adjustment or group of adjustments.
Fig. 1 shows the mounting of such a thermostat regulation device. The numbers 19 to 23 denote thermostats of any known construction, controlling also any closure members interposed in the water supply pipes of the vaporizers 13 to 18.
If the temperature at the outlet of a superheater is too high, the thermostat actuates the inlet valve so that the water supply is more abundant, and vice versa.
As stated above, it is advantageous to adjust the regulation device in such a way that the quantity of water injected is just sufficient so that, on leaving the steam exchangers (vaporizers), the steam is still - re in the overheated state, in order to avoid water separations as much as possible.
However, if a device as indicated in particular in FIG. 4 and described above surely prevents water separations, it is still possible to introduce to a certain extent an excess of water. It is possible, for example, to apply the thermostat regulation only to one part of the supply, by providing in each vaporizer two nozzles or two watering heads. Or two groups of such
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organs, one of which supplies the injection water to be vaporized in normal operation while the other, actuated by a thermostate or similar organ, comes into play only in exceptional cases.
These occasions can arise both in the case of loads greater than the normal load and in the case of disturbances such as, for example, clogging or rupture of non-automatically controlled injection devices. Fig. 5 shows semi-schematically the arrangement for mixed service. Here too the number 50 designates the vaporizer bodies, 51 the fillings; the water arrives at 54 through a watering can, is distributed in the fillings and takes its heat from superheating, from the ultra-superheated steam arriving at 53. The water inlet to this watering can is is, however, regulated in such a way that a determined and constant quantity of water passes through it for operation between very wide load limits. The water which is not vaporized is discharged at 56.
If, for some reason, the amount of water introduced by the spray head 54 is insufficient, so that the degree of overheating in the following superheaters 60 or 61 rises above the allowable limit, the thermostat reacts at 62 or 63 and automatically opens valve 64 (65), which then allows an additional quantity of water to pass through until the superheating temperature has fallen to the maximum set value.
If all the water introduced does not manage to be vaporized immediately or if, on purpose, an excess of water is injected, a more or less quantity of water collects in the lower part of the vaporizer. This water contains appreciable amounts of energy in the form of heat and pressure. It is therefore important that it be evacuated and collected without loss. Therefore, the present invention has
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a further object of the process is the process by which this excess water is discharged, by means of suitable devices, from the capacities in which the injection and vaporization takes place and is then collected with a view to its subsequent use.
For this purpose, the body of the vaporizers can be provided at its lower part with a small collecting chamber communicating with a larger collecting tank common to all the vaporizers. The connection is effected by means of a float valve or else a diaphragm. The latter is dimensioned so as to allow a sufficient quantity of water to flow out but to prevent the passage of large quantities of vapor, for example from a vaporizer. riser to the next. The common collector is shown, in Fig. 1, by the tank 25, and the common discharge pipe is, designated by the number 24.
In Fig. 2, the diaphragms 45 are depleted in the collecting line 46. The common collecting tank is shown in section under the numeral 47. In FIG. 5, the flow lines are presented at 56 without, however, their collecting line or their reservoir.
The reservoir intended to receive the excess water injected can still be used for another use. It can also be used as a steam accumulator or buffer tank to balance variations in steam consumption.
If the superheaters and vaporizers correspond, by their role in the new steam generator in question here, to the boilers of an ordinary boiler, the collecting tank here equivalent to the upper and lower bodies of an ordinary boiler, it is that is to say the parts allowing the accumulation of the water to be vaporized and of the vapor already produced.
As, as indicated in FIG. 1, on the one hand the last vaporizer 18 communicates with the distribution pipe 26 by means of the pipe 34, but that, on the other hand,
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the last superheater 28 is in communication with the steam dome 27, if it happens that the available steam is temporarily in excess, this steam can be introduced into the water chamber of the tank 25, where it will condense in giving rise to an increase in pressure. Conversely, in the event of a temporary shortage of steam, steam can be taken from the reservoir at 27, the pressure then lowering in the reservoir. In addition, the water which had been injected in excess into the heat exchangers (vaporizers) and which had flowed into the tank can be taken up in whole or in part to be reinjected.
It is suitable for this ,. effect of the gate at the pressure necessary for injection by means of a pump. The diagram of FIG. 2 shows this operating mode; Excess water collecting pipe is designated by 46 and the reservoir by 47, while the pump in question and its drive motor (for example an electric motor) are respectively represented by 48 and 49. The suction line of the pump is connected to the tank and the delivery line goes to the vaporizers 13 to 18, which can also be supplied from the excitation boiler through line 5.
If the supply is carried out exclusively by means of water taken from the tank by the pump 48, the valve 70 is closed and the water from the tank is sent directly into the tank, via the pipe 71. reheated injection into the excitation boiler, or even the cold feed water. In this case, the level of the water in the tank 47 must be regulated by means of a float valve 72.
It is also advantageously possible to drive the boom 48 by means of a steam turbine 73. As a safety measure, it is also possible to couple to the turbine an electric motor which runs without load and receives current only when the speed is reached. - the angle of the pump falls below a certain limit.
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The safety of operation and the correct operation of the present steam generator still require various details which are still included in the object of the present invention. For example, heat exchangers (vaporizers) must be fitted with sludge separators. It may also be necessary, especially if the injection of the water in finely divided form takes place by means of nozzles, to bring the water to a pressure considerably higher than that of the vapor. If the excitation steam and the injection water come from the same boiler, as indicated for example at 2 and 3 of FIG. 1 and if therefore the steam and the water are at the same pressure, the pressure of the steam intended for the vaporizers must be artificially lowered.
A pressure reducer can be used for this purpose, which is indicated at 29 in the example of FIG. 1.
Construction is simplified when all the parts used have the same dimensions. This can be achieved by giving all superheater elements equal areas and arranging them evenly around the fireplace and in the flues. In addition, all the superheaters or groups of superheaters will be connected together in cascade and their passage areas and sections will be calculated (for example by connecting several superheater elements in parallel), in such a way that, for each superheater or group of superheaters the bodies of the vaporizers and the injection nozzles have the same size and construction.
The steam generator thus proposed also has the advantage that the parts of the boiler which contain relatively large quantities of water and steam, such as, for example, the excitation boiler and the collector, are separated from the superheater tubes, c 'that is to say, organs used properly for the production of steam and which are
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arranged in the flues. This makes it possible to completely isolate certain components without interrupting the service and to equip the overheating tubes with check valves or rupture valves, which automatically isolate the tube concerned from the generator in the event that it should fail. to break up.
These same reasons mean that the steam generator can work as a fast generator and as a peak boiler. The superheating tubes used for the actual production of the steam can, unlike the boilers of ordinary boilers, have a small diameter. The wall thickness of these tubes is therefore low, even for high vapor pressures. The weight of the heating surfaces is, therefore, extremely low compared to the case of a boiling tube boiler with the same heating surface. The water chamber is omitted, as well as the masses of the tanks necessary, in ordinary boilers, to contain these quantities of water.
With a suitable heating method, for example with pulverized coal, the present generator allows immediate steam production, since only the small masses of the superheaters have to be brought up to the operating temperature, while the Steam generation begins immediately with the injection of water into the superheated steam.
When there is an immediate need for steam, it is usually taken directly from vaporizers and superheaters; dant, if the tank is under pressure or if sufficient time is available to pressurize it, the vapor intake can also take place via this tank. The present generator can therefore be operated as desired as a purely aquatubular boiler or else, by interposing the steam collector acting as an accumulator, as a boiler with a large water chamber.
To facilitate the operating mode described, ensure that the tank is always under
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pressure, that is to say that the water it contains is and remains at a temperature roughly corresponding to the pressure of the steam. To this end, when the boiler is stopped, for example, the remaining steam will be sent into the water chamber and even, during the service, part of the steam will also be constantly passed into the water chamber of the tank. .
In order not to be obliged to wait for the excitation steam from the excitation boiler when restarting, it is in many cases possible to also take this excitation steam from other sources, for example at boilers already in service and working at the same pressure. Another very useful method is to use what is called a heat pump or heat pump.
Such a pump makes it possible, especially if it is constructed as a piston pump and even when the contents of the reservoir have cooled considerably, to transform part of the water in the collector into steam by the effect of a reduction. - tion of suitable pressure, then to compress the steam to the pressure it should have in the superheaters.
The use of a heat pump therefore makes the excitation boiler superfluous, not only during start-up, but even in normal service.
Fig. 6 again represents the diagram of the steam generator. Reference numbers for like parts are the same as in FIG. 1. This figure also shows the connection of the pump for the injection water which is drawn from the tank and the motor driving this pump. In addition, 75 designates the suction line of the heat pump, itself designated by 76 and its drive motor by 77. The figure further indicates a communication line 78 controlled by the heat pump. valve 79 and which allows to conduct the excess steam, or that which continues to be produced after the ar-
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stop the boiler in all the superheaters and condense it in the water chamber of the tank.
As, unlike the upper body of normal boilers, this tank can operate with a very variable level, it is possible, for example, in the case of having to accumulate a large quantity of steam in the tank, to prevent an excessive rise. pressure by supplying with cold water.
Instead of water, it is also possible to put in the reservoir a liquid with a high boiling point, in order to reach high temperatures with low pressures in said reservoir. It is then necessary to conduct the superheated water vapor in coils where it condenses and gives up its heat to the liquid with a high boiling point.
To produce additional water vapor or to heat the injection water, pressurized water is forced into these coils where it takes up the heat accumulated in the high boiling point liquid.