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" GENERATEUR DE VAPEUR "
La présente invention est relative à des généra- teurs de vapeur, dans lesquels le combustible est brlé par déflagration dans un récipient clos avec élévation de la pression, et dans lesquels cette élévation de pression est utilisée pour imprimer aux produits de la combustion
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des vitesses d'écoulement élevées,. dans le but d'augmenter la transmission de la chaleur aux surfaces de chauffe.
L'é- lévation de la pression et les vitesses élevées des gaz,qui atteignent la vitesse du son et peuvent même la dépasser, déterminent une transmission tellement considérable de la chaleur aux parois, que celles-ci sont elles-mêmes fortement chauffées et conservent, par suite de leur masse, leur tem- pérature élevée même encore lorsque les gaz sont déjà re- tombés à des températures plus basses par suite de leur dé- tente au récipient. Si les déflagrations se succèdent très rapidement, il peut se présenter que la paroi du tube se trouve à une température à peine inférieure ou même franche- ment supérieure à celle des produits de combustion détendue léchant la paroi.
Dans ce càs, la chaleur restante des gaz ne peut plus être utilement cédée, il peut même se produire au contraire que la paroi restitue de la chaleur aux gaz brûlés (épuisés) .
L'invention a pour obet un perfectionnement destiné à remédier à cet inconvénient, Ce perfectionnement consiste à munir les générateurs de vapeur, du genre décrit de deux échangeurs de chaleur distincts (vaporisateurs,réchauffeurs, etc...) dont l'un est chauffé par les produits de combustion très chauds et à haute pression, tandis que l'autre est chauffé par les produits de combustion détendus, c'est-à-dire par les gaz brûlés dits résiduaires. Grâce à ce dispositif, il subsiste constamment entre les produits de combustion et la paroi des tubes une chute de température au vrai sens du mot, puisque la masse métallique du tube qui, surtout au début de la décharge, se trouve portée à une haute tempéra- ture ne vient plus en contact avec des gaz brûlés de basse température.
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A la Fig. 1 du dessin est représenté schématiquement titre d'exemple, un générateur de vapeur disposé suivant l'invention.
I est la chambre de combustion, dans laquelle des mélanges de combustibles et d'air sont brûlés par déflagra- tion. Dans ce but, l'air comburant, après avoir été porté par un compresseur 2 à une certaine pression, est introduit en 3, y est mélangé avec un combustible tel qu'un gaz, de l'huile ou du charbon pulvérisé, et le mélange allumé au moyen d'un dispositif d'allumage approprié. Afin de mainte- nir dans la chambre de combustion la compression que le com- presseur est capable de fournir, et pour obtenir une pression de déflagration élevée, les soupapes de décharge 4 et 5 sont. fermées pendant la période de la compression finale et de la déflagration.
Lorsque la déflagration arrive presque à son maximum, une seule de ces soupapes, par exemple la soupape 4, s'ouvre d'abord et admet à l'échangeur de chaleur 6 les pro- duits de combustion, qui sont à haute pression et à une tem- pérature élevée.
Cet échangeur de chaleur se compose d'un grand nom- bre de tubes de faible diamètre qui sont baignés de toutes parts par de l'eau en circulation. Puisque l'énergie libérée par la déflagration est transmise presque intégralement aux gaz qui s'écoulent, et se trouve convertie en vitesse, et que cette vitesse détermine, en combinaison avec la tempéra- ture élevée du fluide, et sa grande densité, une transmission de chaleur extrêmement énergique, les tubes s'échauffent, malgré la transmission également abondante de la chaleur du c8té de la surface baignée par l'eau, à une température qui peut tre supérieure à celle des produits de la combustion après leur détente complète.
Maispour enlever encore le plus
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possible de chaleur au reste des gaz brûlés, le générateur comprend un deuxième échangeur de chaleur identique 7 dont la soupape de décharge 5 s'ouvre dès que la pression au réci- pient est descendue, par suite de la détente, à une pression faible, par exemple à la pression finale ou de refoulement du compresseur. Les gaz brûlés chassés de la chambre I par l'air comburant nouveau, ou par un jet spécial d'air de ba- layage, rencontrent alors dans cet échangeur de chaleur 7 des parois plus froides et peuvent par conséquent céder encore le reste de leur chaleur.
Les tubes de fumée des deux échan- geurs peuvent déboucher soit ensemble soit séparément dans une turbine à gaz 8 qui utilise leur énergie résiduelle, c'est-à-dire soit la vitesse qui leur est encore inhérente, soit une chute de pression encore subsistante qui aura été convertie en vitesse dans les tuyères 9. Cette turbine à gaz sert à actionner le compresseur et éventuellement d'autres machines auxiliaires.
Aux deux échangeurs de chaleur on réchauffera avec avantage des eaux de température différente. C'est ainsi que le réchauffeur à haute pression 6 pour les gaz à haute pres- sion sera alimenté avec de l'eau qui a déjà été portée à la température de vaporisation , par exemple avec de l'eau pré- levée aux courants de circulation de la chaudière 10, tandis que l'échangeur de chaleur de basse pression 7, desservi par les gaz détendus, est traversé.par de l'eau plus froide,par exemple.par l'eau d'alimentation froide ou peu réchauffée.
L'eau de circulation prélevée est portée par la pompe .11 à une vitesse d'écoulement considérable, de telle sorte que les bulles de vapeur formées sont entraînées et n'arrivent à se dégager que dans la chaudière 10. L'introduction de l'eau
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d'alimentation dans l'échangeur de chaleur 7 s'effectue au moyen de.la pompe alimentaire 12. Si elle est réchauffée à une température suffisante, l'eau d'alimentation peut être mélangée directement à l'eau de circulation retournant à la chaudière, ce qui est indiqué par la communication 13. A la place de l'eau de circulation, on pourrait aussi envisager l'emploi d'un liquide d'un point d'ébullition élevé, qui se- rait utilisé au chauffage d'une chaudière à vapeur montée à part.
Les gaz qui pas,sent par l'échangeur de chaleur à basse pression ont à la fois un volume spécifique supérieur à celui des, gaz de l'échangeur à haute pression et une vitesse inférieure à celle de ces derniers. Afin d'abréger le plus possible la durée des décharges, il est avantageux d'adopter pour l'échangeur de chaleur à basse pression des sections de passage plus grandes que pour l'échangeur de chaleur à haute pression, ce qui peut s'obtenir soit. en augmentant le nombre des tubes, soit en donnant à ces derniers un diamètre inté- rieur plus grand.
Chaque échangeur de chaleur a sa propre soupape de décharge. Cette soupape doit être commandée, et cela de telle manière que la soupape de décharge à haute pression s'ouvre dès que la déflagration est à peu près terminée, et que la soupape de déoharge à basse pression s'ouvre vers la fin de la détente, par exemple lorsque la pression de compression se trouve atteinte.-La soupape à haute pression peut être fermée dès que la soupape à basse pression s'ouvre, elle peut cependant aussi être laissée ouverte et n'être fermée qu'en même temps que la soupape à basse pression, c'est-à- dire juste avant la fin du nouveau chargement.
La commande des soupapes est automatique, et est assurée, soit à partir
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d'un arbre distributeur actionné par l'intermédiaire de dispositifs spéciaux, c'est-à-dire réglée en fonction du temps, soit directement en fonction des conditions de pres- sion à l'intérieur du récipient.
Comme les échangeurs de chaleur ne travaillent,par conséquent, jamais qu'une partie du temps, chacun d'eux peut être combiné avec deux chambres de combustion situées l'une à côté de l'autre et dont les déflagrations sont dé- calées chaque fois d'un demi-temps.
Les deux soupapes de décharge du même échangeur de chaleur ouvrent alors l'une après l'autre, de telle sorte que l'échangeur de chaleur reçoit alternativement les pro- duits de combustion d'une chambre de combustion et ceux de l'autre.
On peut, d'autre part, réunir aussi l'échangeur de chaleur à haute pression et l'échangeur à basse pression en un corps unique, les différents circuits d'eau étant sépa- rés dans ce cas, de même que les parcours des gaz, par une ou plusieurs cloisons de séparation.
La Fig. 2 montre la disposition d'un tel échangeur dé chaleur combiné. La partie haute pression se trouve en haut. Les gaz à haute pression entrent en 20 et s'échappent de l'échangeur en¯21. Les gaz à basse pression entrent en 22 et s'échappent en 23. En amont de 20 et 22, ou en aval de 21 et 23 il faut se représenter les soupapes de décharge à haute et à basse pression qui s'ouvrent alternativement.
L'eau de circulation de la chaudière arrive en 24 et ressort en 25, tandis que l'eau d'alimentation nouvelle arrive en 26, pour ressortir en 27. Les deux circulations sont séparées au moyen de la cloison de séparation 28 qui est prolongée jusque dans les chapelles des soupapes de décharge.
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Les dispositifs décrits permettent encore un mode de travail' important de l'installation de générateurs de va- peur. L'air comburant et l'air de balayage doivent être fournis, comme il a été expliqué, par un compresseur qui doit à son tour être actionné par une turbine à gaz. Comme agent moteur on dispose de l'énergie résiduaire des gaz dont la pression et la température ont été portés dans la chambre de combustion à la valeur voulue-.
Pour pouvoir conduire la marche d'une façon ration- nelle, il est nécessaire de régler la détente des gaz par un choix approprié des dimensions des tubes échangeurs de cha- leur et de la section de passage libre des tuyères de la tur- bine à gaz de telle façon que les gaz conservent encore suf- fisamment d'énergie pour pouvoir actionner le compresseur et éventuellement d'autres machines auxiliaires.
Or il peut ar- river que des variations de la charge ou encore des circon- stances imprévues rendent insuffisante l'énergie parvenant à la turbine à gaz. c'est là alors que le deuxième échangeur de chaleur proposé suivant la présente invention, vient re- médier à la situation, la soupape de décharge à basse pres- sion pouvant s'utiliser alors comme soupape de surcharge.Si par exemple la vitesse du compresseur faiblit, le commence- ment de l'ouverture de la soupape à basse pression peut être avancé au moyen de dispositifs appropriés, de telle sorte que les sections de passage des gaz, qui se trouvent ainsi con- sidérablement augmentées, laissent passer davantage de gaz à haute pression, si bien que la pression des gaz et leur tem- pérature à l'entrée de la turbine à gaz se trouvent augmen- tées.
Ce relevèment entraîne l'augmentation désirée de la puissance de la turbine à gaz .
Au lieu d'une chambre de combustion unique comme le @
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montre la Fig. 1, on pourrait bien entendu aussi en utiliser plusieurs dont les gaz alimentent une turbine à gaz commune qui actionne la compresseur commun chargé de fournir l'air.
Dans ce cas, la chaudière 10 à laquelle se prend l'eau de circulation et où s'effectue le dégagement de vapeur, est également commune à toutes les chambres de combustion.
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" STEAM GENERATOR "
The present invention relates to steam generators, in which the fuel is burnt by deflagration in a closed container with a rise in pressure, and in which this rise in pressure is used to impart to the products of combustion
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high flow velocities ,. in order to increase the transmission of heat to the heating surfaces.
The rise in pressure and the high velocities of the gases, which reach the speed of sound and can even exceed it, determine such a considerable transmission of heat to the walls, that the latter are themselves strongly heated and retain , owing to their mass, their high temperature even still when the gases have already fallen to lower temperatures as a result of their expansion in the container. If the blasts follow one another very quickly, the tube wall may be at a temperature barely lower or even significantly higher than that of the expanded combustion products licking the wall.
In this case, the remaining heat of the gases can no longer be usefully transferred, it may even happen on the contrary that the wall restores heat to the burnt (exhausted) gases.
The object of the invention is an improvement intended to remedy this drawback. This improvement consists in providing the steam generators of the type described with two separate heat exchangers (vaporizers, heaters, etc.), one of which is heated. by the very hot and high-pressure combustion products, while the other is heated by the expanded combustion products, that is to say by the so-called waste gases. Thanks to this device, there always remains between the combustion products and the wall of the tubes a temperature drop in the true sense of the word, since the metal mass of the tube which, especially at the start of the discharge, is brought to a high temperature. - ture no longer comes into contact with low temperature burnt gases.
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In Fig. 1 of the drawing is shown schematically by way of example, a steam generator arranged according to the invention.
I is the combustion chamber, in which mixtures of fuel and air are burnt by deflagration. For this purpose, the combustion air, after being brought by a compressor 2 to a certain pressure, is introduced at 3, is mixed there with a fuel such as gas, oil or pulverized coal, and the mixture ignited by means of a suitable ignition device. In order to maintain in the combustion chamber the compression which the compressor is capable of providing, and to obtain a high deflagration pressure, the relief valves 4 and 5 are. closed during the period of final compression and deflagration.
When the deflagration is almost at its maximum, only one of these valves, for example valve 4, opens first and admits to the heat exchanger 6 the combustion products, which are at high pressure and at high pressure. high temperature.
This heat exchanger consists of a large number of small diameter tubes which are bathed on all sides by circulating water. Since the energy released by the deflagration is transmitted almost entirely to the flowing gases, and is converted into speed, and this speed determines, in combination with the high temperature of the fluid, and its great density, a transmission With extremely energetic heat, the tubes heat up, despite the equally abundant transmission of heat from the side of the surface bathed in water, to a temperature which may be higher than that of the combustion products after their complete expansion.
But to take away the most
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possible heat to the rest of the burnt gases, the generator comprises a second identical heat exchanger 7, the discharge valve 5 of which opens as soon as the pressure in the vessel has dropped, as a result of the expansion, to a low pressure, for example at the final or discharge pressure of the compressor. The burnt gases expelled from chamber I by the new combustion air, or by a special jet of purging air, then encounter colder walls in this heat exchanger 7 and can consequently still give up the rest of their heat.
The flue tubes of the two exchangers can lead either together or separately into a gas turbine 8 which uses their residual energy, that is to say either the speed which is still inherent in them, or a pressure drop still remaining. which will have been converted into speed in the nozzles 9. This gas turbine is used to operate the compressor and possibly other auxiliary machines.
At the two heat exchangers, water of different temperature will be heated with advantage. Thus, the high pressure heater 6 for the high pressure gases will be supplied with water which has already been brought to the vaporization temperature, for example with water taken from the streams of circulation of the boiler 10, while the low pressure heat exchanger 7, served by the expanded gases, is traversed by colder water, for example by cold or slightly heated feed water.
The circulating water drawn off is carried by the pump .11 at a considerable flow speed, so that the vapor bubbles formed are entrained and only manage to escape in the boiler 10. The introduction of l 'water
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feed into the heat exchanger 7 is effected by means of the feed pump 12. If it is reheated to a sufficient temperature, the feed water can be mixed directly with the circulation water returning to the boiler, which is indicated by communication 13. Instead of circulating water, one could also consider the use of a liquid with a high boiling point, which would be used for heating the boiler. a steam boiler mounted separately.
The gases which are not smelled through the low pressure heat exchanger have both a specific volume greater than that of the gases of the high pressure exchanger and a speed less than that of the latter. In order to shorten the duration of the discharges as much as possible, it is advantageous to adopt for the low pressure heat exchanger larger passage sections than for the high pressure heat exchanger, which can be obtained is. by increasing the number of tubes, or by giving them a larger internal diameter.
Each heat exchanger has its own relief valve. This valve must be controlled, and this in such a way that the high pressure relief valve opens as soon as the deflagration is nearly over, and the low pressure relief valve opens towards the end of the expansion. , for example when the compression pressure is reached - The high pressure valve can be closed as soon as the low pressure valve opens, however it can also be left open and only closed at the same time as the valve at low pressure, that is to say just before the end of the new loading.
The valve control is automatic, and is ensured either from
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a distributor shaft actuated by means of special devices, that is to say adjusted as a function of time, or directly as a function of the pressure conditions inside the container.
As the heat exchangers therefore only work part of the time, each of them can be combined with two combustion chambers located one next to the other and whose deflagrations are offset each time. times of half a time.
The two relief valves of the same heat exchanger then open one after the other, so that the heat exchanger alternately receives the combustion products from one combustion chamber and those from the other.
On the other hand, it is also possible to combine the high pressure heat exchanger and the low pressure exchanger in a single body, the different water circuits being separated in this case, as well as the paths of the water pipes. gas, by one or more partitions.
Fig. 2 shows the arrangement of such a combined heat exchanger. The high pressure part is at the top. The high pressure gases enter at 20 and escape from the exchanger at ¯21. The low pressure gases enter at 22 and escape at 23. Upstream of 20 and 22, or downstream of 21 and 23, one must imagine the high and low pressure relief valves which open alternately.
The circulation water from the boiler arrives at 24 and leaves at 25, while the new feed water arrives at 26, to exit at 27. The two circulations are separated by means of the partition wall 28 which is extended. even in the chapels of the relief valves.
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The devices described still allow an important working mode of the installation of steam generators. Combustion air and purge air must be supplied, as explained, by a compressor which in turn must be powered by a gas turbine. As the driving agent, the residual energy of the gases is available, the pressure and temperature of which have been raised in the combustion chamber to the desired value.
In order to be able to conduct operation rationally, it is necessary to regulate the expansion of the gases by an appropriate choice of the dimensions of the heat exchanger tubes and of the free passage section of the nozzles of the turbine at gas in such a way that the gases still retain sufficient energy to be able to operate the compressor and possibly other auxiliary machinery.
However, it may happen that variations in the load or even unforeseen circumstances make the energy reaching the gas turbine insufficient. this is where the second heat exchanger proposed according to the present invention remedies the situation, the low pressure relief valve then being able to be used as an overload valve. compressor weakens, the start of the opening of the valve at low pressure can be advanced by means of suitable devices, so that the gas passage sections, which are thus considerably increased, allow more gas to pass through. gas at high pressure, so that the pressure of the gases and their temperature at the inlet of the gas turbine are increased.
This increase results in the desired increase in the power of the gas turbine.
Instead of a single combustion chamber like the @
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shows in Fig. 1, one could of course also use several, the gases of which feed a common gas turbine which actuates the common compressor responsible for supplying the air.
In this case, the boiler 10 from which the circulation water is taken and where the release of steam takes place, is also common to all the combustion chambers.