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L'invention concerne un foyer destiné en particu- lier à des machines à vapeur. L'invention a peur but de permettre d'obtenir une utilisation de la chaleur meilleure (des coefficients de transfert de chaleur plus élevés) que celle qu'il était possible d'atteindre jusqu'ici. On obtient ce résultat en faisant en sorte qu'un mélange d'air et de combustible soit allumé, refoulé à une grande vitesse sur la surface à chauffer et déplacé par dessus cette surface. On peut obtenir la vitesse nécessaire dans un espace relativement petit en refoulant le mélange d'air et de combustible au moyen d'une ou plusieurs tuyères dans un foyer au moins sensiblement cylindrique.
La combustion du combustible a donc lieu dans un courant gazeux incandescent et tournant. On peut régler à volonté la réaction de combustion, dans un foyer à gaz et à huile par exemple, en faisant arriver plus ou moins de
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Tapeur d'eau ou d'air auxiliaire, ou les deux; lorsqu'il s'agit de charbon pulvérulent on règle en outre la finesse.
On obtient non seulement une très haute température et sur- tout un rayonnement intense sur les parois du foyer, les gaz auxquels un mouvement de rotation rapide est imprimé sont aussi pressés dynamiquement sur les parois à chauffer par suite de la force centrifuge qui se produit, ce qui, conjointement avec la turbulence, qui se produit également, a pour effet d'augmenter très sensiblement le coefficient de transfert de la chaleur.
En outre la transmission de la chaleur est encore augmentée par une forme et un trajet appropriés donnés au jet de gaz. Par exemple le mélange d'air et de combustible auquel un mouvement tourbillonnant a déjà été imprimé par des moyens particuliers peut être introduit tangentiellement à la périphérie du foyer avec une grande vitesse, par exemple par un brûleur à tuyère annulaire, ou au moyen de cannaux directeurs fixes ou mobiles; l'allumage a lieu sur le gaz du foyer qui brûle déjà et qui tourne rapidement. Les jets sortant des conduites d'arrivée constituent alors une masse de rotation de gaz du foyer ayant une densité relativement grande.
Suivant l'angle d'entrée du mélange de combustible les gaz du foyer se déplacent en hélice le long des parois du foyer et au début en forme d'hélice conique, et ce n'est qu'à une certaine distance de l'entrée que le mouvement devient hélicoïdal. La progression de la masse gazeuse animée d'un mouvement de rotation, dans le sens axial (pas de l'hélice) est en outre réglée par la variation de l'angle d'entrée et par un apport supplémentaire d'air frais et de vapeur d'eau, ces substances étant introduites dans un sens approprié au moyen de tuyères et refoulées dans la masse gazeuse en rotation.
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Le déplacement axial de la masse en rotation est déplacé par la position et la grandeur d'un écran (diaphragme) s'engageant dans un foyer; en outre les résidus solides de la combustion sont projetés au dehors par la force centrifuge et recuieillis dans un canal servant de cendrier.
Les dessins annexés représentent à titre d'exemple le foyer conforme à l'invention.
La fig. 1 est une coupe axiale d'une chaudière munie d'un foyer à huile conforme à l'invention.
La fige 2 est une coupe transversale par la ligne Il-Il de la fig. 1 et par le foyer de la chaudière.
La fig. 3 est une coupe longitudinale du foyer à charbon pulvérulent.
La fig. 4 est une coupe transversale par la ligne III-III et par l'entrée du foyer comportant une tuyère annulaire.
La fig. 5 est une coupe longitudinale d'une chaudière de grande puissance.
La fig. 6 est une coupe transversale et
La fige 7 est une vue d'une variante de la chau- dire comportant un surchauffeur.
A l'intérieur d'une chaudière cylindrique 1 (fig.
1 et 2) est monté le tube-foyer cylindrique 2. Le tube-foyer s'élargit à une extrémité de la chaudière pour former la chambre de combustion 3 en forme de cannelures dans laquelle la tubu- lure 4 par laquelle arrive l'air de combustion débouche tangen- tiellement par la tuyère à combustible 5. En outre la périphé- rie extérieure de la chambre de combustion comporte une tubu- lure 6 destinée à introduire de l'air auxiliaire et une tuyère 7 pour l'arrivée de vapeur d'eau. Le trou d'homme de la chambre
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de combustion est fermé par un couvercle 8. Pour des usages déterminés, par exemple pour le montage de groupes de bouilleurs et de surchauffeurs, le tube-foyer peut aussi avoir une ouver- ture plus grande, par exemple suivant les contours indiqués par la ligne 9.
Il importe seulement dans ce cas quil reste un épanouissement annulaire 10 du coté du tube-foyer pour ménager une chambre de combustion servant à contenir une masse gazeuse de chauffage animée d'un mouvement continuel de rotation.
La combustion dans le foyer de la chaudière et dans le tube-foyer subséquent est la suivante.
L'air de combustion est refoulé à une très grande vitesse à travers la tubulure 4 débouchant tangentiellement dans le foyer 3, tandis que du combustible de nature quelconque, par exemple des corps solides, liquides ou gazeux combustibles et dévisés sont insufflés à travers la tuyère à combustible 5 de façon qu'on obtienne ainsi Un mélange d'air et de combustible.
Ce mélange brle dans le courant incandescent de gaz de chauffage animé d'un mouvement de rotation et tourne avec ce courant jusqu'à ce que la combustion soit complètement terminée; on obtient ainsi une température très élevée et, ce qui est très im- portant, un rayonnement très intense.
Comme on refoule constamment un nouveau.mélange dans le foyer 3, les gaz de chauffage tournants passent dans le tube-foyer 2 où leur mouvement se transforme en spirale de plus en plus allongée au fur et à mesure que les gaz s'éloignent du foyer. Pour agir sur la combustion par une arrivée d'air secondaire ou pour produire une couche d'air protectrice entre les parois du foyer et le courant de gaz de chauffage, l'ensemble comporte une ou plusieurs tubulures amenant de l'air qui débouche tangentiellement.
L'insufflation de vapeur (vapeur fraîche ou vapeur d'échappement) dans le courant de gaz de chauffage au moyen d'une ou plusieurs tuyères 7 a lieu pour différentes raisons
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La vapeur d'eau se dissoute dans le courant incandescent de gaz de chauffage et joue le rôle de catalyseur, ce qui fait qu'on obtient notamment une bonne combustion de la suie et que les parois de la chaudière restent également propres. En outre la vapeur est insufflée précisément à l'endroit où la réaction de combustion est la plus violente, pour que les parois du foyer ne s'échauffent pas de façon exagérée à cet endroit.
Pour augmenter l'action réfrigérante de la vapeur d'eau insufflée sur les parois du foyer, celui-ci peut aussi être doublé de matière réfractaire, telle que/du carborundum, du corindon, etc. ou de métal réfractaire.
Dans la variante représentée par les fig. 3 et 4 la paroi antérieure d'une chaudière 11 à tube-foyer cylindrique et lisse 12, c'est-à-dire la chambre dite d'allumage, est doublée de matière réfractaire 13. Le foyer 14 comporte un canal annu- laire 15 et une tubulure 16 à travers laquelle on insuffle le mélange de combustible et d'air. La porte de contrôle 18 montée dans une couronne 17 en matière réfractaire, porte qui est également doublée de matière réfractaire, contient le trou d'allumage 19 qui sert aussi de fenêtre de contrôle.
Le mélange de combustible entre dans le foyer à une grande vitesse en passant par des canaux conducteurs ménagés sur la périphérie du foyer ou par des aubes conductrices 20 pouvant être fixes ou mobiles et faire un angle quelconque de préférence très voisin de l'angle droit, par rapport à l'axe longitudinal du foyer et s'allume sur les gaz déjà in- candescents. Suivant la position des canaux conducteurs ou aubes conductrices, les gaz du foyer fournissent des flammes ayant des formes différentes, mais qui, dans leur parcours sub- séquent, c'est-à-dire au fur et à mesure de la progression du mouvement en spirale dans le sens de l'axe longitudinale,
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se transformenet en'un cylindre creux de flammes.
L'air amené après coup pour le réglage de la com- bustion de la vitesse du gaz et de la direction de l'écoulement, ainsi que la Tapeur d'eau, entrent dans le foyer en passant par un ou plusieurs tuyaux ou tuyères 21 et 22 ou lumières 23 et 24 se succédant de façon quelconque et dans une direction quelconque @ et comportant ou non des aubes directrices. outre l'effet déjà connu, la Tapeur d'eau ainsi que l'air serrent donc, en arrivant de façon quelconque, comme on l'a vu plus haut, dans les gaz incandescents et animés d'un mouvement de Dotation, à régler la spirale de flamme, c'est-à- dire à faire varier le pas et par suite aussi la progression de la spirale dans le sens de l'axe.
Lorsque les gaz du foyer, qui tournent rapidement et en spirale, ont cédé une partie de leur chaleur aux parois du foyer par suite du mouvement tourbillonnaire et du rayonnement intense, c'est-à-dire avec un coefficient élevé de transfert de la chaleur, l'action centrifuge de la masse tournant de gaz du foyer, action qui persiste encore, est utilisée pour projeter au dehors les résidus de la combustion et les cendres. Un écran rond 25 (fig. 3) cane creux tronqué et concentrique) arrête la progression axiale de la masse gazeuse tournante dans le sens de l'axe pour projeter les résidus de la combustion, qui sont plus lourde, et les cendres sous l'action de la force centrifuge dans un cendrier 16. Ce cendrier peut être constitué par une fente ou une ouverture ronde traversant le foyer entièrement ou partiellement.
Les gaz du foyer, qui sont plus légers, sont re- foulés à travers l'ouverture 27 en partie par l'action de retenue de l'écran et aspirés en partie à travers cette ouverture 7 par l'action d'aspiration d'un conduit d'échappement naturel ou
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artificiel des gaz de la fumée, pour céder, dans la partie sub- séquente de la chaudière, la chaleur qu'ils peuvent encore con- tenir et qui peut servir à d'autres usages quelconques.
Le foyer peut aussi fonctionner au gaz ou avec du gaz d'échappement de moteurs à combustion interne. Pour brûler brûler de l'huile, également dans le but d'augmenter le transfert de la chaleur, il faudrait encastrer des tuyères de pulvérisation 28 dans le canal annulaire, l'air de combustion étant introduit comme dans le chauffage au charbon pulvérulent ou au gaz. Dans un cas comme dans l'autre le mélange combustible entre toutefois dans le foyer en passant par la tuyère annulaire et les canaux directeurs ou les aubes directrices. Lorsque le chauffage a lieu exclusivement à 1 huile ou au gaz il est inutile de monter un écran à l'intérieur pour arrêter les cendres.
Le foyer qui fait l'objet de 1 invention peut être utilisé dans les chamdières à vapeur aussi bien que pour les foyers industriels; dans ce dernier cas c'est parfois moins l'augmentation du transfert de la chaleur que le rayonnement intense des gaz du foyer qui présente des avantages, en plus de la forme réglable des flammes.
La section du foyer comportent des brûleurs con- formément à l'invention est de préférence ronde ou ovale, mais on peut utiliséer aussi des sections ayant une autre forme.
Les fig. 5, 'X et 1 montrent un mode de construction avantageux d'une chaudière à vapeur.
Le, foyer cylindrique 31 est constitué par des tuyaux annulaires 32 très rapprochés les uns des autres et reliés d'une part à une conduite d'arrivée Inférieure 33 et d'autre part au collecteur supérieur 34.
Le mélange combustible entre dans le foyer en pas- sant à travers les aubes directrices du brûleur à tuyère annulaire
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35 et tourne en hélice le long des tuyaux annulaires. L'arrivée d'air secondaire et de vapeur d'eau pour le réglage de la com- bustion et du pas de l'hélice de flammes a lieu à travers -des fentes ou lumières 36. L'écran 37 qui sert à arrêter les cendres est constitué par des tuyaux annulaires ou en spirale traversés par de l'eau et il peut servir aussi du réchauffeur d'eau.
Les cendres sont projectées dans le cendrier 38 et les gaz purs du foyer passent à travers une ouverture centrale de l'écran et entrent dans la partie suivante de la chaudière, qui contient un système de tuyaute surchauffe 40 et le cas échéant aussi d'autre surfaces de chauffe pour réchauffer de l'eau et de l'air, ce système permettant aussi le montage d'un adoucisseur d'eau.
Le montage représenté dans la fig. 5 convient par- ticulièrement bien pour les chaudières de locomotives, tandis exemple que la fig. 7 est un exemple de chaudière marine et stationnaire.
Le collecteur de vapeur 34 peut être monté plus haut et l'espace compris entre les tubes du foyer et le collecteur supérieur peut être utilisé avantageusement pour l'installation du surchauffeur ou du réchauffeur.
La transmission de la chaleur des gaz du foyer à l'eau ou à tout autre fluide moteur a lieu de la façon suivante.
Le combustible brûlé complètement dans un foyer de longueur déterminée cède sa chaleur aux tuyaux annulaires avec des coefficients très élevés pour le transfert de la chaleur, à cause du coefficient de rayonnement élevé, ainsi que de la grande vitesse et de la grande densité utilisées dans ce cas.
Le fluide moteur (l'eau) S'échauffe tellement rapidement que son évaporation se produit déjà dans les tuyaux annulaires, mais la pression est maintenue tellement haute dans les tubes et les tambonrs de communication, dont le diamètre intérieur
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est petit, qu'il ne se produit qu'une évaporation peu apprécia- ble dans les tuyaux annulaires. Comme les tuyaux annulaires sont toujours remplis de fluide moteur liquide, il est impossible qu ils soient détériorés par une surchauffe de la paroi tubulaire.
Au sortir du collecteur supérieur la vapeur ou un mélange de vapeur et d'eau entre dans la conduite9 et dans le surchauffeur, de construction particulière, qui sert en partie e d'évaporateur suppilentaire.
Le réglage du foyer dans de grandes limites par la variation de la vitesse de rotation et de la longueur des flammes permet une adaptation précise de l'evaporation à la com- sommation momentanée de vapeur et au besoin une augmentation telle que la production maxima de vapeur dépasse de beaucoup les valeurs connues jusqu'ici.
Le réglage peut être effectué par des moyens comnus; on peut régler dans de grandes limites la pression des gaz qui arrivent, l'étranglement des gaz qui sortent, ainsi que la com- bustion elle-même, par l'apport d'air, de combustible, etc.
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The invention relates to a fireplace intended in particular for steam engines. The invention is aimed at making it possible to obtain a better use of heat (higher heat transfer coefficients) than that which has hitherto been possible. This is achieved by causing a mixture of air and fuel to be ignited, forced at high speed over the surface to be heated and moved over this surface. The necessary speed can be obtained in a relatively small space by forcing the mixture of air and fuel by means of one or more nozzles in an at least substantially cylindrical hearth.
The combustion of the fuel therefore takes place in an incandescent and rotating gas stream. The combustion reaction can be adjusted at will, in a gas and oil fireplace for example, by causing more or less
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Auxiliary water or air mixer, or both; in the case of pulverulent carbon, the fineness is also adjusted.
We not only obtain a very high temperature and above all an intense radiation on the walls of the hearth, the gases to which a rapid rotational movement is imparted are also dynamically pressed on the walls to be heated as a result of the centrifugal force which occurs, which, together with the turbulence, which also occurs, has the effect of increasing the heat transfer coefficient very significantly.
Furthermore the heat transmission is further increased by a suitable shape and path given to the gas jet. For example the mixture of air and fuel to which a swirling movement has already been imparted by particular means can be introduced tangentially to the periphery of the hearth with high speed, for example by a burner with an annular nozzle, or by means of channels. fixed or mobile directors; ignition takes place on the gas from the fireplace which is already burning and turning rapidly. The jets emerging from the inlet pipes then constitute a rotating mass of gas from the furnace having a relatively high density.
Depending on the angle of entry of the fuel mixture, the gases in the fireplace move in a helix along the walls of the fireplace and initially in the form of a conical helix, and only at a certain distance from the inlet that the movement becomes helical. The progression of the gaseous mass animated by a rotational movement, in the axial direction (pitch of the propeller) is further regulated by the variation of the inlet angle and by an additional supply of fresh air and water vapor, these substances being introduced in an appropriate direction by means of nozzles and discharged into the rotating gaseous mass.
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The axial displacement of the rotating mass is moved by the position and size of a screen (diaphragm) engaging in a focus; furthermore, the solid residues of combustion are thrown out by centrifugal force and collected in a channel serving as an ashtray.
The accompanying drawings show by way of example the fireplace according to the invention.
Fig. 1 is an axial section of a boiler provided with an oil furnace according to the invention.
Fig 2 is a cross section through line II-II of FIG. 1 and by the boiler hearth.
Fig. 3 is a longitudinal section of the pulverulent charcoal hearth.
Fig. 4 is a cross section taken on line III-III and through the inlet of the furnace comprising an annular nozzle.
Fig. 5 is a longitudinal section of a high power boiler.
Fig. 6 is a cross section and
Fig. 7 is a view of a variant of the boiler comprising a superheater.
Inside a cylindrical boiler 1 (fig.
1 and 2) is mounted the cylindrical hearth tube 2. The hearth tube widens at one end of the boiler to form the combustion chamber 3 in the form of grooves in which the pipe 4 through which the air arrives. The combustion chamber emerges tangentially via the fuel nozzle 5. In addition, the outer periphery of the combustion chamber comprises a pipe 6 intended to introduce auxiliary air and a nozzle 7 for the arrival of steam from the combustion chamber. 'water. The manhole of the room
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combustion chamber is closed by a cover 8. For specific uses, for example for the assembly of groups of boilers and superheaters, the hearth tube can also have a larger opening, for example following the contours indicated by the line 9.
It is only important in this case that there remains an annular expansion 10 on the side of the hearth tube to provide a combustion chamber serving to contain a heating gas mass animated by a continuous rotational movement.
The combustion in the furnace hearth and in the subsequent hearth tube is as follows.
The combustion air is forced at a very high speed through the pipe 4 opening tangentially into the hearth 3, while fuel of any kind, for example solid, liquid or gaseous combustible and unscrewed bodies are blown through the nozzle. fuel 5 so that a mixture of air and fuel is thus obtained.
This mixture burns in the incandescent stream of rotating heating gas and rotates with this stream until combustion is completely terminated; a very high temperature is thus obtained and, what is very important, a very intense radiation.
As a new mixture is constantly being forced into the hearth 3, the rotating heating gases pass into the hearth tube 2 where their movement becomes a spiral more and more elongated as the gases move away from the hearth. . To act on the combustion by a secondary air inlet or to produce a protective layer of air between the walls of the fireplace and the heating gas stream, the assembly comprises one or more pipes bringing air which emerges tangentially. .
The blowing of steam (fresh steam or exhaust steam) into the heating gas stream by means of one or more nozzles 7 takes place for various reasons
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The water vapor dissolves in the incandescent stream of heating gas and acts as a catalyst, which in particular results in good combustion of the soot and the walls of the boiler also remain clean. In addition, the steam is blown precisely at the point where the combustion reaction is the most violent, so that the walls of the hearth do not heat up excessively at this place.
To increase the cooling action of the water vapor blown into the walls of the hearth, it can also be lined with refractory material, such as / carborundum, corundum, etc. or refractory metal.
In the variant represented by FIGS. 3 and 4 the front wall of a boiler 11 with a cylindrical and smooth hearth tube 12, that is to say the so-called ignition chamber, is lined with refractory material 13. The hearth 14 comprises an annular channel 15 and a pipe 16 through which the mixture of fuel and air is blown. The control door 18 mounted in a ring 17 of refractory material, which door is also lined with refractory material, contains the ignition hole 19 which also serves as a control window.
The fuel mixture enters the furnace at a high speed passing through conductive channels formed on the periphery of the furnace or through conducting vanes 20 which can be fixed or movable and make any angle, preferably very close to the right angle, in relation to the longitudinal axis of the firebox and ignites on gases which are already incandescent. Depending on the position of the conductive channels or conductive vanes, the gases of the hearth provide flames having different shapes, but which, in their subsequent course, that is to say as the movement progresses in spiral in the direction of the longitudinal axis,
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transforms into a hollow cylinder of flames.
The air supplied afterwards for the adjustment of the combustion, the speed of the gas and the direction of the flow, as well as the water mixer, enter the hearth through one or more pipes or nozzles 21 and 22 or lights 23 and 24 succeeding each other in any way and in any direction @ and including or not having guide vanes. In addition to the effect already known, the water taper as well as the air therefore squeeze, arriving in any way, as we have seen above, in the incandescent gases and animated by an Endowment movement, to be regulated the flame spiral, that is to say to vary the pitch and therefore also the progression of the spiral in the direction of the axis.
When the gases in the fireplace, which rotate rapidly and in a spiral, have given up part of their heat to the walls of the fireplace as a result of the vortex movement and the intense radiation, that is, with a high coefficient of heat transfer , the centrifugal action of the rotating mass of gas in the hearth, an action which still persists, is used to throw out the combustion residues and the ashes. A round screen 25 (fig. 3) truncated and concentric hollow cane) stops the axial progression of the rotating gas mass in the direction of the axis to project the combustion residues, which are heavier, and the ashes under the action of centrifugal force in an ashtray 16. This ashtray may consist of a slit or a round opening passing through the hearth entirely or partially.
The lighter gases from the hearth are returned through opening 27 in part by the retaining action of the screen and drawn in part through this opening 7 by the suction action of the screen. a natural exhaust duct or
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artificial smoke gases, to transfer, to the subsequent part of the boiler, the heat which they can still contain and which can be used for any other use.
The fireplace can also be operated with gas or with the exhaust gas of internal combustion engines. To burn oil to burn, also for the purpose of increasing heat transfer, it would be necessary to embed spray nozzles 28 in the annular channel, the combustion air being introduced as in the heating with powdery coal or carbon. gas. In either case, however, the combustible mixture enters the furnace via the annular nozzle and the guide channels or guide vanes. When the heating takes place exclusively with 1 oil or gas, there is no need to fit a screen inside to stop the ashes.
The hearth which is the object of the invention can be used in steam chambers as well as for industrial fireplaces; in the latter case, it is sometimes less the increase in heat transfer than the intense radiation of the gases from the hearth which has advantages, in addition to the adjustable shape of the flames.
The section of the hearth having burners according to the invention is preferably round or oval, but sections having another shape can also be used.
Figs. 5, 'X and 1 show an advantageous embodiment of a steam boiler.
The cylindrical hearth 31 is formed by annular pipes 32 very close to each other and connected on the one hand to a lower inlet pipe 33 and on the other hand to the upper manifold 34.
The combustible mixture enters the furnace by passing through the guide vanes of the annular nozzle burner.
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35 and rotates helically along the annular pipes. The arrival of secondary air and water vapor for the adjustment of the combustion and the pitch of the flame propeller takes place through slits or openings 36. The screen 37 which serves to stop the flames. ash is made up of annular or spiral pipes crossed by water and it can also serve as the water heater.
The ashes are projected into the ashtray 38 and the pure gases from the hearth pass through a central opening of the screen and enter the next part of the boiler, which contains a superheating piping system 40 and if necessary also other heating surfaces for heating water and air, this system also allowing the installation of a water softener.
The assembly shown in fig. 5 is particularly suitable for locomotive boilers, while, for example, FIG. 7 is an example of a marine and stationary boiler.
The steam manifold 34 can be mounted higher and the space between the tubes of the hearth and the upper manifold can be advantageously used for the installation of the superheater or the heater.
The transmission of heat from the gas in the fireplace to water or any other motor fluid takes place as follows.
The fuel burned completely in a hearth of determined length transfers its heat to the annular pipes with very high coefficients for heat transfer, due to the high radiation coefficient, as well as the high speed and high density used in this. case.
The motive fluid (water) Heats up so quickly that its evaporation already occurs in the annular pipes, but the pressure is kept so high in the tubes and the communication drums, whose internal diameter
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is small that little evaporation occurs in the annular pipes. As the annular pipes are always filled with liquid working fluid, it is impossible for them to be damaged by overheating of the tubular wall.
On leaving the upper manifold, the steam or a mixture of steam and water enters the pipe9 and the superheater, of particular construction, which partly serves as an additional evaporator.
The adjustment of the hearth within wide limits by varying the speed of rotation and the length of the flames allows a precise adaptation of the evaporation to the momentary consumption of steam and if necessary an increase such as the maximum production of steam. far exceeds the values known so far.
The adjustment can be effected by common means; the pressure of the incoming gases, the throttling of the outgoing gases, as well as the combustion itself, by the supply of air, fuel, etc., can be regulated within wide limits.