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"F o y er ".
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.