<Desc/Clms Page number 1>
"GENERATEUR DE VAPEUR il CHAUFFAGE SOUS PRESSION "
La présente invention a trait à un générateur de va- peur destiné à produire de la vapeur pure pour des usages quelconques et à une pression quelconque, et dans lequel le combustible est brûlé sous une pression constante et dépassant notablement la pression atmosphérique. L'élévation nécessaire à cet effet de la pression du mélange air-combustible est ob- tenue au moyen d'un compresseur entraîné par une turbine à gaz.
Les générateurs de vapeur dans lesquels le compresseur et la turbine à gaz forment un élément important de l'installation constituent un cas limite pour les turbines à gaz en général,
<Desc/Clms Page number 2>
car, ici, pour la production de la vapeur, on enlève aux gaz de combustion davantage de chaleur que n'en exigent strictement l'abaissement des températures des gaz moteurs et le refroi- dissement des parois (pour des raisons de résistance des matériaux) de sorte que finalement on ne dispose plus pour la production d'énergie dans la turbine à gaz que de la chute de chaleur que nécessite la turbine à gaz, par exemple pour l'entraînement du compresseur.
L'objet de l'installation est précisément la production de vapeur servant à actionner des turbines à vapeur, et non la production d'énergie utile par une turbine à gaz. Malgré cela, dans les générateurs de va- peur proposés jusqu'à ce jour, on s'en tenait étroitement aux conditions telles qu'elles se posent pour une installa- tion de turbines à gaz. Par exemple, on choisissa.it des pres- sions de compression très élevées ou bien, inversement, on s'inspirait à tort du précédent de la. surcompression des mo- teurs à combustion interne pour proposer de réaliser la turbi- ne à gaz comme pure turbine à gaz d'échappement avec faible chute de pression et de la placer à l'aval du courant des gaz chauffants.
Dans les deux cas, on visait à. rendre la chute de pression utilisée dans la turbine autant que possible égale à l'accroissement depression produit dans le compresseur, c'est-à-dire qu'on évitait toute chute importante de pression dans le générateur de vapeur proprement dit. Alors, le généra- teur ne se différenciait d'un générateur de vapeur chauffé à l'huile ou au gaz qu'en ce que la pression de combustion plus élevée entraînait avec lui la nécessité d'une conformation différente du foyer ainsi que des carneaux et que cette augmen- tation de pression permettait en outre une certaine réduction de l'étendue des surfaces chauffantes.
Mais les avantages reti- rés de l'augmentation de pression demeuraient faibles et
<Desc/Clms Page number 3>
compensaient à peine les inconvénients et les frais supplé- mentaires entraînés par l'augmentation de la pression dans la chambre de combustion et par les machines auxiliaires né- cessaires à cet effet. C'est pourquoi les générateurs de va- peur chauffés sous pression avec turbine à gaz n'ont pas trouvé d'utilisation en pratique.
Mais les générateurs de vapeur chauffés sous pression peuvent acquérir une importance considérable si, à côté des avantages que l'on peut escompter de la diminution des surfaces de chauffe par suite de la densité plus for- te des gaz chauffants, on tire également narti des avantages qu'on obtient en employant la différence de oression entre la chambre de combustion et l'air extérieur pour produire de très grandes vitesses d'écoulement des gaz chauffants et, par suite, une élévation encore plus accentuée de la trans- mission de chaleur et une réduction tant de la section de nas- sage des gaz chauffants que des surfaces chauffantes.
C'est ainsi qu'il a déjà été proposé de produire de grandes vi- tesses d'écoulement des gaz chauffants en créant, par la déflagration de mélanges convenables de combustible et d'air, des hautes pressions dans des chambres de combustion obtura- bles au moyen de soupapes, et en permettant alors aux gaz sous haute pression de s'écouler par les tuyaux chauffants servant de surfaces de chauffe; ou bien on a maintenu à pression constante et relativement élevée dans la chambre de combustion au moyen d'un compresseur, le mélange de combusti- ble et d'air, et on l'a chassé en permanence à, travers les tuyaux chauffants à une vitesse se rapprochant de celle du son ou l'atteignant.
Dans les générateurs du premier genre ("à déflagration), on a également proposé, pour l'entraîne- ment d'une soufflante de surcompression, une turbine à- gaz
<Desc/Clms Page number 4>
d'échappement alimentée par les gaz chauffants refroidis, mais encore partiellement sous une pression élevée.
Par contre, dans les générateurs du second genre, c'est-à-dire "à pression constante", il est impossible de faire marcher une turbine à gaz avec des gaz chauffants refroidis, car ici la chute de pression est uniquement fournie par la soufflante, c'est-à-dire que la chute de pression disponible dans la turbine à gaz est en elle-même notablement plus faible que l'élévation de pres- sion à produire dans le compresseur, et de plus, les gaz chauf- fants consomment une chute de pression considérable s'ils doivent circuler dans les tuyaux chauffants à une vitesse voisine de celle du son.
La présente invention se rapporte à un générateur de vapeur avec chauffage sous pression du genre des "générateurs à pression constante' précités, mais dans lequel,toutefois, l'emploi de la turbine à gaz doit être rendu possible grâce à ce que, d'une part, on emploie des vitesses de gaz chauffants qui tout élevées (v = 200 m.sec. environ) qu'elles soient, n'en demeurent pas moins quelque peu inférieures à la vitesse du son, et d'autre part, en ce que la turbine à gaz s'intercale dans le courant de gaz chauffants de telle sorte que la chute de pression à utiliser dans la turbine à gaz puisse être no- tablement plus faible (c'est-à-dire au plus 0,8 fois aussi grande) que l'élévation de pression produite par le compres- seur.
Il devient possible de satisfaire à cette condition en disposant la turbine dans une zone de températures située ni trop près du commencement ni trop près de la fin de la zone d'utilisation de chaleur des gaz de fumée, et de telle sorte que la. chute de température des gaz de fumée dans la turbine à gaz, malgré des différences de pressions notablement moindre soit au moins égale à l'accroissement de température de l'air
<Desc/Clms Page number 5>
pendant la compression. Mais alors, tant en amont qu'en aval de la turbine à gaz, il subsiste une certaine chute de pres- sion qui, jointe à la haute température, confère aux gaz chauf- fants une grande vitesse.
On tire en cela également parti de cette circonstance que la résistance de passage des tuyaux déjà courts par eux-mêmes est encore diminuée du fait que le prélèvement de chaleur produit une diminution de vitesse qui peut avoir pour résultat une recompression des gaz chauffants.
De plus, la haute vitesse d'écoulement subsistant encore est à nouveau transformée en pression dans un diffuseur faisant suite aux tuyaux chauffants. On peut donc entretenir de gran- des vitesses malgré des différences de pressions relativement faibles, de sorte que les dimensions des surfaces chauffantes et des carneaux deviennent étonnamment petites. La réduction de toutes les dimensions entraînent également une réduction des masses d'eau, et la possibilité de régler le compresseur pour l'air comburant e.t le combustible permettant de régler la conduite du feu directement et rapidement, le générateur de vapeur peut fonctionner sans accumulateur.
La Figure montre schématiquement la coupe d'un générateur de vapeur suivant l'invention : 1 désigne la chambre de combustion dans laquelle brûlent l'air comprimé introduit en 2 et le combustible (gaz, huile, charbon pulvéri- sé) introduit en 3. La partie cylindrique de la chambre est garnie, contre la paroi, de tubes 4 jointifs destinés à main- tenir la chaleur rayonnante à l'écart de la paroi cylindrique 5 résistante à la pression. Ces tubes .sont parcourus par l'eau à vaporiser. A cet effet, l'eau est refoulée en 6, par une pompe de circulation (non figurée),dans la partie infé- rieure conique 7 et se répartit uniformément entre les divers tubes.
Les gaz chauds de la combustion cèdent tout d'abord,
<Desc/Clms Page number 6>
car rayonnement et par contact, une partie de leur chaleur aux tubes 4. Quelque peu refroidis, ils -pénètrent alors en 8, par un orifice en forme de tuyère, dans les tubes chauffants 9.
Ces tubes chauffants sont disposés à l'intérieur des tubes à eau 4 et, par un évasement 10 formant diffuseur, ils débouchent dans le tuyau collecteur 11 qui communique avec la turbine à gaz 12. Le distributeur de la turbine à gaz est calculé de façon que la pression qui s'établit en amont de la turbine à gaz soit inférieure de quelques mètres de colonne 1.' eau à la pression régnant dans la chambre de combustion.
Cette différence de pressions imprime aux gaz chauffants arri- vant à haute température devant les tuyères 8 une vitesse d'écoulement si élevée qu'il suffit déjà de tubes relativement courts pour y produire la majeure partie de la vapeur et refroi- dir les gaz dans la mesure nécessaire pour le fonctionnement de la turbine à gaz. Le degré de cette température estdéter- miné d'une part par la. puissance que la turbine à gaz doit fournir pour actionner le compresseur, et d'autre part par la résistance et les autres propriétés du métal utilisé pour l'au- bage.
Toutefois , la détente des gaz dans la turbine ne va pas jusqu'à la ion atmosphérique, mais seulement jusqu' à la contrepression qui suffit pour imprimer également aux gaz d'échappement une grande vitesse d'écoulement. Les gaz sortent donc de la turbine en-15 avec une pression supérieure à la pression atmosphérique, arrivent dans la conduite de dis- tribution 14 et parcourent à grande vitesse les tubes chauf'- fants 15 également placés dans les tubes à eau, pour arriver ensuite par les diffuseurs 16 dans le tuyau collecteur 17, d'où une conduite de raccordement 18 les mène, soit directe- ment dans l'atmosphère, soit dans un réchauffeur d'eau ou d'air.
La vapeur qui se forme est entraînée par le courant d'eau de circulation dans la chambre 19. Le mélange d'eau
<Desc/Clms Page number 7>
et de vapeur passe , par les orifices 20 analogues à des aubes directrices de turbine, qui impriment au courant un mouvement circulaire, dans la chambre 21 où la vapeur se sépare et passe dans le récipient 22 également construit sous forme de séparateur centrifuge. L'eau non valorisée, ainsi que celle nouvellement introduite en 23, reviennent à la nonce de circulation par la conduite 24. Par contre,la vaoeur tra- verse le surchauffeur 25 avant d'aller au 'Joint (le comso@ma- tion.
La puissance de la turbine à gaz est. utilisée uniquement à des fins secondaires, c'est-à-dire principalement pour la compression de l'air comburant. 26 désigne le compres- seur. Par la conduite 27, l'air comprimé arrive au brûleur 28.
La chute de chaleur consommée dans lE! turbine à gaz povr la production de travail et qui, par suite, fait défaut pour la production de vapeur, est presque intégralerent restituée au cycle thermique par l'air sous forme de chaleur de compression et de chaleur de pertes. Ceci su.ppose toutefois qu'il ne se produit aucune dissipation de chaleur, par exemple aucune réfrigération, au cours de la compression. Il faut donc éviter la réfrigération et, pour cette raison, ne pousser la compres- sion qu'autant qu'on peut éviter le refroidissement.
Il est évident que les diverses pièces peuvent être disposées d'autre manière. C'est ainsi, par exemple, que les tubes chauffants peuvent également être placés dans des récipients de vaporisation distincts de la chambre de combus- tion. Il ne s'ensuit aucune dérogation au principe de l'inven- tion, qui consiste en ce que la turbine à gaz, qui ne fournit que du travail auxiliaire destiné au générateur de vapeur,n'est disposée ni au commencement ni à la fin de la zone utile de température des gaz chauffants et transforme une chute de pression notablement plus faible que la chute de pression du
<Desc/Clms Page number 8>
compresseur, à l'effet d'obtenir de grandes vitesses d'écoule- ment dans lestubes chauffants.
<Desc / Clms Page number 1>
"STEAM GENERATOR HEATING UNDER PRESSURE"
The present invention relates to a steam generator for producing pure steam for any purpose and at any pressure, and in which the fuel is burned at a constant pressure and significantly exceeding atmospheric pressure. The necessary increase in the pressure of the air-fuel mixture for this purpose is obtained by means of a compressor driven by a gas turbine.
Steam generators in which the compressor and the gas turbine form an important part of the installation constitute a borderline case for gas turbines in general,
<Desc / Clms Page number 2>
because here, for the production of steam, more heat is removed from the combustion gases than is strictly required by lowering the temperatures of the driving gases and cooling the walls (for reasons of resistance of the materials) so that finally, for the production of energy in the gas turbine, only the heat loss required by the gas turbine, for example for driving the compressor, is available.
The object of the installation is precisely the production of steam used to drive steam turbines, and not the production of useful energy by a gas turbine. In spite of this, in the steam generators proposed to date, the conditions as they arise for a gas turbine installation were closely adhered to. For example, we chose very high compression pressures or, conversely, we were wrongly inspired by the precedent of the. over-compression of internal combustion engines to propose realizing the gas turbine as a pure exhaust gas turbine with low pressure drop and placing it downstream of the heating gas stream.
In both cases, we aimed at. making the pressure drop used in the turbine as much as possible equal to the pressure increase produced in the compressor, that is to say that any significant pressure drop in the steam generator itself was avoided. So, the generator differed from a steam generator heated with oil or gas only in that the higher combustion pressure brought with it the need for a different conformation of the hearth as well as of the flues. and that this increase in pressure further permitted some reduction in the extent of the heating surfaces.
But the benefits of the pressure increase were small and
<Desc / Clms Page number 3>
hardly compensated for the inconvenience and additional costs caused by the increased pressure in the combustion chamber and by the auxiliary machinery required for this purpose. This is why pressure-heated steam generators with gas turbines have not found use in practice.
But steam generators heated under pressure can acquire a considerable importance if, besides the advantages which one can expect from the reduction of the heating surfaces due to the higher density of the heating gases, one also derives from the advantages. advantages which are obtained by employing the difference in oression between the combustion chamber and the outside air to produce very high flow velocities of the heating gases and, consequently, an even more accentuated rise in heat transmission and a reduction in both the nasal area of the heating gases and the heating surfaces.
Thus, it has already been proposed to produce high flow speeds of the heating gases by creating, by the deflagration of suitable mixtures of fuel and air, high pressures in closed combustion chambers. bles by means of valves, and then allowing high pressure gases to flow through the heating pipes serving as heating surfaces; or the mixture of fuel and air has been maintained at constant and relatively high pressure in the combustion chamber by means of a compressor, and has been continuously expelled through the heating pipes at a temperature. speed approaching or reaching that of sound.
In generators of the first type ("deflagration"), a gas turbine has also been proposed for driving a supercompression fan.
<Desc / Clms Page number 4>
exhaust fueled by cooled heating gases, but still partially under high pressure.
On the other hand, in generators of the second type, that is to say "at constant pressure", it is impossible to operate a gas turbine with cooled heating gases, because here the pressure drop is only provided by the gas turbine. blower, that is to say that the pressure drop available in the gas turbine is in itself notably lower than the pressure rise to be produced in the compressor, and in addition, the gases heat up. Children consume a considerable drop in pressure if they are to circulate through the heating pipes at a speed close to that of sound.
The present invention relates to a steam generator with heating under pressure of the type of the aforementioned "constant pressure generators", but in which, however, the use of the gas turbine is to be made possible by virtue of the fact that, on the one hand, we use heating gas speeds which, however high (v = 200 m.sec. approximately) they are, nevertheless remain somewhat lower than the speed of sound, and on the other hand, in that the gas turbine is interposed in the flow of heating gases so that the pressure drop to be used in the gas turbine can be significantly lower (i.e. at most 0.8 times as large) as the pressure rise produced by the compressor.
It becomes possible to satisfy this condition by placing the turbine in a temperature zone situated neither too close to the beginning nor too close to the end of the zone of use of heat of the flue gases, and such that the. drop in temperature of the flue gases in the gas turbine, despite significantly less pressure differences, i.e. at least equal to the increase in air temperature
<Desc / Clms Page number 5>
during compression. But then, both upstream and downstream of the gas turbine, there remains a certain drop in pressure which, together with the high temperature, gives the heating gases a high speed.
In this also advantage is taken of the fact that the resistance of the passage of the already short pipes by themselves is further reduced because the heat withdrawal produces a reduction in speed which may result in recompression of the heating gases.
In addition, the still remaining high flow velocity is transformed again into pressure in a diffuser following the heating pipes. High speeds can therefore be maintained despite relatively small pressure differences, so that the dimensions of the heating surfaces and flues become surprisingly small. The reduction of all dimensions also leads to a reduction in water masses, and the possibility of adjusting the compressor for the combustion air and the fuel allowing the control of the fire directly and quickly, the steam generator can operate without an accumulator .
The Figure shows schematically the section of a steam generator according to the invention: 1 designates the combustion chamber in which burn the compressed air introduced at 2 and the fuel (gas, oil, pulverized coal) introduced at 3. The cylindrical part of the chamber is lined against the wall with adjoining tubes 4 for keeping the radiant heat away from the pressure-resistant cylindrical wall 5. These tubes are traversed by the water to be vaporized. To this end, the water is delivered at 6, by a circulation pump (not shown), into the conical lower part 7 and is distributed uniformly between the various tubes.
The hot combustion gases first give way,
<Desc / Clms Page number 6>
because radiation and by contact, part of their heat to the tubes 4. Somewhat cooled, they then enter 8, through a nozzle-shaped orifice, into the heating tubes 9.
These heating tubes are arranged inside the water tubes 4 and, through a flare 10 forming a diffuser, they open into the collecting pipe 11 which communicates with the gas turbine 12. The distributor of the gas turbine is calculated so that the pressure which is established upstream of the gas turbine is a few meters lower than column 1. ' water at the pressure prevailing in the combustion chamber.
This pressure difference imparts to the heating gases arriving at high temperature in front of the nozzles 8 a flow velocity so high that relatively short tubes are already sufficient to produce most of the vapor therein and to cool the gases in them. the measurement necessary for the operation of the gas turbine. The degree of this temperature is determined on the one hand by the. the power that the gas turbine must provide to operate the compressor, and on the other hand by the resistance and other properties of the metal used for the blade.
However, the expansion of the gases in the turbine does not go up to the atmospheric ion, but only up to the back pressure which is sufficient to also impart to the exhaust gases a high flow speed. The gases therefore leave the turbine at-15 with a pressure greater than atmospheric pressure, arrive in the distribution pipe 14 and travel at high speed through the heating tubes 15 also placed in the water tubes, to arrive then through the diffusers 16 into the collector pipe 17, from where a connection pipe 18 leads them, either directly into the atmosphere or into a water or air heater.
The vapor that forms is carried along by the flow of circulating water in chamber 19. The water mixture
<Desc / Clms Page number 7>
and steam passes, through the orifices 20 similar to turbine guide vanes, which impart a circular motion to the current, into chamber 21 where the steam separates and passes into vessel 22 also constructed as a centrifugal separator. The non-upgraded water, as well as that newly introduced at 23, returns to the circulation nuncio through line 24. On the other hand, the heat passes through the superheater 25 before going to the 'Joint (the comso @ ma- tion .
The power of the gas turbine is. used only for secondary purposes, that is to say mainly for the compression of the combustion air. 26 designates the compressor. Via line 27, the compressed air reaches the burner 28.
The heat loss consumed in the E! gas turbine for the production of work and which, consequently, is lacking for the production of steam, is almost entirely returned to the thermal cycle by the air in the form of heat of compression and heat of losses. This assumes, however, that no heat dissipation, eg refrigeration, occurs during compression. Refrigeration should therefore be avoided and, for this reason, only increase compression as far as cooling can be avoided.
It is obvious that the various parts can be arranged in other ways. Thus, for example, the heating tubes can also be placed in vaporization vessels separate from the combustion chamber. It does not follow any deviation from the principle of the invention, which consists in that the gas turbine, which provides only auxiliary work for the steam generator, is not arranged either at the beginning or at the end. of the useful temperature zone of the heating gases and transforms a pressure drop significantly lower than the pressure drop of the
<Desc / Clms Page number 8>
compressor, in order to obtain high flow speeds in the heating tubes.