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"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,
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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
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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
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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
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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,
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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
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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
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compresseur, à l'effet d'obtenir de grandes vitesses d'écoule- ment dans lestubes chauffants.