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MEMOIRE DESCRIPTIF DEPOSE A L'APPUI DE LA. DEMANDE
D'UN BREVET D'INVENTION Chaudière
La présente invention concerne les appareils destinés en premier lieu au traitement thermique d'un fluide,par exemple à l'évaporation d'eau en vapeur.
Dans certaines conditions de travail, il est dési- rable de disposer d'un appareil compact quant à la gran- deur et relativement léger, capable d'évaporer un fluide sous des conditions de températures et pressions relati- vement élevées. Une forme de réalisation d'un appareil de ce genre est celle qui est parfois appelée une chau- dière à vaporisation instantanée, ou, de façon plus ap-
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propriée, une chaudière à enroulements en série à cir- culation forcée. Une chaudière de ce genre est carac- térisée par l'emploi d'un tube relativement long qui reçoit de la chaleur d'une source convenable pour trans- former l'eau en vapeur.
De l'eau est injectée dans une des extrémités de ce tube et est refoulée à travers lui en contact thermique avec sa paroi, de sorte que pendant son passage elle absorbe progressivement de la chaleur de la source prévue. L'eau est ainsi élevée à son point d'ébullition, -après quoi, avec l'absorption de chaleur additionnelle, elle passe à l'état de vapeur. Suivant la quantité de chaleur fournie et la longueur du tube, la vapeur produite peut être soumise à de la chaleur a,ddi- tionnelle, de sorte qu'elle devient surchauffée..En oet état, elle est habituellement conduite à un moteur de type quelconque pour être utilisée afin d'exécuter un travail.
Dans le travail d'automotrice, une chaudière de ce genre est utilisée pour produire de la vapeur sous des températures et pressions relativement hautes. On a ce- pendant constaté que dans cette pratique des demandes variables de vapeur sont faites à la chaudière et qu'en conséquence son débit varie constamment. Ainsi, certaines fois il est demandé à la chaudière de débiter de la vapeur à plein rendement. D'autres fois, la demande est très faible et une petite quantité de vapeur seulement est puisée à la chaudière. Avec ce mode de fonctionnement de nombreuses difficultés se sont produites.
Ainsi, lorsque le courant de vapeur est arrêté après une période de fonctionnement, la chaleur résiduelle oontenue dans la
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botte à feu est émise par rayonnement et est progressive- ment absorbée par le tube, de sorte que la température de la vapeur contenue dans le tube s'élève, oette vapeur se trouvant ainsi surchauffée à un degré élevé. Il en résulte un effet de détérioration sur le métal du tube et un dépôt de carbone provenant de l'huile qui peut être présente. La production de vapeur de l'eau contenue dans le tube et la surohauffe de cette vapeur donnent lieu également à une élévation non nécessaire de la pression de vapeur lorsqu'il n'y a pas de demande de vapeur.
La présente invention a pour objet une ohaudière tubulaire à tube à enroulements en série débiteur de vapeur présentant des caractéristiques sensiblement uni- formes à la température et à la pression désirées.
L'invention vise à établir un genre de construction de chaudières dans lequel une faible masse seulement, autre que la surface de chauffe du fluide, est soumise à la ohaleur de combustion du combustible, ces chaudières ayant certaines caractéristiques désirables de fonction- nement pouvant être produites sur une échelle industrielle.
L'invention comporte d'autres caractéristiques avan- tageuses dont certaines, ainsi que celles énoncées ci- dessus, seront exposées au cours de la description qui suit du mode de réalisation de la chaudière de l'invention qui a été choisi pour 8tre représenté sur le dessin annexé.
Ge dessin ne représente qu'un mode de réalisation de la chaudière conforme à l'invention et cette dernière n'est pas limitée à cet exemple, mais peut être appliquée à de nombreuses autres constructions.
La fig. 1 est une vue schématique de la ohaudière,
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objet de l'invention,en coupe transversale.
La fig. 2 est un plan de la boîte à feu.
La chaudière peut être brièvement caractérisée comme étant composée d'un tube relativement long présentant certaines caractéristiques prédéterminées et qui est en- roulé en serpentins auprès de et contre une boite à feu qui ne peut retenir que peu de chaleur.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention tel qu'il est représenté sur le dessin, la chaudière est constituée par un tube 6 relativement long enroulé en serpentins spiraux désignés d'une façon générale pr 7 et en un serpentin hélicoïdal désigné par 8. Ce serpentin hélicoïdal 8 renferme un espace 11 dont le rôle 'est indi- qué plus loin. Les divers tubes sont entourés par une légère enveloppe cylindrique en métal 16, garnie inté- rieurement d'une matière réfractaire 17 pour assurer le degré désiré d'isolement thermique. Cette enveloppe cy- lindrique est rationnellement disposée de façon que son axe soit vertical.
Un mélange combustible de combustible et d'air est introduit par un venturi 21 prolongé pour distribuer le mélange tangentiellement dans une botte à feu 22 ménagée dans l'espace 11. A l'endroit où ce venturi 21 traverse le serpentin hélicoïdal 8, ses spires formant le tube sont séparées et superposées de manière à ménager une ou- verture de grandeur suffisante pour laisser la place nécessaire au passage du venturi 21. Conformément à l'in- vention, cette boîte à feu est rationnellement oonstruite en matière très légère, telle que tôle métallique. Elle comprend en outre une paroi 23 habituellement cylindrique, @
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placée ooaxialement à l'enveloppe 16 à laquelle sont fixés un couvercle conique 24 et une plaque conique 26 percée d'une ouverture.
La boite à feu est, de préférence, placée de manière à former une chambre de combustion dans l'espace 11 entre la plaque 26 et le serpentin supérieur 27 des serpentins spiraux 7. Le mélange combustible qui est introduit par le venturi tangentiel dans la boîte à feu y tourne quand il brûle; il est ensuite distribué en spirale dans la chambre de combustion où la combustion est 'complétée, L,es gaz descendent ensuite sur les serpentins 7 et sont évacués par une hotte d'échappement 28 établie rationnellement.
En munissant la boite à feu de l'admis- sion tangentielle, le trajet de la flamme la traverse cora- plètement et la chambre de combustion se trouve allongée de sorte qu'une combustion efficace est obtenue,tandis que l'effervescence produite par le tourbillonnement des gaz et leur passage par le trou 26 favorise et assure la combustion complète du combustible.
Il y a lieu de remarquer que la plaque conique percée 26 sert d'ajutage, de sorte que les produits de combustion, le combustible qui brûle et le combustible et l'air non combinés sont mélangés ensemble avant de passer dans l'es- paoe 11. Il faut aussi remarquer que l'ouverture de la plaque 26 est déportée par rapport à l'axe vertical de la chaudière. Ceci est préférable pour assurer une distribution uniforme du oourant de gaz. Avec une admission tangentielle du mélange de oombustible et d'air, les gaz ont donc une tendance notable et à se répandre dans une plus grande mesure d'un côté de l'ouverture que de l'autre. On évite cela en déportant convenablement l'ouverture.
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Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, il est prévu une paroi 29 s'étendant en travers du trou ménagé au centre des serpentins spiraux pour empêcher les gaz de passer par ce trou et les forcer à descendre entre les tubes formant les serpentins spiraux. Le trou ménagé au centre de chaque serpentin spiral est dû à l'impossibilité de cintrer le tube formant ce serpentin suivant un très petit rayon. En conséquence, l'ouverture ménagée au centre des serpentins spiraux est recouverte par la plaque 29 qui arrête le courant de gaz. Le trou se trouvant sous la plaque 29 est rempli dtamiante,indi- quée en 30, et cette amiante est maintenue en place par la plaque 31.
L'eau d'alimentation introduite par l'ouverture d'admission 32 et provenant d'une pompe de refoulement appropriée passe successivement par les divers serpentins spiraux désignés par 7. Après avoir passé par ces serpen- tins, cette eau s'élève par le raccord 33 et gagne les serpentins hélicoïdaux 8, ce raccord desservant, de pré- férence, le serpentin hélicoïdal inférieur 34. Le fluide sort finalement du serpentin supérieur 36 et passe dans le conduit 37 qui le conduit à un serpentin spiral 38.
Après avoir passé par ce serpentin 38, le fluide passe dans le serpentin spiral précédemment désigné par 27,d'où il est évacué par le conduit 39 pour être mené à un moteur.
Il y a lieu de remarquer que l'eau introduite dans le serpentin inférieur est soumise au contact thermique avec les produits de combustion relativement froids. En outre, quand l'eau progresse à travers la chaudière,elle
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avance successivement en contact thermique avec des gaz plus chauds, ce qui assure le fonctionnement le plus ef- ficace de la chaudière ainsi que la produotion de vapeur la plus uniforme. Les serpentins hélicoïdaux absorbent la chaleur par rayonnement venant de la boîte à feu 23 et par rayonnement et convection de la flamme brûlant dans l'espace de combustion 11. En raison du courant chaud venant de la boîte à feu 23, sa température est maintenue suffisamment basse, de sorte qu'elle peut être construite aveo des tôles métalliques d'épaisseur relativement faible.
Ordinairement, ce métal de faible épaisseur soumis à la température élevée produite par le brûlage du combus- tible brûlerait très rapidement. Dans la pratique anté- rieure, il a été estimé nécessaire de construire une boîte à feu en métal relativement lourd, habituellement en uti- lisant une pièce moulée d'alliage très coûteux. Or une boite à feu de ce genre n'était pas seulement désavanta- geuse en raison de son grand poids, mais aussi parce que la grande quantité de chaleur emmagasinée dans la grande masse de métal oausait la surchauffe du tube de la chau- dière après l'arrêt de celle-ci.
Un autre inconvénient présenté par les lourdes boîtes à feu était que lorsqu'on démarrait à froid, un retard considérable était occasion- né avant que la production de vapeur se fât en raison de la grande quantité de chaleur que la botte à feu devait absorber avant que la production de vapeur commençât. Cet inconvénient se faisait pareillement sentir lorsque ces- sait la demande de vapeur, parce que la chaleur contenue dans la boite rayonnait, cuisait et détruisait progressi- vement le tube. Avec la présente boîte à feu légère, ces @
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inconvénients ont été supprimés, parce que cette boîte à feu légère est presque immédiatement chauffée à une tempé- rature favorisant la combustion et que la chaleur de la combustion devient ensuite disponible pour la production de vapeur.
Lorsque la demande de vapeur cesse, il n'est laissé qu'une quantité relativement petite de chaleur pour rayonner sur les serpentins adjacents et le peu qui rayonne est absorbé par le serpentin hélicoïdal sans élévation ap- préciable de sa température.
Au point de vue constructif, la substitution d'une boite à feu légère à une lourde présente aussi de nombreux avantages. Ainsi, la construction en tôle métallique est relativement légère et elle ne nécessite pas de forts et lourds supports. En outre, le poids entier de la chaudière est réduit.
En fonctionnement, la petite masse de la botte à feu rend le fonctionnement du brûleur et la production de vapeur dans les tubes approximativemet synchrone, en réduisant à une faible valeur le retard entre la produo- tion de vapeur et la demande du moteur. Ceci est particu- lièrement désirable parce que la chaudière peut ainsi ré- pondre presque immédiatement à une demande de vapeur.
Dans la pratique automotrice, cela est une caractéristique extrêmement importante parce qu'une application instanta- née de force est souvent non seulement désirable, mais nécessaire.
Les gaz éjectés de la boite à feu â travers la plaque conique percée d'une ouverture suivent un trajet giratoire quand ils continuent leur progression dans la chambre de combustion 11. Le premier tube aveo lequel ils viennent en
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contact directement est le serpentin 27 qui est habi- tuellement rempli de vapeur surchauffée, Les gaz chauds oèdent une partie de leur chaleur au tube et passent aux tubes placés au-dessous.
Pour assurer le contrôle et le réglage de la chau- dière, un dispositif de contrôle et de réglage 51 est prévu et actionné par un mécanisme approprié placé en contact avec le tube de la chaudière, de sorte que la température et la pression peuvent être maintenues à des valeurs prédéterminées.
REVENDICATIONS
1,- Une chaudière comportant une enveloppe cylindrique et un tube à fluide présentant une série de spires par lesquelles ce fluide passe en série, ce tube étant disposé dans une extrémité de l'enveloppe, tandis que la boîte à feu est placée dans son autre extrémité, les plans des spires du tube étant placés transversalement à l'enve- loppe et le tube présentant une partie cylindrique qui entoure la boîte à feu et reçoit du fluide desdites spires.