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Procédé et dispositif pour la transmission à d'autres corps de la chaleur des gaz sous pression, en particulier des gaz d'échappement des chambres d'explosion de préférence pour turbines à combustion interne.
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La présente Invention se rapporte à un procédé et à des dispositifs pour la transmission à d'autres corps de la chaleur des gaz sous pression, en particulier des gaz de combustion qui sont produits dans des récipients fermés avec développement de pression suivant le procédé d'explosion, en faisant sortir ces gaz à travers des diffuseurs de aha- leur, tels que des générateurs de vapeur, des surchauffeurs, etc... Dans ces derniers temps, on s'est occupé très active- ment de la séparation et de l'utilisation de la chaleur sen- sible des gaz d'échappement des chambres d'explosion comme celles qui sont principalement employées pour la commande des turbines à combustion interne.
Les propositions qui ont été
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faites à ce sujet reposent sur la mise en pratique du fait connu qu'avec les gaz à haute tension, on peut obtenir de très grandes vitesses de circulation qui doivent conduire à de brusques élévations correspondantes dans le coefficient de transmission de la chaleur et aussi dans les quantités de chaleur qui passent dans le diffuseur. Cet effet est ex- pliqué, d'après les toutes dernières découvertes dans l'étu- de de la chaleur et des courants, en ce que les grandes vi- tesses d'écoulement des gaz détruisent la couche de sépara- tion qui se forme entre le jet des gaz de combustion et les surfaces de transmission de la chaleur dans ces diffuseurs, et qui retarde la transmission de la chaleur.
En se basant sur eette constatation, on s'était efforcé spontanément d'accroître les vitesses d'échappement des gaz chauds, afin de faire disparaître réellement aussi la couche de sépara- tion.
Mais un tel procédé de travail est éliminé comme impropre à la commande des chambres d'explosion par les com- bustibles pulvérulents et qui, dans la pratique, est très souvent adéptée. L'érosion des parois des chambres de condui- te des gaz par les molécules entraînées et refroidies, par conséquent très dures des cendres de la poussière combusti- ble, s'augmente dans des proportions extraordinaires avec la vitesse de rebondissement de ces molécules de cendres, l'énergie anéantie pendant le choc étant à peu près égale au carré de la vitesse d'écoulement.
Il devient ainsi évident qu'avec les très grandes vitesses des gaz auxquelles il faut recourir pour la destruction des couchez de séparation indi- quées plus haut, 1'érosion atteint des valeurs qui ne sont pas admissibles en raison du danger qu'elles présentent pour la résistance du diffuseur de chaleur.
En dehors de cet inconvénient et en se basant sur
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les expériences qui ont été faites avec des diffuseurs de chaleur travaillant à de grandes vitesses, on est arrivé à la constatation surprenante que, contrairement à ce qui était généralement admis jusqu'ici et à l'idée technique qui s'était formée, les plus grandes transmissions de chaleur ne se produisent pas aux points où les vitesses du courant sont les plus élevées. De cette constatation découle une science nouvelle sur laquelle repose la présente invention et sui- vant laquelle d'autres Influences que les grandes vitesses des gaz sont essentielles et prédominantes pour une forte transmission de chaleur.
En étudiant plus attentivement ces circonstances sur une chaudière à vapeur dans laquelle étaient introduits les gaz produits dans une chambre d'explo- sion et qui se composait de plusieurs faisceaux tubulaires, il a été établi, par des mesures exactes, que la plus grande transmission de chaleur ne s'effectuait pas aux points où les gaz atteignaient leurs vitesses les plus élevées, mais bien dans le collecteur des gaz qui se raccordait au dernier faisceau tubulaire de la chaudière.
La production de la trans- mission maxima de chaleur dans ce collecteur est maintenant attribuée, sur la base des connaissances mises en application suivant cette invention, au fait que dans le collecteur les gaz chauds ont l'occasion de tourbillonner pille-mêle. Cela suppose ainsi que le jet de gaz qui, dans les différents pas- sages des faisceaux tubulaires s'écoule tout d'abord en cou- rants ordonnés et de même direction se transforme en un cou- rant irrégulier et désordonné en abandonnant le passage du dernier faisceau tubulaire, c'est-à-dire en pénétrant dans le collecteur libre qui fait suite au faisceau et qui est relativement grand en comparaison des passages des faisceaux.
Il s'ensuit que, dans le collecteur et en raison du tourbil- lonnement de sa masse totale, le jet de gaz se divise com-
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plètement, de sorte que maintenant les parties internes du jet viennent aussi en contact avec la paroi du conduit des gaz chauds ou collecteur et lui abandonnent leur chaleur.
Dans les constructions connues de diffuseurs de chaleur, il se produit aussi naturellement, dans les chambres étroites qui se trouvent entre les différentes rangées de tubes, un certain tourbillonnement accidentel; cependant ces chambres ne possèdent aucune influence, car elles ne sont formées que dans une faible mesure à la surface du jet de gaz et ne peuvent donner qu'un tourbillon soi-disant du bord.
Des expériences caractéristiques qui précèdent, la présente invention tire ce nouveau principe que pour uti- liser dans toute la mesure possible la chaleur sensible qui est contenue dans les gaz sous tension, par exemple, dans les gaz d'explosion, il convient certainement de faire tourbil- lonner le jet de gaz pendant son trajet dans le diffuseur de chaleur.
Les avantages du tourbillonnement ne peuvent cepen- dant être utilisés, et cela constitue une nouvelle caracté- ristique de l'invention, que lorsque toute la masse gazeuse produite qui doit être amenée à travailler sur le diffuseur de chaleur tourbillonne, et qu'un espace suffisant est mis à la disposition des tourbillons de gaz pour se développer, tandis que l'échange de chaleur proprement dit ne doit s'opé- rer de lui-même qu'après la mise en tourbillon des gaz et sous l'utilisation des vitesses de tourbillonnement. Cet échange peut être obtenu en amenant les tourbillons en con- tact d'échange de chaleur avec les parois qui limitent les chambres de tourbillonnement.
En conséquence, le procédé pro- posé suivant la présente invention pour la transmission de la chaleur des gaz sous tension, et en particulier des gaz d'échappement des chambres d'explosion, de préférence pour les turbines à combustion interne se caractérise par la mise
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en toupillons des gaz auxquels sont communiqués, après l'abaissement de leur tension, de grandes vitesses de circu- lation, et de leur masse centrale pendant le passage dans un diffuseur de chaleur, les gaz étant amenés en contact, après la formation des tourbillons, avec les surfaces d'échan. ge de la chaleur.
L'exactitude des principes qui sont à la base de la présente invention est confirmée par une étude atten- tive du fait que jusqu'ici les vitesses suffisamment élevées pour la destruction des couches de séparation qui, d'après ce qui précède, forment un obstacle pour l'accroissement de la transmission de chaleur, ne pouvaient être produites que par des réductions relativement fortes de la pression des gaz chauds, Cependant, comme dans ce procédé il ne se produit pour kes jets de gaz que des courants ordonnés et très régu- liers, il faut naturellement, pour la destruction de la cou- che de séparation, des vitesses extraordinairement grandes et, par suite, de fortes réductions de tension.
Si on emploie, par contre, des courants tourbillonnants, non ordonnés, mais irréguliers, on peut atteindre le même effet de destruction des couches de séparation avec une dépense considérablement moindre d'énergie. De plus, la couche de séparation est dé- truite d'une manière plus effective que par les courants de même sens. L'ancien précédé présente aussi cet autre incon- vénient essentiel que pendant la production des grandes vi- tesses des courants, non seulement la pression mais encore la température des gaz est considérablement abaissée en cor- respondance avec la détente adiabatique. La transmission de chaleur dans le diffuseur devient d'autant plus mauvaise que la différence de température entre les gaz chauds et les sur- faces de transmission est plus faible.
Marne quand m2 /0 C/H St
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donne un haut coefficient déterminé de transmission de la cha. leur, la quantité de chaleur échangée en correspondance à la chute réduite de température est plus faible que celle qui pourrait être atteinte en maintenant la température.
Avec le nouveau procédé sont obtenus les résul- tats avantageux suivants :
Tout d'abord, en faisant tourbillonner les gaz, la majeure partie de l'énergie de l'écoulement est anéantie et se transforme en élévations de température, de sorte que les températures qui existaient avant l'expansion sont de nouveau atteintes approximativement. D'un autre côté, il s'établit dans les conduits qui produisent le tourbillonne- ment un courant complètement désordonné et irrégulier des gaz chauds. Ce courant, par suite des grandes vitesses du tourbillonnement sépare les gaz chauds suivant leur masse centrale, de sorte que toutes les molécules de gaz viennent en contact avec les surfaces de transmission de chaleur des conduits des gaz chauds, en empêchant effectivement la forma- tion des couches de séparation.
Il suffit en outre d'une fai- ble quantité d'énergie pour produire les vitesses de tourbil- lonnement. Avec le nouveau procédé d'utilisation de la cha- leur, les rendements antérieurs des diffuseurs de chaleur travaillant d'après le procédé connu, et en particulier des générateurs de vapeur et des surchauffeurs, peuvent être réa- lisés avec un encombrement considérablement moindre en surfa- ce de chauffe. Réciproquement, en maintenant les diffuseurs de chaleur dans leurs dimensions habituelles, leur rendement se trouve augmenté dans de grandes proportions.
Un autre avan- tage de l'invention consiste en ce qu'il n'est plus nécessai- re, comme auparavant, de séparer les jets de gaz mécanique- ment par un grand nombre de tubes qui, comme on le sait, sont très sensibles à l'égard des érlsions, Par exemple, on peut
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employer les chambres avec des parois en fonte de fer ou d'acier et dans lesquelles les risques provenant des érosions sont diminués par la croûte dure de la fonte et par les épais. seurs plus grandes des parois.
Le nouveau procédé d'utilisation de la chaleur se montre particulièrement avantageux quand les gaz chauds sont conduits, sous une réduction de pression par étages, daru des passages formés d'une manière appropriée. L'expansion par étages des gaz chauds apporte encore cet autre avantage que par l'abaissement de la pression à des valeurs inférieu- res à celle de l'expansion à un seul étage par laquelle, suivant l'expérience, il se produit des vitesses d'écoule- ment extraordinairement élevées, l'érosion, dans l'emploi de la poussière de charbon, des parties des conduits des gaz qui sont exposées au courant gazeux est beaucoup moindre que dans l'expansion à un seul étage.
Les essais pratiques avec l'expansion à plusieurs étages ont montré, il est vrai, dans certaines circonstances des transmissions irrégulières de la chaleur dans la canalisation des gaz chauds, mais elles peu- vent être écartées par des moyens qui seront exposés en dé- tail ultérieurement.
Dans les dispositifs pour l'exécution du procédé suivant l'invention, il faut avant tout que les tourbillons de gaz puissent se former d'une manière suffisante. A cet effet, des moyens propres à produire le tourbillonnement sont disposés dans la canalisation des gaz chauds, des chi- canes par exemple qui, elles-mêmes, servent avantageusement comme surfaces d'échange de la chaleur. On obtient une réelle formation de tourbillons quand on a soin de désagréger le courant de gaz par des dispositifs prévus dans la chambre de tourbillonnement de la canalisation et, le cas échéant, de le faire tourner dans son trajet.
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Dans les dessins ci-joints sont représentés plusieurs exemples d'exécution du nouveau procédé pour l'uti- lisation de la chaleur dans l'application de l'idée de l'in- vention à un générateur de vapeur et qui est disposé, avec les gaz d'échappement d'une chambre d'explosion, comme les générateurs de gaz connus dans leurs rapports avec les turbi- nes à combustion interne.
Dans ces dessins :
La fig.l est le schéma de l'installation d'ensem- ble d'un générateur de vapeur, partiellement en élévation et partiellement en coupe.
La fig.2 représente en coupe longitudinale sui- vant la ligne II-II de la fig.3 un générateur de vapeur dont la surface de chauffe est formée par plusieurs chambres de tourbillonnement qui communiquent entre elles et sont traver- sées successivement par les gaz chauds.
La fig.3 est une coupe transversale et verticale de la chaudière suivant la ligne III-III de la fig.2.
La fig.4 est une coupe horizontale de l'extrémi- té d'admission de la chandière à vapeur suivant la ligne IV- IV de la fig.3.
La fig.5 est une deuxième coupe transversale et verticale de la chaudière suivant la ligne V-V de la fig.2.
La fig.6 est une coupe similaire de la chaudière suivant la ligne VI-VI de la fig.2.
La fig.7 représente un autre mode d'exécution de la chaudière à vapeur, également en coupe longitudinale cen- trale, dans laquelle les gaz chauds qui y sont admis arri- vent en passant par plusieurs conduits en forme de tubes di- visés en chambres successives par des points d'étranglement disposés de distance en distance.
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La fig.8 est une coupe transversale partielle de la chaudière de la fig.7 suivant la ligne VIII-VIII.
Les figs.9 et 10 montrent encore deux autres modes d'exécution de la canalisation des gaz chauds en coupe longitudinale.
Dans la figure 1, A désigne une chambre d'explo- sion allongée servant comme générateur de gaz et telle qu'el- le est habituellement employée pour la commande des turbines à combustion interne. La chambre d'explosion possède diffé- rents organes à commande hydraulique, autrement dit la soupa- pe à air B, la soupape d'admission du combustible C, la sou- pape d'échappement D généralement désignée sous le nom de soupape à tuyère, et l'appareil d'avance du combustible P qui est également à commande hydraulique.
Tous ces organes à commande hydraulique 'sont branchés, par une canalisation E1, E2 et E3, sur une distribution F de l'agent de pression, dis- tribution qui est fréquemment employée principalement dans les turbines à combustion interne, Cette distribution se eom- pose d'un corps tournant G qui, par un renvoi de mouvement H commandé par le moteur J, reçoit un mouvement continu et uni- forme, et met alternativement sous pression pour une courte période et décharge ensuite les différents bra.nchements El E3 dans le rythme du mode de travail dudit organe de distribu- tion.
Comme agent de distribution, on emploie de préférence et comme d'habitude l'huile comprimée ou un autre agent appro. prié sous tension qui, à l'aide d'une pompe L, du conduit M et de la cloche d'air N, est conduit du réservoir K dans l'espace vide 0 du corps tournant G et qui sert comme cham- bre de compression. Le dispositif L qui refoule l'agent de distribution sous pression est également commandé par le moteur J. Lesiagents de commande (l'air et le combustible) introduits dans la chambre d'explosion sont, après avoir for-
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mé un mélange explosible, enflammés à des moments prédéter- minés, au moyen d'un dispositif d'allumage Q, bougies d'allu- mage ou autre.
Les gaz de combustion à haute tension et fortement chauffés qui sont produits dans la chambre d'explo- sion A sont envoyés à travers la soupape à tuyère D.et la chambre antérieure de tuyère R dans le générateur de vapeur S raccordé à la chambre R et s'en échappent par le tube R après avoir abandonné la chaleur qu'ils renferment. L'eau d'alimentation de la chaudière est amenée dans le générateur de vapeur S à l'état réchauffé, cette eau, étant conduite à travers la chambre de refroidi s semant de la chambre d'explo- sion A et à travers la chambre antérieure à tuyère R d'où elle parvient alors dans le générateur de vapeur S en pas- sant sous une haute pression par le tube U et ses branche- ments de dérivation dans lesquels sont intercalés les organes d'étranglement Vl, V2 et V3.
L'eau d'alimentation est forte- ment chauffée dans ce,générateur S par les gaz délivrés par la ohambre d'explosion A, de sorte qu'elle se transforme en grande partie en vapeur dans le séparateur de vapeur W après la détente par la soupape de réduction de pression X. La va- peur produite est évacuée par le conduit Y, tandis que l'eau d'alimentation libérée de vapeur arrive par le conduit W1 à la pompe Z1.
L'eau d'alimentation qui, par cette pompe, est soumise à une haute pression est refoulée par le conduit W2 de nouveau dans la chambre de refroidissement signalée plus haut de la chambre d'explosion et dans sa chambre antérieure à tuyère, Sur le conduit de refoulement W2 estbranchée une deuxième pompe Z2 qui remplace par de l'eau fraîche la par- tie de l'eau d'alimentation qui a déjà été transformée et évacuée, sous forme de vapeur, par le conduit Y. Les deux pompes Z1 et Z2 sont commandées par le moteur électrique J..
Toutes les parties signalées jusqu'ici de l'ins-
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/ talla tion pour la mise en valeur des gaz et la production de vapeur sont connues et par suite ne forment pas l'objet de la présente invention qui se rapporte plutôt simplement à la conformation du diffuseur de chaleur et à l'utilisation économique de la chaleur contenue dans les gaz à haute ten- sion qui sont produits dans la chambre d'explosion.
On re- marquera d'ailleurs que la chambre d'explosion a é té choisie uniquement comme exemple d'un générateur de gaz, et que tout autre générateur de gaz et tout autre procédé de production des gaz peut trouver directement son application pour la pro- duction de gaz à haute tension dont la teneur en chaleur peut être utilisée éco nomiquement. Les gaz chauds peuvent égale- ment être exploités dans tout autre diffuseur de chaleur au lieu d'un générateur de vapeur.
On expliquera maintenant le diffuseur de chaleur (générateur de vapeur) qui est représenté dans tous ses dé- tails par les différentes vues des figs.2 à 6.
En 1 est un tambour extérieur de chaudière dans lequel est inséré avec un certain jeu radial un corps 2, éga- lement en forme de tambour, de sorte qu'entre ces deux corps 1 et 2 se trouve formée une chambre annulaire 3 qui est con- centrique avec l'axe de la chaudière. Dans cette chambre annu. laire débouche la conduite d'arrivée d'eau d'alimentation 5 qui est branchée sur la canalisation principale d'eau d'ali- mentation U, fig.l. Sur le côté opposé du tambour 1 est pré- vu le conduit de décharge 6 pour l'eau chauffée dans la chau- dière.
Le corps intérieur 2 se compose de plusieurs corps creux 7, au nombre de douze dans l'exemple d'exécution repré- senté, en forme de lentilles par exemple, placée les uns der- rière les autres et qui, dans la direction d'une extrémité à l'autre de la chaudière, communiquent alternativement entre eux par plusieurs raccords 8 disposés dans le voisinage de la
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périphérie des chambres vidés 7 et de passages centraux 11, de telle sorte qu'il en résulte un passage extrêmement tor- tueux pour les gaz chauds dans la chaudière.
Les différents raccords 8 dont ceux qui se trouvent réunis en un groupe dans un même plan perpendiculaire à l'axe de la chaudière ont une section transversale totale équivalente autant que possible à la section de passage d'un conduit central voisin 11, possèdent chacun une nervure 9 dirigée vers l'axe de la chaudière qui renforce l'assemblage entre les deux parois transversales 10 opposées l'une à l'autre des deux corps creux voisins 7 et qui portent les raccords de communication 8. Les passages centraux 11 sont formés par des étranglements profonds 12 de la paroi externe du tambour intérieur 2.
Dans chaque étranglement qui, au point correspondant du corps in- terne, s'étend sur toute sa périphérie sont prévues plusieurs nervures radiales 13 qui assemblent rigidement ensemble les deux parois transversales voisines d'un étranglement, de sorte que chacun des étranglements se trouve divisé en cham- bres intermédiaires 20 en forme de secteurs, fig.5. Comme on le voit en particulier par les figures 3, 5 et 6, le tambour extérieur 1 est pourvu sur sa paroi interne et dans le plan horizontal, de deux cloisons longitudinales opposées 21 qui s'appliquent dans toute leur longueur contre les cloisons longitudinales correspondantes 13 de la paroi externe du corps creux 2. Par suite, la chambre annulaire 3 entre le tambour extérieur 1 et le corps creux intérieur 2 se trouve divisée en deux moitiés.
De cette manière, l'eau d'alimenta- tion qui arrive sous pression par le conduit 5 dans la cham- bre annulaire 3 est forcée de s'élever de bas en haut à tra- vers les intervalles en forme de secteurs et le long des nervures radiales 9 et 13 dans la moitié supérieure de la chambre annulaire 3, et circule ainsi dans cette chambre 3
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en suivant un trajet sinueux. La première et la dernière chambre creusa 7 se terminent chacune en formant un raccord 15 ou 16 respectivement. Ces deux raccords sont entourés cha- cun d'un espace vide 17 ou 18 servant comme chambre de re- froidissement et qui est fermé contre la chambre d'ébullition proprement dite ou chambre annulaire 3 de la chaudière à va. peur.
Ces chambres de refroidissement sont également alimen- tées avec l'eau de la chaudière qui leur est amenée par les branchements 5a, 5b de la canalisation principale U d'eau d'alimentation, fig.l, et s'en écoule à l'état chaud par les conduits 6a, 6b.
Les gaz à haute tension et fortement chauffés qui sont produits dans la chambre d'explosion A, fig,l, et qui s'échappent par la soupape à tuyère D et la chambre anté- rieure à tuyère R passent sous une forte pression et à une grande température, par le raccord D dans le générateur de vapeur et traversent successivement les chambres des corps creux 7 qui sont placés les uns derrière les autres, en pas- sant par les raccords de communication 8 et les passages centraux 11. Les gaz à haute tension éprouvent ainsi de chambre en chambre et par intervalles une certaine réduction de pression jusquà ce qu'ils aient atteint finalement, dans la dernière chambre, une contrepression avec laquelle ils abandonnent le générateur de vapeur par le raccord d'échappement 16.
Le resta d'énergie qui reste encore dans les gaz à ce moment peut alors être utilisé autrement qu'au point de vue de la technique de la chaleur, par exemple et par l'adjonction d'une turbine, pour exécuter avantageuse- ment le travail de compression de l'air de combustion qui est nécessaire dans.la chambre d'explosion. Par suite de la grande différence de pression qui, au moment de l'entrée des gaz chauds à haute tension dans chacune des chambres succes-
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sives 7, existe toujours en avant de la chambre et dans cette dernière, il se produit continuellement et de nouveau dans chaque chambre une grande vitesse de circulation des gaz.
A leur entrée dans la première chambre, les gaz chauds vien- nent ee heurter tout d'abord contre la paroi transversale 10 qui la limite et par laquelle ils sont alors refoulés de toutes parts et perpendiculairement vers la périphérie de la chambre creuse d'où ils s'échappent également de nouveau à angle droit pour pénétrer par les communications 8 dans la chambre suivante. Là les gaz chauds rencontrent de nouveau tout d'abord la paroi annulaire opposée 14 du premier étran- glement 12 (dans le sens de l'écoulement des gaz) par laquel- le ils sont de nouveau déviés à angle droit vers le centre de la chaudière pour s'écouler de nouveau, par l'ouverture centrale 11, dans la chambre creuse immédiatement suivante.
Ce même procédé de circulation des gaz se renouvelle ainsi jusqu'à la dernière chambre 7. Par cette déviation continue du courant des gaz chauds dans le générateur de vapeur, l'énergie de circulation produite par la grande différence de pression dans chaque chambre 7 se trouve complètement transformée en tourbillons, de sorte qu'il en résulbe un écoulement tout à fait désordonné et irrégulier. A chaque étage de détente, les gaz tournent ainsilesuns dans les autres dans toute la mesure possible, Suivant la présente invention, ce tourbillonnement---des molécules gazeuses les unes sur les autres peut être considérablement renforcé en intercalant dans la canalisation des gaz chauds des moyens spéciaux susceptibles de produire des tourbillons, par exem- ple de projections 19 en forme de cames.
Puisque l'énergie d'écoulement des gaz chauds est transformée en vitesse de tourbillonnement, la couche de séparation qui est formée pendant l'écoulement ordonné et dans la même direction entre
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les parois de conduite des gaz chauds et la masse gazeuse se trouve détruite, et cette masse elle-même est décomposée en ses parties qui arrivent ainsi souvent et de toutes parts avec les surfaces de la canalisation des gaz chauds, de sor- te qu'il en résulte une transmission de chaleur extraordi- nairement forte. Cette opération se renouvelle dans chaque chambre 7 qui, en raison de son importance, doit être dési- gnée comme chambre de tourbillonnement.
Les surfaces qui, dans la canalisation des gaz chauds, sont directement expo- sées aux tourbillons gazeux transmettent leur chaleur absor- bée à l'eau d'alimentation qui, également et comme déjà signalé plus haut, vient souvent et de toutes parts en con- tact avec les surfaces de diffusion de la chaleur par suit@ de sa circulation sinueuse dans la chambre annulaire 3, pour s'écouler ensuite, à l'état d'eau très chaude, par le conduit 6 vers le séparateur de vapeur W de la figure 1.
La transformation suivant cette invention de l'énergie de circulation des gaz chauds en vitesse de tour billonnement procure tout d'abord trois effets avantageux.
La transformation de l'état du courant des gaz chauds dans le générateur de vapeur empêche, en premier lieu, la forma- tion ou le maintien d'une couche de séparation entre les sur- faces de la canalisation qui viennent en contact avec les gaz et la masse gazeuse, par laquelle suivant les expériences, la transmission de la chaleur est considérablement entravée. De plus, suivant le nouveau procédé, il suffit de quantités rela- tivement faibles d'énergie pour détruire la couche de sépara- tion, parce que le courant absolument irrégulier et désordon- né que représente la circulation tourbillonnante désagrège beaucoup plus facilement la couche de séparation qu'un cou- rant ordonné constamment dirigé dans le même sens, tel qu'il se produit dans l'expansion adiabatique.
Enfin et ainsi qu'il
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a déjà été dit plus haut en expliquant le nouveau procédé de travail, toutes les molécules brûlantes de la masse gazeu- se totale sont amenées en contact avec les parois d'échange de chaleur de la canalisation des gaz, de sorte que de la réunion de ces trois effets résulte une transmission de cha- leur extrêmement élevée.
Comme la transmission de la chaleur dans la pre- mière partie de la chaudière, c'est-à-dire dans la première chambre de tourbillonnement est très élevée pour des raisons que l'on comprend facilement par suite des gaz provenant de la chambre d'explosion avec une haute température et une grosse pression, ce qui est également confirmé par les expé- riences effectuées, tandis que ces valeurs iront en décrois- sant dans les chambres suivantes de tourbillonnement, il est nécessaire, en vue du perfectionnement du nouveau procédé de travail et suivant la présente intention, de veiller à réduire les sollicitations de température dans les premières parties de la chaudière en vue de solliciter uniformément les surfaces de chauffe de la canalisation des gaz,
et d'éga- liser ainsi autant que possible la transmission de chaleur dans toute la chaudière, En vue de solutionner ce problème de la manière la plus simple et aussi la plus effective, l'invention s'appuie sur le principe connu que pour le coef- fiaient de transmission de chaleur, les trois facteurs des gaz chauds, c'est-à-dire la pression, la température et la vitesse du courant, sont essentiellement prédo minants. Du fait que la pression et la température sont des facteurs qui ne peuvent pas être influencés directement, l'invention admet qu'il suffit de la vitesse du courant dans la canalisa- tion des gaz chauds pour influencer la transmission de la chaleur. Ce facteur est influencé, suivant l'invention, en ce qu'il est augmenté vers l'extrémité d'échappement de la
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chaudière.
Cette élévation de la vitesse est produite par le choix approprié des sections des passages 8 et 11 entre les étages successifs de détente dans la canalisation des gaz chauds. Comme le montrent les essais, des conditions parti- culièrement favorables se produisent quand ces sections de passage se rétrécissent autant que possible d'étage en étage dans la direction du courant des gaz, et s'agrandissent de nouveau dans les derniers ou le dernier étage du diffu- seur de chaleur, ceci en considération du changement de volu- me des gaz. Cependant on approchera au moins de l'effet re- cherché qui pourra même déjà se produire si les sections de passage sont modifiées dans l'autre sens ou maintenues à peu près de même grandeur.
Dans l'exécution de la chaudière re- présentée dans la fig.2, les sections de passage se rétré- cissent dans la direction de l'extrémité de décharge de la chaudière jusqu'au dernier passage central 11 et aux rac- cords de communication 8 de la dernière chambre de tourbil- lonnement 7. Par contre,, ce dernier passage central et ces derniers raccords s'accroissent de nouveau en section, ainsi que le montre clairement la fig.2. On obtient de cette ma- nière l'augmentation de la vitesse du courant des gaz chauds vers l'extrémité de la chaudière, en opposition à la pression et à la température des gaz qui naturellement décroissent vers la même extrémité de la chaudière.
Par suite de cette modification Inverse dans les trois facteurs d'influence du coefficient de transmiss ion de la chaleur, on a sous la main le moyen de maintenir la transmission de chaleur, dans tous les points du trajet des gaz, à un dégré tel que les tensions préjudiciables seront évitées dans la chaudière.
Dans l'exécution de la chaudière à courant tour billonnant pour la réalisation du procédé suivant la pré- sente invention, on doit particulièrement veiller à ce que
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les chambres de tourbillonnement ne soient pas trop grandes.
Dans le développement des turbines à combustion interne et à explosion, la chambre qui se trouve en arrière de l'organe d'échappement de la chambre d'explosion a en effet joué un rôle remarquable. Cette chambre qui, dans les turbines à combustion interne, est connue sous le nom de chambre anté- rieure à tuyère doit, après l'ouverture de l'organe d'échap- pement de la chambre d'explosion, être remplie par les gaz produits dans cette même chambre d'explosion. Ce remplissage donne lieu cependant à une certaine perte de pression et de rendement et qui pourra être particulièrement important si, pendant le remplissage, des gaz j'échappent en même temps de la chambre qui doit être remplie.
Dans le cas présent, pour maintenir aussi au minimum, pendant le remplissage des chambres de tourbillonnement, cette perte inévitable de pres- sion et de rendement dans les gaz de combustion, il convien- dra de prévoir des chambres de tourbillonnement 7 pour le diffuseur de chaleur qui ne soient pas plus grandes que le strict nécessaire pour un tourbillonnement suffisant, en d'autres termes, les chambres de tourbillonnement doivent être tenues aussi étroites que possible (voir fig.2). De cette manière, la perte pendant le remplissage est réduite au minimum.
Les figs. 7 et 8 montrent un autre mode d'exécution de la chaudière à vapeur avec plusieurs canalisations d'eau et de gaz qui sont essentiellement parallèles entre elles.
Cette chaudière se compose d'une chemise extérieure cylin- drique 22 à chacune des deux extrémités de laquelle est fixé d'une manière étanche à l'eau un fond bombé en forme de cou- pole 23 se terminant en un raccord 24. Dans le plan de chacu- ne des deux extrémités de la chemise cylindrique 22 est pré- vue une bague de fond 25, avec section en U.
Chaque bague 25
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est maintenue par une tête creuse 26 dont la paroi exté- rieure est adaptée à la forme du fond 23 et, après avoir for- mé un raccord central, se prolonge par son extrémité infé- rieure jusque dans l'intérieur de la chaudière sous la forme d'un raccord annulaire qui est embouti d'une manière étanche à l'eau et aux gaz sur les côtés de la bague de fond 25, tan- dis que le raccord tubulaire central de la tête creuse 26 et qui conduit vers l'extérieur est étroitement entouré par le raccord 24 du fond 23 de la chaudière. Entre la partie en forme de coupole du fond de la chaudière 23 et la tête 26 de chacune des deux extrémités de la chaudière se trouve une chambre creuse de forme conique 27.
La tête creuse 26 de la partie supérieure de la chaudière est traversée par plusieurs tubes courts de conduite d'eau 28 qui font communiquer la chambre supérieure 27 avec la zone centrale de la chaudière.
Les deux bagues de fond 25 portent plusieurs tubes 29 dis- posés en arc parallèlement à l'axe de la chaudière et fai- sant communiquer l'une avec l'autre les deux têtes 26. Ces tubes de communication sont assemblés d'une manière étanche à l'eau et aux gaz avec les bagues de fond et traversés concen.. triquement par des tubes 30 d'un plus petit diapètre. Les extrémités des tubes intérieurs 30 sont fixées, par un assem- blage étanche à l'eau et aux gaz, dans la paroi de la tête creuse 26 opposée au fond 23 et débouchent dans les deux chambres coniques 27.
Suivant la présente invention, les tubes 29 qui sont destinés à la conduite des gaz sont mainte- nant subdivisés dans leur longueur, au moyen de bagues d'étranglement 31 disposées de distance en distance, en plu- sieurs, par exemple, en quatre étages (chambres) 30a à 30d placés les uns derrière les autres. Les trous ou passages 32 des bagues d'étranglement présentant des diamètres qui se modifient dans le sens de l'écoulement des gaz, en vue
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d'obtenir une sollicitation uniforme de température dans les surfaces de contact avec les gaz dans la canalisation des gaz chauds, et en considération de la modification de volu- me de ces mêmes gaz. Cette disposition est montrée dans la partie de la chaudière à gauche de la fig.7 par les lignes pointillées indiquant une enveloppe conique.
Les sections qui restent entre les tubes intérieurs 30 et les bords des trous des passages 32 servent comme points d'étranglement pour les gaz chauds qui arrivent à l'état de haute tension par le raccord 33 et, après avoir abandonné le dernier éta- ge 30d du tube extérieur 29, s'échappent en dehors de la chaudière par la tête creuse supérieure 26 et son raccord 34. Les tubes de conduite des gaz 29 sont baignés extérieu- rement par le corps (l'eau) qui reçoit la chaleur et qui est introduit en 35 dans le fond inférieur 23 de la chaudière et s'échappe de cette dernière par le fond supérieur en 36 à l'état très chaud ou sous forme de vapeur.
L'opération d'une chaudière à vapeur ainsi cons- truite s'effectue de la manière suivante :
Les gaz à haute tension et fortement chauffés qui pénètrent dans la chaudière à vapeur en 33 traversent la tête inférieure 26 et ensuite le premier étranglement qui est formé par l'intervalle entre les bords du trou du passa- ge 32 et la surface extérieure du tube intérieur 30 qui est rempli d'eau. Par suite de la grande différence de pression en avant et en arrière de ce premier point d'étranglement, des grandes vitesses de gaz se produisent dans la chambre 30a du tube de conduite des gaz 29. En raison du brusque élar- gissement de la section en arrière du point d'étranglement 32 dans la chambre 30a, l'énergie de circulation se transfor- me complètement ou du moins dans sa majeure partie en vites.
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/ se de tourbillonnement. De ce tourbillonnement des gaz les uns dans les autres résulte, comme dans le premier exemple décrit de construction de la chaudière, une forte transmis- sion de la chaleur aux surfaces de la chambre 30a qui sont en contact avec les gaz et qui de leur côté transmettent de nouveau la chaleur reçue à l'eau qui se trouve, dans la portée de la chambre 30a, contre la surface extérieure du tube de conduite des gaz 29 et contre la surface interne du tube 30. Les gaz traversent ensuite le deuxième point d'é- tranglement dans la chambre suivante 30b, c'es-à-dire de nouveau avec à peu près la même vitesse qu'auparavant, vi- tesse qui se rétablit en raison de la grande différence de pression qui dlbmine en avant et en arrière du deuxième point d'étranglement.
Les gaz sont de nouveau lancés en tourbillons les uns dans les autres en produisant une fois de plus une forte transmission de chaleur. Cette opération se renouvelle aussi souvent qu'il y a de points d'étrangle- ment et de surfaces d'échange de la chaleur. Comme la pres- sion et la température s'abaissent à chaque étage de déten- te, les sections d'étranglement se modifient suivant les lignes pointillées 37 des bords des trous, afin d'augmenter la vitesse du courant des gaz vers l'extrémité de la chaudiè- re. Le coefficient de transmission de la chaleur est ainsi maintenu au même degré approximativement pendant tout le trajet des gaz dans la chaudière, de sorte que sont évitées les hautes tensions inadmissibles dans les parties de la chaudière par suite des sollicitations très différentes de température dans la canalisation totale des gaz chauds.
Comma le montre encore la figure 9, le tourbil- lonnement des gaz chauds dans les différentes chambres de détente de la oanalisation des gaz peut être encore essen- tiellement facilité par des moyens d'un genre approprié,
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par exemple, sous la forme de bagues 38 disposées sur le tube intérieur 30 et font dévier le jet de gaz. Les bagues d'étranglement 31 de même que les bagues 38 peuvent aussi, naturellement, être formées par les tubes 29 et 30 eux- mêmes. Une telle exécution est représentée par la fig.10 suivant laquelle les tubes de conduite d'eau et des gaz sont estampés ou refoulés aux points voulus pour former des pro- jections annulaires.
Ce qui vient d'être expliqué pour les chaudières à vapeur s'applique aussi naturellement à tous les autres appareils pour l'échange de la chaleur, par exemple aux réchauffeurs et aux surchauffeurs. Il est également possi- ble de modifier essentiellement la construction de la chau- dière et la forme de la canalisation des gaz sans sortir de l'idée dt de la nature de l'invention.
- REVENDICATIONS -
1- Procédé pour la transmission à d'autres corps de la chaleur des gaz sous tension, en particulier des gaz d'échappement des chambres d'explosion, de préférence pour les turbines à combustion interne, caractérisé par la mise en tourbillons des gaz, auxquels sont communiquées de gran- des vitesses d'écoulement par l'abaissement de leur pression, d'après leur masse centrale pendant leur parcours dans un diffuseur de chaleur, les gaz étant amenés, après la forma- tion des tourbillons, en contact avec les surfaces d'échange de la chaleur.
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Method and device for transmitting heat from pressurized gases, in particular exhaust gases from explosion chambers, preferably for internal combustion turbines, to other bodies.
1
The present invention relates to a method and to devices for transmitting heat from gases under pressure to other bodies, in particular combustion gases which are produced in closed vessels with pressure development according to the process of explosion, by causing these gases to escape through steam diffusers, such as steam generators, superheaters, etc. In recent times, there has been very active attention to the separation and use of the sensible heat of the exhaust gases of explosion chambers such as those which are mainly employed for the control of internal combustion turbines.
The proposals that were
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made on this subject are based on the putting into practice of the known fact that with high voltage gases it is possible to obtain very high circulation speeds which should lead to corresponding sudden increases in the heat transfer coefficient and also in the amounts of heat passing through the diffuser. This effect is explained, according to the latest discoveries in the study of heat and currents, in that the high gas flow rates destroy the separation layer which forms. between the jet of combustion gases and the heat transmitting surfaces in these diffusers, and which delays heat transmission.
On the basis of this observation, an effort had been made spontaneously to increase the exhaust velocities of the hot gases, in order to actually remove the separating layer as well.
However, such a working method is ruled out as unsuitable for controlling the explosion chambers by pulverulent fuels and which, in practice, is very often suitable. The erosion of the walls of the gas conduction chambers by the entrained and cooled molecules, consequently very hard from the ashes of the combustible dust, increases in extraordinary proportions with the speed of rebounding of these molecules of ash. , the energy destroyed during the shock being approximately equal to the square of the flow velocity.
It thus becomes evident that with the very high gas velocities which it is necessary to use for the destruction of the separation layers indicated above, the erosion reaches values which are not admissible because of the danger which they present for. the resistance of the heat diffuser.
Apart from this disadvantage and based on
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the experiments which were made with heat diffusers working at high speeds, one arrived at the surprising observation that, contrary to what was generally accepted until now and to the technical idea which had formed, the most large heat transmissions do not occur at points where current velocities are highest. From this observation arises a new science on which the present invention is based and which further Influences than high gas velocities are essential and predominant for high heat transmission.
By studying these circumstances more carefully on a steam boiler into which the gases produced in an explosion chamber were introduced and which consisted of several tube bundles, it was established, by exact measurements, that the greater transmission The heat was not carried out at the points where the gases reached their highest speeds, but rather in the gas manifold which connected to the last tube bundle of the boiler.
The production of the maximum heat transmission in this manifold is now attributed, on the basis of knowledge applied according to this invention, to the fact that in the manifold the hot gases have the opportunity to swirl around. This supposes that the gas jet which, in the different passages of the tube bundles, first flows in ordered currents and in the same direction is transformed into an irregular and disordered current by abandoning the passage of the tube. last tube bundle, that is to say by entering the free collector which follows the bundle and which is relatively large compared to the passages of the bundles.
It follows that in the manifold and due to the swirling of its total mass, the gas jet is divided com-
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completely, so that now the internal parts of the jet also come into contact with the wall of the hot gas duct or collector and give up their heat to it.
In the known constructions of heat diffusers, it also naturally occurs, in the narrow chambers which are located between the different rows of tubes, a certain accidental swirling; however these chambers have no influence, because they are formed only to a small extent on the surface of the gas jet and can only give a so-called eddy from the edge.
From the foregoing characteristic experiments, the present invention derives this new principle that in order to utilize to the maximum extent possible the sensible heat which is contained in gases under tension, for example, in explosion gases, it is certainly necessary to make swirl the gas jet as it travels through the heat diffuser.
The advantages of swirling, however, can only be used, and this constitutes a new feature of the invention, when all the gas mass produced which is to be brought to work on the heat diffuser swirls, and a space sufficient is made available to the gas vortices to develop, while the actual heat exchange should only take place by itself after the gases have been vortexed and under the use of the speeds. swirl. This exchange can be obtained by bringing the vortices into heat exchange contact with the walls which limit the vortex chambers.
Consequently, the method proposed according to the present invention for the transmission of heat from energized gases, and in particular from exhaust gases from explosion chambers, preferably for internal combustion turbines, is characterized by the setting.
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in coils of gases to which, after lowering their voltage, high circulation speeds and their central mass are communicated during the passage through a heat diffuser, the gases being brought into contact after the formation of vortices , with the exchanging surfaces. age of heat.
The correctness of the principles which form the basis of the present invention is confirmed by careful study of the fact that so far the speeds sufficiently high for the destruction of the separation layers which, according to the above, form a obstacle to the increase in heat transmission, could only be produced by relatively strong reductions in the pressure of the hot gases. However, as in this process only orderly and very regular currents occur for these gas jets. - liers, for the destruction of the separation layer, it is naturally necessary to have extraordinarily high speeds and, consequently, strong reductions in tension.
If, on the other hand, swirling, unordered, but irregular currents are employed, the same effect of destroying the separation layers can be achieved with a considerably less expenditure of energy. In addition, the separation layer is destroyed more effectively than by currents in the same direction. The old precedent also presents this other essential disadvantage that during the production of the high velocities of the currents, not only the pressure but also the temperature of the gases is considerably lowered in correspondence with the adiabatic expansion. The heat transmission in the diffuser becomes all the worse as the temperature difference between the hot gases and the transmission surfaces is smaller.
Marne when m2 / 0 C / H St
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gives a high determined coefficient of transmission of the cha. Their, the amount of heat exchanged in correspondence to the reduced temperature drop is lower than that which could be achieved by maintaining the temperature.
With the new process, the following advantageous results are obtained:
First, by swirling the gases, most of the energy in the flow is destroyed and turns into temperature rises, so that the temperatures that existed before the expansion are again approximately reached. On the other hand, a completely disordered and irregular flow of hot gases is established in the conduits which produce the vortex. This current, due to the high speeds of the swirl, separates the hot gases according to their central mass, so that all the gas molecules come into contact with the heat transmitting surfaces of the hot gas conduits, effectively preventing the formation separation layers.
In addition, a small amount of energy is sufficient to produce the vortex speeds. With the new method of using heat, the previous efficiencies of heat diffusers working according to the known method, and in particular of steam generators and superheaters, can be achieved with a considerably smaller footprint by heating surface. Conversely, by maintaining the heat diffusers in their usual dimensions, their efficiency is increased in large proportions.
Another advantage of the invention consists in that it is no longer necessary, as before, to separate the gas jets mechanically by a large number of tubes which, as is known, are very. sensitive to erlsions, For example, one can
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use rooms with walls made of cast iron or steel and in which the risks from erosions are reduced by the hard crust of the cast iron and by the thick ones. larger walls.
The new method of using heat is particularly advantageous when the hot gases are conducted, under stepwise pressure reduction, out of suitably formed passages. Staged expansion of hot gases affords yet another advantage, except by lowering the pressure to values below that of single-stage expansion, whereby, according to experience, high speeds occur. With extraordinarily high flow rates, the erosion, in the use of coal dust, of the parts of the gas conduits which are exposed to the gas current is much less than in the single-stage expansion.
Practical tests with multistage expansion have shown, it is true, in certain circumstances irregular transmissions of heat in the hot gas pipeline, but these can be avoided by means which will be explained in detail. later.
In the devices for carrying out the process according to the invention, it is above all necessary for the gas vortices to be able to form sufficiently. For this purpose, means suitable for producing the swirling are arranged in the hot gas pipe, for example chines which, themselves, advantageously serve as heat exchange surfaces. A real formation of vortices is obtained when care is taken to break up the gas stream by devices provided in the swirl chamber of the pipe and, if necessary, to make it rotate in its path.
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In the accompanying drawings are shown several examples of execution of the new process for the use of heat in the application of the idea of the invention to a steam generator and which is arranged with exhaust gases from an explosion chamber, such as gas generators known in their connection with internal combustion turbines.
In these drawings:
Fig. 1 is a diagram of the overall installation of a steam generator, partly in elevation and partly in section.
Fig. 2 shows in longitudinal section along line II-II of fig. 3 a steam generator whose heating surface is formed by several swirl chambers which communicate with each other and are successively crossed by the gases. hot.
Fig.3 is a transverse and vertical section of the boiler along the line III-III of Fig.2.
Fig.4 is a horizontal section of the inlet end of the steam candle along line IV-IV of fig.3.
Fig.5 is a second transverse and vertical section of the boiler along the line V-V of Fig.2.
Fig. 6 is a similar section of the boiler along the line VI-VI of Fig. 2.
Fig. 7 shows another embodiment of the steam boiler, also in central longitudinal section, in which the hot gases which are admitted there arrive by passing through several conduits in the form of tubes divided into successive chambers by choke points arranged from distance to distance.
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Fig.8 is a partial cross section of the boiler of Fig.7 along line VIII-VIII.
Figs.9 and 10 show yet two other embodiments of the hot gas pipeline in longitudinal section.
In Figure 1, A denotes an elongated explosion chamber serving as a gas generator and as is customarily employed for the control of internal combustion turbines. The explosion chamber has various hydraulically operated parts, i.e. air valve B, fuel inlet valve C, exhaust valve D generally referred to as the nozzle valve. , and the fuel advancement device P which is also hydraulically controlled.
All these hydraulically controlled members' are connected, by a pipe E1, E2 and E3, to a distribution F of the pressure medium, a distribution which is frequently used mainly in internal combustion turbines. This distribution takes place. fitting of a rotating body G which, by a movement reference H controlled by the motor J, receives a continuous and uniform movement, and pressurizes alternately for a short period and then discharges the various connections El E3 in the rhythm of the mode of work of said distribution member.
As the dispensing agent, preferably and as usual compressed oil or other appropriate agent is employed. required under tension which, by means of a pump L, the duct M and the air bell N, is ducted from the reservoir K into the empty space 0 of the rotating body G and which serves as chamber of compression. The device L which delivers the distribution agent under pressure is also controlled by the engine J. The control agents (air and fuel) introduced into the explosion chamber are, after having forced-
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me an explosive mixture, ignited at predetermined times, by means of an ignition device Q, spark plugs or the like.
The high voltage and strongly heated combustion gases which are produced in the explosion chamber A are sent through the nozzle valve D. and the anterior nozzle chamber R into the steam generator S connected to the chamber R and escape from it through the tube R after having given up the heat which they contain. The feed water for the boiler is brought into the steam generator S in a heated state, this water being conducted through the cooling chamber s leaving the explosion chamber A and through the chamber. anterior to the nozzle R from which it then reaches the steam generator S by passing under a high pressure through the tube U and its bypass connections in which the throttling members Vl, V2 and V3 are interposed.
The feed water is strongly heated in this generator S by the gases supplied by the explosion chamber A, so that it is largely transformed into vapor in the vapor separator W after expansion by the pressure reducing valve X. The steam produced is discharged through the line Y, while the feed water released from steam arrives through the line W1 to the pump Z1.
The feed water which, by this pump, is subjected to a high pressure is delivered through line W2 back into the cooling chamber indicated above of the explosion chamber and into its anterior nozzle chamber, On the delivery pipe W2 is connected to a second pump Z2 which replaces with fresh water the part of the feed water which has already been transformed and evacuated, in the form of steam, through pipe Y. The two Z1 pumps and Z2 are controlled by the electric motor J ..
All parts of the ins-
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/ installation for the development of gases and the production of steam are known and therefore do not form the object of the present invention which relates rather simply to the conformation of the heat diffuser and to the economical use of the heat. heat contained in the high-voltage gases which are produced in the explosion chamber.
It will also be noted that the explosion chamber was chosen only as an example of a gas generator, and that any other gas generator and any other gas production process can directly find its application for the production. - high voltage gas production, the heat content of which can be used economically. The hot gases can also be exploited in any other heat diffuser instead of a steam generator.
We will now explain the heat diffuser (steam generator) which is represented in all its details by the different views in figs. 2 to 6.
At 1 is an outer boiler drum in which is inserted with a certain radial play a body 2, also in the form of a drum, so that between these two bodies 1 and 2 is formed an annular chamber 3 which is con - centric with the axis of the boiler. In this annu room. The air leads to the feed water inlet pipe 5 which is connected to the main feed water pipe U, fig.l. On the opposite side of the drum 1 is provided the discharge pipe 6 for the water heated in the boiler.
The inner body 2 is made up of several hollow bodies 7, twelve in number in the embodiment shown, in the form of lenses for example, placed one behind the other and which, in the direction of one end to the other of the boiler, communicate alternately with each other by several connectors 8 arranged in the vicinity of the
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periphery of the emptied chambers 7 and of central passages 11, so that an extremely turbulent passage results for the hot gases in the boiler.
The various fittings 8, including those which are united in a group in the same plane perpendicular to the axis of the boiler, have a total cross section equivalent as much as possible to the passage section of a neighboring central duct 11, each have a rib 9 directed towards the axis of the boiler which reinforces the assembly between the two transverse walls 10 opposite to each other of the two neighboring hollow bodies 7 and which carry the communication fittings 8. The central passages 11 are formed by deep constrictions 12 of the outer wall of the inner drum 2.
In each constriction which, at the corresponding point of the internal body, extends over its entire periphery are provided several radial ribs 13 which rigidly assemble together the two transverse walls adjacent to a constriction, so that each of the constrictions is divided. in intermediate chambers 20 in the form of sectors, fig.5. As can be seen in particular from FIGS. 3, 5 and 6, the outer drum 1 is provided on its internal wall and in the horizontal plane with two opposite longitudinal partitions 21 which apply in their entire length against the corresponding longitudinal partitions. 13 of the outer wall of the hollow body 2. As a result, the annular chamber 3 between the outer drum 1 and the inner hollow body 2 is divided into two halves.
In this way, the feed water which comes under pressure through line 5 into annular chamber 3 is forced to rise from bottom to top through the sector-shaped gaps and along. radial ribs 9 and 13 in the upper half of the annular chamber 3, and thus circulates in this chamber 3
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following a winding path. The first and the last hollow chamber 7 each end by forming a connection 15 or 16 respectively. These two connections are each surrounded by an empty space 17 or 18 serving as a cooling chamber and which is closed against the actual boiling chamber or annular chamber 3 of the va boiler. fear.
These cooling chambers are also supplied with water from the boiler which is brought to them by the connections 5a, 5b of the main feed water pipe U, fig.l, and flows therefrom to the hot state through conduits 6a, 6b.
The high-voltage and strongly heated gases which are produced in the explosion chamber A, fig, l, and which escape through the nozzle valve D and the anterior nozzle chamber R pass under high pressure and at a high temperature, through connection D in the steam generator and pass successively through the chambers of the hollow bodies 7 which are placed one behind the other, passing through the communication connections 8 and the central passages 11. The gases to High voltage thus experience from chamber to chamber and at intervals a certain reduction in pressure until they have finally reached, in the last chamber, a backpressure with which they leave the steam generator through the exhaust connection 16.
The remainder of energy which still remains in the gases at this moment can then be used other than from the point of view of the technique of heat, for example and by the addition of a turbine, to carry out advantageously the compression work of the combustion air which is required in the explosion chamber. As a result of the large pressure difference which, at the time of the entry of the hot high-voltage gases into each of the chambers
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sives 7, still exists in front of the chamber and in the latter, there is continuously and again in each chamber a high speed of gas circulation.
On entering the first chamber, the hot gases first strike against the transverse wall 10 which limits it and through which they are then forced back from all sides and perpendicularly towards the periphery of the hollow chamber from where they also escape again at right angles to enter through communications 8 into the next chamber. There the hot gases again first meet the opposite annular wall 14 of the first throat 12 (in the direction of gas flow) whereby they are again deflected at right angles to the center of the gas flow. boiler to flow again, through the central opening 11, into the immediately following hollow chamber.
This same gas circulation process is thus repeated up to the last chamber 7. By this continuous deflection of the current of hot gases in the steam generator, the circulation energy produced by the large pressure difference in each chamber 7 is obtained. found completely transformed into vortices, so that a completely disordered and irregular flow results. At each stage of expansion, the gases thus rotate within each other as far as possible. According to the present invention, this vortex --- of the gaseous molecules on top of each other can be considerably enhanced by inserting hot gases into the pipeline. special means capable of producing vortices, for example projections 19 in the form of cams.
Since the flow energy of the hot gases is transformed into the swirl rate, the separation layer which is formed during the ordered flow and in the same direction between
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the walls of the hot gas duct and the gaseous mass is destroyed, and this mass itself is decomposed into its parts which thus often and everywhere arrive with the surfaces of the hot gas duct, so that this results in an extraordinarily strong heat transfer. This operation is repeated in each chamber 7 which, because of its importance, must be designated as a swirl chamber.
The surfaces which, in the hot gas channel, are directly exposed to the gaseous eddies transmit their absorbed heat to the feed water which, also and as already mentioned above, often comes from all sides in con - tact with the heat diffusion surfaces by following @ its sinuous circulation in the annular chamber 3, to then flow, in the state of very hot water, through the pipe 6 towards the vapor separator W of figure 1.
The transformation according to this invention of the energy of circulation of the hot gases into the billowing speed of rotation firstly provides three advantageous effects.
The transformation of the state of the hot gas stream in the steam generator prevents, in the first place, the formation or maintenance of a separating layer between the surfaces of the pipeline which come into contact with the gases. and the gaseous mass, by which according to experiments the transmission of heat is considerably hindered. In addition, according to the new process, relatively small amounts of energy are sufficient to destroy the separation layer, because the absolutely irregular and disordered current represented by the swirling circulation breaks up the layer of water much more easily. separation than an ordered current constantly directed in the same direction, such as occurs in adiabatic expansion.
Finally and as he
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has already been said above when explaining the new working process, all the burning molecules of the total gas mass are brought into contact with the heat exchange walls of the gas pipeline, so that the meeting of these three effects result in extremely high heat transmission.
As the heat transmission in the first part of the boiler, that is to say in the first swirl chamber is very high for reasons which are easily understood from the gases coming from the swirl chamber. explosion with high temperature and high pressure, which is also confirmed by the experiments carried out, while these values will decrease in the following vortex chambers, it is necessary, in view of the improvement of the new process work and according to the present intention, to take care to reduce the temperature stresses in the first parts of the boiler in order to uniformly stress the heating surfaces of the gas pipe,
and thus equalize as much as possible the heat transmission throughout the boiler. In order to solve this problem in the simplest and also the most effective manner, the invention is based on the known principle that for the The three factors of hot gases, ie pressure, temperature and current velocity, are predominantly predominant. Since pressure and temperature are factors which cannot be influenced directly, the invention recognizes that the velocity of the current in the hot gas line suffices to influence the heat transfer. This factor is influenced, according to the invention, in that it is increased towards the exhaust end of the
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boiler.
This increase in speed is produced by the appropriate choice of the sections of passages 8 and 11 between the successive expansion stages in the hot gas pipeline. As the tests show, particularly favorable conditions occur when these passage sections narrow as much as possible from stage to stage in the direction of the gas flow, and widen again in the last or last stage. of the heat diffuser, this in consideration of the change in gas volume. However, we will at least approach the desired effect which could even already occur if the passage sections are modified in the other direction or maintained approximately of the same magnitude.
In the execution of the boiler shown in fig. 2, the passage sections are narrowed in the direction of the discharge end of the boiler up to the last central passage 11 and to the communication connections. 8 of the last swirl chamber 7. On the other hand, this last central passage and these last connections increase again in section, as clearly shown in fig.2. In this way, an increase in the speed of the flow of hot gases towards the end of the boiler is obtained, as opposed to the pressure and temperature of the gases which naturally decrease towards the same end of the boiler.
As a result of this inverse modification in the three influencing factors of the heat transmiss ion coefficient, we have at hand the means of maintaining the heat transmission, in all points of the gas path, at a degree such that damaging voltages will be avoided in the boiler.
In the execution of the round-flow boiler for carrying out the process according to the present invention, particular care must be taken that
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the swirl chambers are not too large.
In the development of internal combustion and explosion turbines, the chamber which is located behind the exhaust member of the explosion chamber has indeed played a remarkable role. This chamber which, in internal combustion turbines, is known under the name of the anterior nozzle chamber, must, after the opening of the exhaust member of the explosion chamber, be filled with gases. produced in this same explosion chamber. However, this filling gives rise to a certain loss of pressure and of efficiency and which may be particularly important if, during filling, gases escape at the same time from the chamber which must be filled.
In the present case, to also keep to a minimum, during the filling of the swirl chambers, this inevitable loss of pressure and efficiency in the combustion gases, it will be advisable to provide swirl chambers 7 for the diffuser. heat that is not greater than what is necessary for sufficient swirling, in other words, the swirl chambers should be kept as narrow as possible (see fig. 2). In this way, the loss during filling is reduced to a minimum.
Figs. 7 and 8 show another embodiment of the steam boiler with several water and gas pipes which are essentially parallel to each other.
This boiler consists of a cylindrical outer jacket 22 at each of the two ends of which is attached in a watertight manner a domed cup-shaped bottom 23 terminating in a fitting 24. In the In the plane of each of the two ends of the cylindrical sleeve 22 there is provided a bottom ring 25, with U-section.
Each ring 25
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is held by a hollow head 26, the outer wall of which is adapted to the shape of the bottom 23 and, after forming a central connection, is extended by its lower end into the interior of the boiler under the form of an annular connector which is pressed in a watertight and gas-tight manner on the sides of the bottom ring 25, while the central tubular connector of the socket head 26 and which leads towards the end. exterior is closely surrounded by the connection 24 of the bottom 23 of the boiler. Between the cupola-shaped part of the bottom of the boiler 23 and the head 26 of each of the two ends of the boiler is a conically shaped hollow chamber 27.
The socket head 26 of the upper part of the boiler is crossed by several short water pipe tubes 28 which communicate the upper chamber 27 with the central zone of the boiler.
The two bottom rings 25 carry several tubes 29 arranged in an arc parallel to the axis of the boiler and causing the two heads 26 to communicate with each other. These communication tubes are assembled in a manner. watertight and gas-tight with the bottom rings and traversed concen .. trially by tubes 30 of a smaller diapeter. The ends of the inner tubes 30 are fixed, by a watertight and gas-tight assembly, in the wall of the socket head 26 opposite the bottom 23 and open into the two conical chambers 27.
According to the present invention, the tubes 29 which are intended for the conduction of gases are now subdivided in their length, by means of throttling rings 31 arranged from distance to distance, in several, for example, in four stages. (chambers) 30a to 30d placed one behind the other. The holes or passages 32 of the throttle rings having diameters which change in the direction of the gas flow, in view of
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to obtain a uniform temperature stress in the contact surfaces with the gases in the hot gas line, and in consideration of the change in volume of these same gases. This arrangement is shown in the part of the boiler to the left of fig. 7 by the dotted lines indicating a conical casing.
The sections which remain between the inner tubes 30 and the edges of the holes of the passages 32 serve as throttling points for the hot gases which reach the state of high voltage through the fitting 33 and, after leaving the last stage. 30d of the outer tube 29, escape outside the boiler through the upper hollow head 26 and its connection 34. The gas conduction tubes 29 are bathed externally by the body (water) which receives the heat and which is introduced at 35 into the lower bottom 23 of the boiler and escapes from the latter through the upper bottom at 36 in the very hot state or in the form of steam.
The operation of a steam boiler thus constructed is carried out as follows:
The high voltage and strongly heated gases which enter the steam boiler at 33 pass through the lower head 26 and then the first constriction which is formed by the gap between the edges of the hole of the passage 32 and the outer surface of the tube. interior 30 which is filled with water. As a result of the large pressure difference forward and backward from this first throttle point, high gas velocities occur in the chamber 30a of the gas pipe 29. Due to the sudden widening of the cross section. behind the constriction point 32 in the chamber 30a, the circulating energy is transformed completely or at least for the most part in rapidity.
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/ se swirling. As in the first example of the construction of the boiler, this swirling of the gases into one another results in a strong transmission of heat to the surfaces of the chamber 30a which are in contact with the gases and which in turn again transmit the heat received to the water which is, in the scope of the chamber 30a, against the outer surface of the gas pipe 29 and against the inner surface of the tube 30. The gases then pass through the second point d 'throttling in the next chamber 30b, that is to say again with about the same speed as before, speed which is re-established due to the large pressure difference which decreases forwards and backwards. rear of the second choke point.
The gases are again whirled around each other, once again producing a strong heat transfer. This operation is repeated as often as there are choke points and heat exchange surfaces. As the pressure and temperature drop with each expansion stage, the throttle sections change along the dotted lines 37 of the edges of the holes, in order to increase the velocity of the gas flow towards the end. of the boiler. The heat transfer coefficient is thus maintained at approximately the same degree throughout the gas path in the boiler, so that inadmissible high voltages in the boiler parts are avoided due to very different temperature demands in the pipe. total hot gases.
As FIG. 9 further shows, the swirling of the hot gases in the various expansion chambers of the gas pipe can still be essentially facilitated by means of an appropriate type,
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for example, in the form of rings 38 arranged on the inner tube 30 and deflect the gas jet. The throttle rings 31 as well as the rings 38 may also, of course, be formed by the tubes 29 and 30 themselves. Such an execution is shown in Fig. 10, in which the water and gas pipes are stamped or forced at the desired points to form annular projections.
What has just been explained for steam boilers also naturally applies to all other devices for the exchange of heat, for example heaters and superheaters. It is also possible to substantially modify the construction of the boiler and the shape of the gas pipe without departing from the idea of the nature of the invention.
- CLAIMS -
1- Method for transmitting heat from energized gases to other bodies, in particular exhaust gases from explosion chambers, preferably for internal combustion turbines, characterized by the vortexing of gases, to which great velocities of flow are communicated by the reduction of their pressure, according to their central mass during their journey in a heat diffuser, the gases being brought, after the formation of the vortices, into contact with the heat exchange surfaces.