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CHAUDIERE A Y97,'I;UR DE IMCUIM- - .
La présente invention a trait aux chaudières à vapeur de mercure et appareils analogues! elle concerne plus particulièrement une méthode de fonctionnement et certains organes dans lesquels le mercure est en contact avec des métaux tels que le fer ou l'acier à température élevée.
Une chaudière à vapeur de mercure est constituée par un certain nombre de récipients munis de plusieurs tubes montés sur leur partie inférieure.
Chaque élément tubulaire comporte.deux tubes concentriques, le tube intérieur contenant la mercure. Le liquide circule dans le tube intérieur et se dirige dans l'espace compris entre les deux tubes intérieur et extérieur où il se trouve
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chauffé et évaporé, pour retourner ensuite au récipient.
On a trouvé qu'au cours du fonctionnement de telles ckaudières, les parties supérieures de l'espace rétréci compris entre le tube intérieur et le tube extérieur s'obstruant graduellement pendant le fonctionnement. Cet incon- vénient se manifeste lentement, à faible température, mais toutefois cet inconvénient demeure sérieux* A haute température de l'ordre de 540 C., l'obstruction constitue un inconvénient sérieux-
On a trouvé que les matières créant l'obstruction étaient généralement constituées par des paillettes de fer provenant des parois de la chaudière qui se présentent d'ordinaire sous tourne cristalline- Après étude de la question,
la Société demanderesse a trouvé que le mercure à haute température est capable de dissoudre ime petite quantité de fer (cette quantité dépendant de la température ) et que l'obstruction était due à la dissolution du fer dans le mersure, dans les régions surchauffées de la chaudière, le dépôt se faisant sur les parois moins chaudes-
En coure du fonctionnement, les différentes parties de la chaudière ne se trouvent pas à la marne température :
par exemple, les tubes sont à une température supérieure à celle du récipient, du fait que ces tubes sont plus près de la source de chaleur- De plus, les parties inférieures des tubes sont à une température plus élevée que celle des parties supérieures, car les premiers sont plus près de la source de chaleur et, en outre, le liquide contenu dans les dites parties inférieures a un point d'ébullition plus élevé que le liquide contenu dans les parties supérieures. Le point d'ébullition d'une particule liquide dépend non seulement de la pression de la vapeur à l'intérieur de la chaudière, mais aussi de la pression de la colonne liquide sur la partisule.
Par exemple, la particule située à 3 m. environ au-dessous du niveau du liquide de la chaudiè- re, a un point d'ébullition supérieur à celui d'une particule située à 2 m' eau- lement, car elle est soumise à une pression additionnelle produite par une colonne de liquide de 1 m. environ- Cela signifie que le point d'ébullition du liquide contenu dans les parties inférieures des tubes est plus élevé que celui du liquide de la partie supérieure-
La quantité de fer amalgamée avec le mercure est toutefois faible. Par exemple, 20 parties en poids de fer peuvent être amalgamées dans
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100.000.000 de parties en poids de mercure à la température de 500 C', tempé- rature normale des chaudières à vapeur de mercure actuelles.
La quantité de métal amalgamée décroît avec la température* Si par exemple, dans le cas précédent, la température était réduite de 1 5C. ,15% du fer amalgamé dans les 100.000.000 de parties de liquide, seraient précipités- D'autre part, dans un amalgame saturé de fer à 500 C., 15% du métal amalgamé cristallise ou précipite, si la température décroît de 1 ,5 Ci,* Le fait que le mercure dissout des quantités variables de fer à différentes températures, signifie que le mercure qui est complètement saturé laisse précipiter une partie du fer qu'il contient, si la température décroît* C'est le cas des chaudières à vapeur de mercure.
Comme on l'a dit plus haut, les différentes parties de la chaudière sont à destempsératures différentes* Le mercure contenu dans les parties de la chaudière à température élevée, dissout le métal jusqu'à saturation, et comme indiqué précédemment, laisse précipiter une certaine quantité de fer, si ce mercure atteint des régions de la chaudière où la température est moindre. On constate de telles variations de température quand le mercure passe de la paroi inférieure du tube, à sa partie supérieure.
Au cours du fonctionnement des chaudières, une grande quantité de mercure traverse les tubes et absorbe des calories. Une petite partie seulement du liquide est vaporisée au cours de cette circulation, et, une particule liquide peut circuler 30 ou 40 fois du récipient vers le tube inférieure et vice-versa, avant d'être évaporée.
Une particule de mercure varie donc de température, et chaque fois que ladite particule se meut de la partie inférieure du tube vers sa partie supérieure, elle subit une diminution de pression consécutive à une légère diminution de température- Il en résulte donc qu'une certaine quantité de métal se trouve périodiquement dissoute et précipitée- Ce phénomène se produit également sur les écrans sur lesquels circule le mercure, comme on le verra plus loin-
Pour apprécier correctement les inconvénients de cette dissolution et de cette précipitation périodiques consécutives aux variations de température, il y a lieu de noter que, dans une chaudière à mercure moderne, la totalité du mercure effectue ce ces 2.000.000 de fois par an,
c'est-à-dire que la totalité du mercure circule plus de 2.000.000 de fois au travers des éléments chauffants et des autres éléments de la chaudière, pendant une année de fonc-
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-tionnement normal de celle-ci* On a trouvé que, dans ces conditions, environ 1-000 Kilogs- de fer peuvent être dissouts et déposés dans une chaudière à vapeur de mercure de 20.000 kilowatts.
comme on l'a déjà dit, l'occlusion des passages de vapeur, consécutive à cette dissolution et à cette précipitation périodiques de fer, croit rapidement avec la température, ce qui nuit ainsi au bon fonctionnement des chaudières à haute température-
L'attaque du fer par le mercure présente deux inconvénients sérieux! le premier est caractérisé par le fait que le métal cristallise et s'accumule dans les parties supérieures des tubes, provoquant ainsi l'occlusion des orifices* Ceci gène considérablement la circulation du mercure, nuit au rendement de la chaudière et peut provoquer la destruction des tubes par la chaleur.
Le second inconvénient consiste en ce fait que le fer est arraché des parties de la chaudière, dans des conditions telles que la vie utile de celleci se trouve considérablement diminuée. Ces inconvénients se manifestent particulièrement sur les tubes fixée à la partie inférieure du récipient. L'incon- vénient est également considérable dans les chaudières comportant un écran sur lequel le mercure est chauffé et évaporé, car cet écran est muni de tubes disposés verticalement et, en général, plus longe que les tubes dont on vient de parler, de telle sorte que les extrémités inférieures des tubes et de l'écran sont soumises à des températures plus élevées que les autres.
La Société demanderesse a trouvé que l'action dissolvante du mercure à haute température peut être considérablement réduite ou même supprimée en ajoutant au mercure une substance s'opposant à. la formation d'un amalgéme avec le fer- A cet effet, on peut employer l'alumninium, le nickel, le chrome, le magnésium ou le calcium; on donne toutefois la préférence à l'aluminium. Une très faible quantité des métaux cités produit l'effet désiré. Par exemple, dans le cas de l'aluminium, on a trouvé que 0,01% de ce métal ajoute au mercure, est suffisant pour réduire considérablement l'action dissolvante du mercure sur le fer à 500 C., On peut toutefois augmenter le taux d'aluminium ajouté- On a trouvé par exemple qu'on pouvait porter le taux d'qaluminium jusqu'à 0,25% en poids.
Il n'est généralement pas nécessaire d'accroître au delà la quantité d'aluminium, car il se forme ordinairement une croûte d'alu- minium ou d'aluminium et de fer sur la surface du tube, ce qui peut nuire au
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fonctionnement de la chaudière.
Si l'on emploie le chroma, la proportion est plus grande et de lfordre de 0,01 à 1%. Pour le magnésium et le calcium, la proportion en poids est de 0,25%' Pour le nickel, le taux est de l'ordre de 1% en poids*
Les métaux sus-mentionnés, et particulièrement l'aluminium, présentent un autre avantage en ce sens qu' ils permettant au mercure de mieux " "mouiller" les parois' c'est là un point important qui intéresse directement le rendement de la chaudière- L'invention a donc pour but non seulement de diminuer ou de supprimer la formation de l'amalgame, mais aussi de favoriser le mouillage des parois par le mercure.
La Fig.1 représente une chaudière à mercure conforma à l'invention, et la Fig.2 montre un élément à grande échelle*
On a représ entê en 10 'on récipient de fer recouvert d'une matière isolante 11 maintenue par une enveloppa 12. Le récipient est rempli partiellement de mercure 13 auquel on a ajouté la métal préconisé ci-dessus* Un bloc 14 est destiné à modifier la répartition du merouse dans le récipient, de manière à en utiliser le minimum possible* Un certain nombre de tubas 15 en fer sont fixés au récipient* Chacun de ces tubes (Fig-2) comporte une partie extêrieure 16 fixée à la paroi du récipient 10, et une partie centrale 17 dont la paroi interne 18 et la paroi externe 19 (soudées ensemble)
constituant un espace rigoureusement clos- La paroi interne 18 délimine un espace 20 communiquant, à sa partie inférieure, avec un orificice 21 situé antre la paroi externats et le tube extérieur 16- Un manchon 22 est fixé, à sa partie supérieure, à un écran 23 prévu à l'intérieur du récipient 10 et pénétrant dans l'espace 20.
Pendant le fonctionnement, le mercure part de la région située au-dessus de l'éaran 23 à l'intérieur du récipient 10, et par le manchon 22, pénètre dans l'espace 20 d'où il est conduit en 21, o'est-à-dire dans 1'espace compris entre le tube 16 et la paroi externe 19. La chaleur est fournie au tube et au récipient par rayommement et par conduction* Le liquide contenu dans l'espace 21 est partiellement évaporé et dirigé vers l'intérieur du récipient.
Le fait d'avoir prévu un tube central réduit le transfert de la chaleur de la région 21 (qui peut délimiter le passage de la vapeur) vers la région 20 qui définit l'espace traversé par le liquide' Il en résulte une différence de pression entre les fluides traversant ces deux espaces, et il s'établit un régime
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permanent de circulation de fluide au travers de ces régions des tubes* La vapeur produite dans la chaudière se dirige vers la tubulure 24, d'où. elle est conduite à la turbine 25 et, de là, au condenseur 26 réfrigéré en 28. Le mercure condensé retourne au récipient par le conduit 29 connecté au sondant* geur 26, et par un tuyau 30 placé entre le conduit 29 et la récipient 10.
L'élément chauffant du présent système, représenté en 31, comporte un tube 34 connecté au tube 32, lui-même relié au tube 35 qui est placé à l'extérieur de la chaudière- L'élément 35 est connecté aux extrémités inférieures des tubes 37 situées à l'intérieur du foyer 36 et dont les extrémités, traversant les parois de ce foyer, sont connectées au conduit 32. Les tubes 37 constituent un écran pour les parois du foyer 36. Le liquide étant chauffer la vapeur produite traverse la conduit 33, arrive au récipient, et le mercure liquide ciroule de nouveau au travers du tube 34 et du tube 37- Un écran 38 prévu dans la canalisation 32, permet d'éviter que la vapeur des tubes 37 ne se mélange avec le liquide des tubes 34.