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Echangeur de chaleur.
La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur perfectionné, comportant des collecteurs verticaux reliés par un grand nombre de tubes horizontaux raccordés en parallèle à des niveaux différents, dans lesquels un liquide circule horizontalement et de bas en haut. Cet échangeur de chaleur perfectionné est principalement caractérisé en ce que les tubes et collecteurs combinés sont situés dans un passage enclos parcouru par un courant de gaz chauds qui passent transversalement sur les tubes de telle façon que chaque tube soit léché par un filet différent du courant de gaz, de manière à uniformiser le chauffage des différents courants de liquide.
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Suivant une autre caractéristique de l'invention, chaque tube inférieur supporte le tube immédiatement supérieur, les tubes étant disposés les uns par rapport aux autres de façon que le gaz puisse circuler librement entre eux.
Une autre caractéristique de l'invention réside en ce que certaines parties de certains tubes sont coudées de façon à croiser d'autres tubes, afin de les supporter.
Une autre caractéristique encore réside en ce qu'une partie de chaque tube est coudée de façon à faire partie de la paroi du passage et d'un faisceau de tubes transversal.
Les tubes et les collecteurs sont disposés, de pré- férence, de façon que les courants parallèles puissent circu- ler librement, sans rencontrer d'obstacles dans les collecteurs, ceux-ci présentant, à leur point le plus bas, des dispositifs de vidange ou de purge.
Les dessins annexés représentent un exemple de réa- lisation de l'invention. Sur ces dessins :
Fig. 1 est une coupe verticale longitudinale d'un générateur de vapeur équipé conformément à l'invention, et
Fig. 2 en est une coupe horizontale.
Fig. 3 est une vue en perspective, avec arrache- ments, l'enveloppe étant omise pour montrer la disposition des tubes qui constituent la paroi du foyer et des organes situés dans le courant des gaz.
Fig. 4 est une vue en perspective, avec arrachements, l'enveloppe étant omise pour montrer la disposition de l'éco- nomiseur et du surchauffeur; cette vue peut se superposer à celle suivant la Fig. 3, pour former une vue d'ensemble du foyer et de la surface d'absorption de chaleur.
Fig. 5 est une vue en perspective, d'un tronçon de tube plié de façon à former une partie de la paroi plane déli- mitant deux côtés latéraux et la face postérieure du foyer.
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Fig. 6 est une vue en perspective, montrant un tron- çon de tube coudé de façon à former une autre partie de la paroi plane pour deux côtés et la face arrière du foyer et une partie d'un faisceau de tubes baignés par des gaz chauds à la partie postérieure du foyer, ce tube coopérant, pour la partie restante des deux c5tés et de la face arrière, avec un tube coudé suivant la Fig. 5.
Fig. 7 est une vue, en perspective, d'un autre tronçon de tube, coudé de façon à former une partie du plan- cher du foyer, avant qu'une autre partie du tube soit coudée pour former une partie des deux faces latérales et de la paroi postérieure.
Fig. 8 est une vue, en perspective, d'un tronçon de tube coudé de façon à former une partie du plafond du foyer et à laisser un espace entre l'extrémité du plafond et l'extré- mité du foyer pour que les gaz puissent s'élever au-dessus du niveau du plafond, cette partie du tube se trouvant au- delà de celle qui fait partie des deux parois latérales et de la paroi postérieure.
Fig. 9 montre un tube plié de façon à former une partie de l'économiseur entre un collecteur d'entrée et un collecteur dé sortie, ces collecteurs étant verticaux et trois tronçons du tube formant, respectivement, un serpentin horizontal plat transversalement au courant des gaz, une pai- re de spires transversales pour supporter le serpentin plat supérieur, et une partie de la paroi du passage des gaz, sur deux faces opposées; deux séries de ces tubes, alternative- ment pliés en sens inverses et supportés tous par le bas, comprennent l'économiseur.
Fig. 10 montre un tube coudé de façon à former une partie du surchauffeur entre les collecteurs verticaux d'en- ,
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trée et de sortie, deux tronçons du tube formant, respective- ment, un serpentin horizontal plat posé transversalement au courant des gaz, et des parties de la paroi du passage des gaz, sur des faces opposées et à la face terminale, au-dessus de l'extrémité du foyer.
Deux séries de tels tubes, pliés al- ternativement en sens inverses et partant de deux collecteurs d'entrée pour aboutir à un collecteur de sortie, à des ni- veaux successifs, complètent les parois latérales et termina- le, et sont coudés de façon que les coudes, à des niveaux alternants, soient décentrés pour que chaque serpentin suppor- te le serpentin supérieur à l'endroit du croisement des cou- des, tout l'empilage étant supporté par la base.
Fig. 11 représente, schématiquement, les serpentins plats du surchauffeur, disposés horizontalement entre des collecteurs verticaux d'entrée et de sortie, avec des rac- cords pour la vapeur saturée venant du séparateur-collecteur et des raccords de sortie conduisant la vapeur surchauffée vers la vanne d'étranglement qui commande 1'écoulement de la vapeur vers l'endroit d'utilisation et vers une vanne de dé- rivation située en amont et utilisée, pour la mise en marche, avant d'ouvrir la vanne d'étranglement.
Le trajet d'écoulement du liquide et de sa vapeur passe par plusieurs longs tubes de faible section de passage 206, 207, 208, 209 et 210 reliés en parallèle, le dessin re- présentant cinq de ces tubes interrompus par une partie élar- gie à l'extrémité de la section génératrice de vapeur, qui agit comme séparateur ou 'collecteur 232 pour séparer la va- peur et le liquide, la vapeur saturée allant, sans liquide, vers un surchauffeur 242, et une partie du liquide entrant étant conduit par les tubes vers le séparateur 232, afin de maintenir mouillé le métal des tubes et d'empêcher la forma-
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tion de dépôts solides. Ce liquide non vaporisé est finale- ment détourné du trajet de circulation dans le séparateur 232, et évacué dans des conditions réglées, comme expliqué plus loin.
Les parties du générateur sont disposées à deux niveaux, à l'intérieur de parois verticales communes. Le niveau inférieur est occupé par le foyer à parois planes, délimité sur cinq côtés par des parois faites de tubes ho- rizontaux, nus, le sixième coté étant formé par la chambre du brûleur entourée de matière réfractaire; à l'extrémité postérieure du foyer un faisceau de tubes horizontaux 228 est posé transversalement au foyer. Les gaz de combustion chauds passent du niveau inférieur au niveau supérieur à l'extrémité postérieure 245 et retournent, par un passage au-dessus du plafond du foyer, vers un réchauffeur d'air 282 situé au-dessus du brûleur, pour se diriger ensuite vers la sortie.
A l'extrémité des gaz chauds, le niveau supérieur est occupé, par le surchauffeur 242 qui est mis à l'abri de la chaleur rayonnée par le foyer, d'aune part par sa position et, d'autre part, par le faisceau des tubes 228 du niveau in- férieur. Au niveau supérieur, à l'extrémité des gaz moins chauds, se trouve l'économiseur 202, ainsi que certains rac- cordements et le séparateur-collecteur 232 situé entre l'é- conomiseur 202 et le surchauffeur-242.
Le générateur comporte un économiseur 202 situé à l'extrémité moins chaude du passage des gaz et recevant du liquide d'une pompe raccordée à un réservoir à eau chaude ou à une autre source d'eau chaude munie d'un dispositif ap- proprié de chauffage de l'eau d'alimentation.
L'économiseur 202 comporte des collecteurs verti- caux adjacents 200 et 201, d'entrée et de sortie, respective- ment, reliés par des serpentins plats horizontaux, disposés en
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parallèle comme c'est représenté et qui forment un faisceau tubulaire transversal 202 dont la surface est de préférence proportionnée au débit.. à la quantité et à la pression du liquide, ainsi qu'à la quantité et à la température locale du gaz et à la vitesse relative du gaz et du liquide, de façon qu'il ne s'y forme pas ou pratiquement pas de vapeur.
Le liquide du collecteur de sortie 201 de l'écono- miseur est conduit, par un tube 203, vers un tube distribu- teur 204 dans lequel le liquide est divisé en parties égales envoyées dans les divers longs tubes de la section génératri- ce de vapeur. Dans l'exemple représenté, la section génératri- ce comporte cinq longs tubes de faible section et cinq résis- tances à l'écoulement de fluide 205, chacune de celles-ci opposant au fluide une résistance plus grande ou causant une chute de pression plus grande que le long tube générateur qu'elle alimente, afin d'assurer une répartition égale du liquide introduit dans les longs tubes 206, 207, 208, 209 et 210 qui constituent la section génératrice de l'ensemble comportant un plancher plan, deux parois latérales, et un plafond pour le foyer, ainsi qu'un faisceau de tubes à l'ex- trémité du foyer,
comme décrit plus loin.
La longueur de chacun de ces tubes générateurs est divisée en parties parcourues successivement par le courant, mais toujours horizontalement et vers le haut, afin d'éviter des poches de vapeur à mesure que celle-ci est produite, et chaque partie présente une forme et une position particuliè- res de façon à constituer des parois planes en métal nu et le faisceau tubulaire, à recevoir la même quantité de chaleur avec une même quantité de liquide, et à fournir des quantités égales et voulues de vapeur.
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La première partie de chacun des cinq tubes géné- rateurs est coudée de façon à former un serpentin plat ayant la longueur totale et un cinquième de la largeur du plancher du foyer. Une de ces cinquièmes parties est représentée sur la Fig. 7,
Les extrémités de sortie du premier tronçon des dif- férents tubes générateurs faisant partie du plancher du foyer sont raccordées aux extrémités d'entrée du deuxième tronçon des tubes, qui sont disposées de façon à constituer des parois latérales et terminale planes, ainsi que le faisceau de tu- bes du foyer 228.
Ces raccordements sont réalisés en condui- sant chaque tube à travers la partie antérieure du foyer, le long du plancher, puis vers le haut le long d'une paroi laté- rale, vers des tubes situés à différents niveaux de cette pa- roi latérale, comme c'est indiqué en 211, 212, 213, 214 et 215, où le diamètre des tubes est un peu plus grand pour per- mettre la production du volume voulu de vapeur.
Le deuxième tronçon de la longueur d'un tube généra- teur est coudé suivant deux côtés et l'extrémité arrière de la paroi du foyer, en commençant par l'extrémité avant d'une paroi latérale et en aboutissant à l'extrémité avant de l'au- tre paroi latérale après quoi, en inversant la direction du tube par une courbure ou coude de rayon zéro, on l'amène à un niveau supérieur. En raison du rayon nul du coude, le tube retourne vers le point de départ en contact avec le tronçon adjacent, et l'on renverse sa direction autant de fois qu'il le faut pour former un cinquième de la hauteur du foyer, comme le montre la Fig. 5.
Afin de constituer un faisceau tubulaire 228 à l'arrière du foyer, chaque deuxième tube, dans le sens de la hauteur, est coudé une fois de plus de façon à passer plusieurs fois (quatre fois dans.. l'exemple représenté) à tra-
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vers le foyer, en commençant et en terminant à la même paroi latérale.
Quand un tube est coudé à l'extrémité d'une paroi latérale pour monter d'un niveau inférieur au niveau immédia- tement supérieur, les deux branches restent en contact en rai- son de la courbure de rayon nul du coude qui ne fait pas saillie non plus vers l'extérieur, de sorte que des coudes adjacents peuvent rester en contact pour permettre aux tron- çons voisins du tube de se toucher. On forme donc ainsi une paroi complète en tubes nus, qui n'exige pas de réfrac- taire et qui absorbe la chaleur du foyer pour vaporiser du liquide, le mélange de liquide et de vapeur évoluant toujours horizontalement ou vers le haut, mais jamais vers le bas ou vers un niveau inférieur.
Le troisième tronçon de la longueur de chaque tube générateur est coudé de façon à former, comme le montre la Fig. 3, un cinquième de la largeur du plafond 230 du foyer, et la longueur totale de chacune de ces cinquièmes parties est inférieure à la longueur du foyer, comme le montrent les Figs. 3 et 8. Les deuxième et troisième tronçons du tube sont réunis par d'autres coudes à l'extrémité avant d'une des parois latérales et en travers de l'extrémité avant du plafond, après quoi chaque tube est coudé, hors du plan du plafond, vers le haut et le long d'un côté du séparateur-collecteur 232 cylindrique vertical, situé au-dessus du foyer.
A l'endroit où les tubes quittent le plafond du foyer et montent vers le séparateur, ils traversent une pla- que 231 qui assure l'étanchéité et est faite d'un alliage mé- tallique approprié, susceptible de résister à la température et à la nature des gaz sans se détériorer. Cette plaque en alliage métallique assure l'étanchéité de la cloison des tubes du plafond qui sépare le passage des gaz du générateur de va-
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peur en forme d'U horizontal, la plaque 231 ne s'étendant vers l'arrière que jusqu'à un support situé au-dessus de la rangée supérieure de tubes formant écran.
Les extrémités des tubes allant vers le séparateur remontent vers le haut à travers la plaque d'étanchéité 231 et, corme le montre le dessin, entrent tangentiellement dans une chambre séparatrice 232 qui divise le fluide en liquide et en vapeur; le séparateur 232 est obturé par un couvercle appro- prié quelconque, présentant un trou de visite 233.
Le séparateur 232 est une chambre ou enceinte cylin- drique se trouvant sur le trajet du fluide de travail, à l'ex- trémité de chacun des multiples tubes générateurs de fluide disposés en parallèle. Comme déjà dit, les tronçons 216 à 220 des tubes générateurs s'engagent dans le séparateur à mi-hau- teur, dans une direction tangentielle de sorte que, quand le fluide est déversé par ces tubes dans le séparateur, il s'y produit un mouvement tourbillonnant, et la force centrifuge localise le liquide près de la paroi et sépare la vapeur de ce liquide.
On notera que, sur une partie de sa hauteur, le sé- parateur est exposé à la chaleur des gaz de combustion.
La vapeur saturée quitte le séparateur par les con- duits 240 pour atteindre les collecteurs d'entrée verticaux 241 d'un surchauffeur 242 qui comporte un certain nombre de ser- pentins plats horizontaux disposés, en deux groupes, en tra- vers du passage des gaz au-dessus du foyer, sur toute la hau- teur et toute la largeur du passage et le long des parois, les serpentins étant raccordés en parallèle entre les collecteurs verticaux d'entrée 241 et les collecteurs verticaux de sortie 243. La vapeur surchauffée quitte le collecteur de sortie par le conduit 244 et est amenée à la machine où elle est utilisée,
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telle qu'une turbine ou autre.
Les serpentins plats horizon- taux du surchauffeur constituent une surface absorbant la chaleur ainsi qu'un écran pour les parois du passage des gaz, et sont situés au-delà d'une chambre à gaz 245 dans laquelle le courant de gaz change de direction: après avoir passé vers l'avant au niveau du foyer, il retourne au-dessus de celui-ci, de façon à uniformiser le passage des gaz chauds sur les dif- férents tubes du surchauffeur. Chacun de ces tubes est continu du collecteur d'entrée au collecteur de sortie, et est coudé dans un plan horizontal de façon à constituer une partie du faisceau de tubes du surchauffeur situé dans le passage des gaz, et aussi de la paroi du passage de gaz, tant sur les deux faces opposées qu'à la face terminale.
Comme le montre la Fig. 10, un tel tube croise le passage de gaz huit fois, avec des coudes qui en renversent la direction à l'extrémité de chaque partie droite, et s'étend sur deux tronçons de la longueur d'une des parois latérales, sur un tronçon de l'autre, paroi latérale et le long de toute la paroi terminale. Direc- tement au-dessus et en-dessous d'un tube surchauffeur ainsi coudé,se trouve un autre tube coudé de façon analogue mais en sens inverse,de façon à s'étendre sur les tronçons de la longueur des parois latérales non occupés par le tube voisin de dessus ou de dessous, mais s'étendant aussi, par endroits, sur les tronçons de la longueur de la paroi latérale occupés par les tubes voisins, et il en est de même pour la paroi terminale.
Ainsi, la paroi terminale et des parties des deux parois latérales du passage de gaz présentent des tubes sur- chauffeurs horizontaux en contact qui constituent pour les gaz une paroi continue en métal nu. L'inférieur des tubes horizontaux coudés du surchauffeur repose sur le fond du passage de gaz et il est susceptible de supporter le tube immédiatement supérieur du fait que les courbures des cou- des de la partie s'étendant en travers du passage des gaz
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sont disposées de façon que leurs centres soient décalés,et que leurs projections horizontales se coupent. De cette fa- çon le surchauffeur entier se supporte lui-même depuis le bas.
Grâce à la disposition horizontale, à des niveaux différents, des tubes surchauffeurs reliant les collecteurs verticaux d'entrée et de sortie, tout liquide dans le surchauf- feur, par exemple à la mise en marche du générateur, tend à s'écouler vers le fond des collecteurs et à remplir les tubes inférieurs, en laissant les tubes supérieurs entièrement exempts de toutes poches de liquide et libres pour l'écoule- ment de la vapeur, ce qui empêche le surchauffage d'un tube surchauffeur, qui pourrait se produire si une poche de liquide entravait l'écoulement de vapeur à travers un tube, alors que la vapeur traverserait d'autres tubes exempts de poches.
Dans le surchauffeur décrit, les gaz chauds ne peuvent endommager aucun tube car chacun de ceux-ci est ou bien rempli de liqui- de, ou bien refroidi intérieurement par le courant de vapeur et, comme le liquide dans un tube de niveau inférieur se vapo- rise, le surchauffeur fonctionne passagèrement, en partie, com- me chaudière aquatubulaire, jusqu'à ce que tout le liquide soit vaporisé complètement et sans danger, pendant que le reste fonctionne comme surchauffeur, après quoi le tout fonc- tionne comme surchauffeur. Cette caractéristique du surchauf- feur suivant l'invention est représentée schématiquement sur la Fig. 11, où 232 est le séparateur fournissant de la vapeur saturée au collecteur vertical d'entrée 241, par le conduit 240.
Les tubes surchauffeurs horizontaux coudés désignés par 242 débouchent dans le collecteur vertical de sortie 243 d'où la vapeur surchauffée sort par le tuyau 244, avec un dé-
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bit réglé par la vanne d'étranglement 244'. Une seconde vanne 244" constitue une dérivation que l'on ouvre pour la mise en marche, avant d'ouvrir la vanne 244', et que l'on laisse ou- verte jusqu'à la disparition de tout le liquide dans le sur- chauffeur.
Il est à noter que chacun des différents tubes du surchauffeur à serpentins doubles supporté par.le bas, est coudé de telle façon (Fig.10) que non seulement il constitue un faisceau tubulaire à travers lequel circulent les gaz, mais encore qu'il protège les parois du passage des gaz, et qu'en outre chaque tube est uniformément baigné par des gaz;de même température dans les différentes parties du courant des gaz, ce qui assure l'uniformité de la surchauffe dans chacun des tubes. De plus, la position et la surface de chaque tube sont telles que la température de la vapeur à la sortie n'est pas excessive, quelle que soit la charge.
Les tubes d'économiseur sont horizontaux comme ceux du surchauffeur et comme les tubes générateurs de vapeur, et chaque tube économiseur est coudé d'une façon présentant des caractères de similitude, en ce que des tronçons de la longueur d'un tube forment un faisceau en travers du passage des gaz, d'autres tronçons constituant des parties des parois latérales, et d'autres encore formant le support des tubes situés à un niveau plus élevé, l'ensemble étant supporté par le bas.
Cer- tains de ces tubes économiseurs sont représentés sur la Fig.9, (les uns en traits pleins et d'autres en traits interrompus), et cette figure les montre comme étant coudés en une série de boucles entre le collecteur vertical d'entrée 200 et le col- lecteur vertical de sortie 201, deux boucles simples étant disposées dans le sens de l'écoulement des gaz, deux boucles multiples étant disposées transversalement, et des tronçons étant situés dans les deux parois latérales. Des tubes ainsi
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coudés sont supportés par les tubes d'en-dessous, et chaque tube est uniformément baigné par des gaz à la même température, de sorte que le liquide conduit par chacun des tubes est uni- formément chauffé.
La disposition horizontale entre des col- lecteurs verticaux évite la formation de poches de vapeur ou de gaz dégagés:.par le liquide et empêche ainsi le surchauffage local des tubes.
L'égalisation de la chaleur absorbée par les tubes générateurs de vapeur est également assurée par leur position et, en ayant soin d'égaliser ou de proportionner le débit et la température du liquide introduit dans chacun des cinq tubes à faible section raccordés en parallèle, on arrive à unifor- miser la qualité de la vapeur ou le rapport entre le liquide non vaporisé et la vapeur produite, et en même temps on main- tient mouillé l'intérieur de chaque tube générateur, en ré- glant la quantité de chaleur par rapport au débit. De cette façon, en réduisant au minimum l'excès de liquide, on évite le surchauffage.
Afin d'égaliser la quantité de chaleur absorbée par chacun des divers tubes raccordés en parallèle, ces tubes sont coudés et disposés de façon à être uniformément exposés à la chaleur rayonnée du foyer et baignés par les gaz chauds. Cha- que tube occupe une partie de la hauteur de chaque paroi la- térale du foyer, sur toute sa longueur et à un niveau donné, ainsi qu'une partie de la paroi terminale au même niveau, et chaque tube passe une ou plusieurs fois en travers du courant gazeux dans le foyer, au même niveau encore. Chaque tube occu- pe également une partie de la largeur du fond et du plafond du foyer, sur toute la longueur.
En même temps, le brûleur se trouve à une des extrémités du foyer., et la flamme et les gaz le parcourent tout droit en sens longitudinal, de sorte qu'au point de vue thermique il y a symétrie par rapport au plan mé-
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dian du foyer., et chaque changement de la température des gaz ou de l'intensité de rayonnement en sens longitudinal affecte dans la même mesure les différents tubes générateurs, quelles que soient les variations de la charge.
On voit donc que 1-'invention fournit un générateur de vapeur surchauffée construit et disposé en trois sections dont chacune comporte plusieurs longs tubes de faible section raccordés en parallèle et qui sont un économiseur, un généra- teur de vapeur proprement dit et un surchauffeur, avec, dans le générateur, un nombre de tubes différent des autres sections, les tubes de chaque section étant toujours horizontaux et cou- dés de façon à former des faisceaux en travers des parois pla- nes à la limite de deux passages horizontaux pour les gaz, situés l'un au-dessus de l'autre, l'inférieur étant le foyer;
les tubes sont disposés de façon qu'ils ne soient pas surchauf- fés et que la même quantité de chaleur soit reçue par les dif- férents tubes raccordés en parallèle dans chaque section, ce qui assure, en service, la plus grande souplesse entre le zéro et le maximum de capacité, et le moindre poids ainsi que le moindre encombrement, tout en permettant le réglage automatique de la chaleur disponible pour l'absorption, en rapport avec le débit de vapeur surchauffée.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Heat exchanger.
The present invention relates to an improved heat exchanger, comprising vertical collectors connected by a large number of horizontal tubes connected in parallel at different levels, in which a liquid circulates horizontally and from bottom to top. This improved heat exchanger is mainly characterized in that the combined tubes and collectors are located in an enclosed passage traversed by a stream of hot gases which pass transversely over the tubes so that each tube is licked by a different net from the current of gas, so as to make the heating of the different liquid streams uniform.
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According to another characteristic of the invention, each lower tube supports the immediately upper tube, the tubes being arranged relative to each other so that the gas can circulate freely between them.
Another characteristic of the invention resides in that certain parts of certain tubes are bent so as to cross other tubes, in order to support them.
Yet another feature is that part of each tube is bent so as to form part of the wall of the passage and of a transverse tube bundle.
The tubes and the collectors are preferably arranged so that the parallel currents can flow freely, without encountering obstacles in the collectors, the latter having, at their lowest point, drainage devices. or purge.
The accompanying drawings show an exemplary embodiment of the invention. On these drawings:
Fig. 1 is a longitudinal vertical section of a steam generator equipped in accordance with the invention, and
Fig. 2 is a horizontal section.
Fig. 3 is a perspective view, cut away, the casing being omitted to show the arrangement of the tubes which constitute the wall of the hearth and of the members situated in the gas stream.
Fig. 4 is a perspective view, with cutouts, the casing being omitted to show the arrangement of the economiser and the superheater; this view can be superimposed on that according to FIG. 3, to form an overview of the fireplace and the heat absorbing surface.
Fig. 5 is a perspective view of a section of tube bent so as to form part of the flat wall delimiting two lateral sides and the rear face of the hearth.
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Fig. 6 is a perspective view, showing a section of tube bent so as to form another part of the flat wall for two sides and the rear face of the hearth and part of a bundle of tubes bathed in hot gases at the rear part of the hearth, this tube cooperating, for the remaining part of the two sides and of the rear face, with a bent tube according to FIG. 5.
Fig. 7 is a perspective view of another section of tube, bent so as to form part of the hearth floor, before another part of the tube is bent to form part of the two side faces and the posterior wall.
Fig. 8 is a perspective view of a section of tube bent so as to form part of the ceiling of the hearth and to leave a space between the end of the ceiling and the end of the hearth so that the gases can escape. 'raise above the level of the ceiling, that part of the tube being above that which forms part of the two side walls and of the rear wall.
Fig. 9 shows a tube bent so as to form part of the economizer between an inlet manifold and an outlet manifold, these manifolds being vertical and three sections of the tube forming, respectively, a flat horizontal coil transversely to the gas stream, a pair of transverse turns to support the upper flat coil, and part of the wall of the gas passage, on two opposite faces; two series of these tubes, alternately bent in opposite directions and all supported from below, include the economiser.
Fig. 10 shows a tube bent so as to form part of the superheater between the vertical end manifolds,
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inlet and outlet, two sections of the tube forming, respectively, a flat horizontal coil placed transversely to the gas flow, and parts of the wall of the gas passage, on opposite faces and at the end face, above from the end of the fireplace.
Two series of such tubes, bent alternately in opposite directions and starting from two inlet manifolds to end in an outlet manifold, at successive levels, complete the sidewalls and terminate, and are bent so that the elbows, at alternating levels, be off-center so that each coil supports the upper coil where the elbows intersect, all the stack being supported by the base.
Fig. 11 shows, schematically, the flat coils of the superheater, arranged horizontally between vertical inlet and outlet manifolds, with connections for saturated steam coming from the separator-manifold and outlet connections leading the superheated steam to the valve. throttle which controls the flow of steam to the place of use and to an upstream bypass valve used for start-up before opening the throttle valve.
The flow path of the liquid and its vapor passes through several long tubes of small passage section 206, 207, 208, 209 and 210 connected in parallel, the drawing showing five of these tubes interrupted by an enlarged part. at the end of the steam generating section, which acts as a separator or manifold 232 to separate the steam and the liquid, the saturated steam going, without liquid, to a superheater 242, and some of the entering liquid being conducted through the tubes to the separator 232, in order to keep the metal in the tubes wet and prevent the formation of
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tion of solid deposits. This unvaporized liquid is ultimately diverted from the flow path in separator 232, and discharged under controlled conditions, as explained below.
The parts of the generator are arranged at two levels, inside common vertical walls. The lower level is occupied by the fireplace with flat walls, delimited on five sides by walls made of horizontal, bare tubes, the sixth side being formed by the burner chamber surrounded by refractory material; at the rear end of the focus a bundle of horizontal tubes 228 is laid transversely to the focus. The hot combustion gases pass from the lower level to the upper level at the rear end 245 and return, through a passage above the ceiling of the fireplace, to an air heater 282 located above the burner, to then go towards the exit.
At the end of the hot gases, the upper level is occupied by the superheater 242 which is protected from the heat radiated by the hearth, on the one hand by its position and, on the other hand, by the beam tubes 228 of the lower level. On the upper level, at the cooler gas end, is economizer 202, as well as some connections and separator-manifold 232 located between economizer 202 and superheater-242.
The generator comprises an economizer 202 located at the cooler end of the gas passage and receiving liquid from a pump connected to a hot water tank or to another hot water source fitted with a suitable device for feed water heating.
The economizer 202 has adjacent vertical collectors 200 and 201, inlet and outlet, respectively, connected by horizontal flat coils, arranged in
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parallel as shown and which form a transverse tube bundle 202, the area of which is preferably proportioned to the flow rate .. to the quantity and pressure of the liquid, as well as to the quantity and to the local temperature of the gas and to the relative velocity of the gas and the liquid, so that no or practically no vapor is formed there.
The liquid from the economizer outlet manifold 201 is led, through a tube 203, to a distributor tube 204 in which the liquid is divided into equal parts sent into the various long tubes of the generator section. steam. In the example shown, the generating section has five long tubes of small cross section and five resistors to fluid flow 205, each of which gives the fluid greater resistance or causes a greater pressure drop. larger than the long generator tube that it supplies, in order to ensure an equal distribution of the liquid introduced into the long tubes 206, 207, 208, 209 and 210 which constitute the generator section of the assembly comprising a flat floor, two walls sides, and a ceiling for the fireplace, as well as a bundle of tubes at the end of the fireplace,
as described later.
The length of each of these generator tubes is divided into parts successively traversed by the current, but always horizontally and upwards, in order to avoid pockets of vapor as it is produced, and each part has a shape and a particular position so as to form flat bare metal walls and the tube bundle, to receive the same quantity of heat with the same quantity of liquid, and to supply equal and desired quantities of steam.
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The first part of each of the five generator tubes is bent to form a flat coil having the full length and one-fifth the width of the fireplace floor. One of these fifth parts is shown in FIG. 7,
The outlet ends of the first section of the various generator tubes forming part of the floor of the fireplace are connected to the inlet ends of the second section of the tubes, which are arranged so as to constitute flat side and end walls, as well as the bundle. of fireplace tubes 228.
These connections are made by leading each tube through the front part of the fireplace, along the floor, then upwards along a side wall, to tubes located at different levels of this side wall. , as indicated at 211, 212, 213, 214 and 215, where the diameter of the tubes is somewhat larger to allow the production of the desired volume of steam.
The second length section of a generator tube is bent along two sides and the rear end of the hearth wall, starting at the front end of a side wall and ending at the front end of the hearth wall. the other side wall after which, by reversing the direction of the tube by a curvature or bend of zero radius, it is brought to a higher level. Due to the zero radius of the elbow, the tube returns to the starting point in contact with the adjacent section, and its direction is reversed as many times as necessary to form a fifth of the height of the hearth, like the shows in Fig. 5.
In order to constitute a tube bundle 228 at the rear of the fireplace, each second tube, in the direction of the height, is bent once more so as to pass several times (four times in the example shown) through tra -
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towards the fireplace, starting and ending at the same side wall.
When a tube is bent at the end of a side wall to rise from a lower level to the immediately higher level, the two legs remain in contact because of the zero radius curvature of the elbow which does not no longer protrudes outwards, so that adjacent elbows can remain in contact to allow neighboring sections of the tube to touch each other. A complete wall is thus formed in bare tubes, which does not require refractory and which absorbs the heat from the hearth to vaporize liquid, the mixture of liquid and vapor always evolving horizontally or upwards, but never towards down or to a lower level.
The third section of the length of each generator tube is bent so as to form, as shown in FIG. 3, one-fifth of the width of the fireplace ceiling 230, and the total length of each of these fifth parts is less than the length of the fireplace, as shown in Figs. 3 and 8. The second and third pipe sections are joined by further elbows at the front end of one of the side walls and across the front end of the ceiling, after which each pipe is bent out of plane. from the ceiling, up and along one side of the vertical cylindrical separator-manifold 232, located above the fireplace.
At the point where the tubes leave the ceiling of the hearth and go up towards the separator, they pass through a plate 231 which provides the seal and is made of a suitable metal alloy, capable of withstanding temperature and the nature of the gases without deteriorating. This metal alloy plate seals the wall of the ceiling tubes which separates the passage of gases from the steam generator.
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fear in the shape of a horizontal U, the plate 231 extending rearwardly only to a support situated above the upper row of tubes forming a screen.
The ends of the tubes going to the separator run upwards through the seal plate 231 and, as shown in the drawing, enter tangentially into a separator chamber 232 which divides the fluid into liquid and vapor; the separator 232 is closed off by any suitable cover having an inspection hole 233.
Separator 232 is a cylindrical chamber or enclosure in the path of the working fluid at the end of each of multiple fluid generating tubes arranged in parallel. As already stated, the sections 216 to 220 of the generator tubes engage in the separator at mid-height, in a tangential direction so that, when the fluid is discharged through these tubes into the separator, it occurs there. swirling motion, and the centrifugal force locates the liquid near the wall and separates the vapor from that liquid.
It will be noted that, over part of its height, the separator is exposed to the heat of the combustion gases.
Saturated steam leaves the separator through conduits 240 to reach the vertical inlet manifolds 241 of a superheater 242 which comprises a number of horizontal flat coils arranged in two groups across the passage of the tubes. gas above the hearth, over the entire height and width of the passage and along the walls, the coils being connected in parallel between the vertical inlet manifolds 241 and the vertical outlet manifolds 243. Superheated steam leaves the outlet manifold through duct 244 and is brought to the machine where it is used,
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such as a turbine or the like.
The horizontal flat coils of the superheater provide a heat absorbing surface as well as a screen for the walls of the gas passage, and are located beyond a gas chamber 245 in which the gas flow changes direction: after having passed forwards at the level of the furnace, it returns above it, so as to make the passage of the hot gases uniform over the various tubes of the superheater. Each of these tubes is continuous from the inlet manifold to the outlet manifold, and is bent in a horizontal plane so as to constitute a part of the bundle of tubes of the superheater located in the gas passage, and also of the wall of the gas passage. gas, both on the two opposite faces and on the end face.
As shown in Fig. 10, such a tube crosses the gas passage eight times, with elbows which reverse its direction at the end of each straight part, and extends over two sections the length of one of the side walls, on a section on the other, the side wall and along the entire end wall. Directly above and below a superheater tube thus bent there is another tube bent in a similar way but in the opposite direction, so as to extend over the lengths of the side walls not occupied by the adjacent tube from above or below, but also extending, in places, on the sections of the length of the side wall occupied by the neighboring tubes, and the same is true for the end wall.
Thus, the end wall and parts of the two side walls of the gas passage have horizontal overheating tubes in contact which constitute for the gases a continuous wall of bare metal. The lower bent horizontal tubes of the superheater rest on the bottom of the gas passage and are capable of supporting the immediately upper tube because the curvatures of the bends of the portion extending across the gas passage
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are arranged so that their centers are offset, and their horizontal projections intersect. In this way the entire superheater supports itself from below.
Thanks to the horizontal arrangement, at different levels, of the superheater tubes connecting the vertical inlet and outlet manifolds, any liquid in the superheater, for example when the generator is started, tends to flow towards the outlet. bottom of the manifolds and to fill the lower tubes, leaving the upper tubes entirely free of any pockets of liquid and free for the flow of steam, which prevents overheating of a superheater tube, which could occur if a pocket of liquid impeded the flow of vapor through one tube, while vapor would pass through other tubes without pockets.
In the superheater described, the hot gases cannot damage any tube because each of these is either filled with liquid, or else cooled internally by the steam stream and, as the liquid in a lower level tube vaporizes. - rise, the superheater works temporarily, in part, as an aquatubular boiler, until all the liquid has evaporated completely and without danger, while the rest works as a superheater, after which the whole functions as a superheater. This characteristic of the superheater according to the invention is shown schematically in FIG. 11, where 232 is the separator supplying saturated steam to the vertical inlet manifold 241, through line 240.
The angled horizontal superheater tubes designated by 242 open into the vertical outlet manifold 243 from which the superheated steam exits through the pipe 244, with an outlet.
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bit set by throttle valve 244 '. A second valve 244 "constitutes a bypass which is opened for switching on, before opening the valve 244 ', and which is left open until all the liquid in the top has disappeared. driver.
It should be noted that each of the different tubes of the double coil superheater, supported from below, is bent in such a way (Fig. 10) that not only does it form a tube bundle through which the gases circulate, but also that it protects the walls from the passage of gases, and that in addition each tube is uniformly bathed by gases; of the same temperature in the different parts of the gas stream, which ensures uniformity of the superheating in each of the tubes. In addition, the position and area of each tube are such that the temperature of the steam at the outlet is not excessive, regardless of the load.
The economizer tubes are horizontal like those of the superheater and like the steam generator tubes, and each economizer tube is bent in a manner showing characters of similarity, in that sections the length of a tube form a bundle. across the passage of the gases, other sections constituting parts of the side walls, and still others forming the support of the tubes located at a higher level, the assembly being supported from below.
Some of these economizer tubes are shown in Fig. 9, (some in solid lines and others in broken lines), and this figure shows them as being bent in a series of loops between the vertical inlet manifold 200 and the vertical outlet manifold 201, two single loops being arranged in the direction of the gas flow, two multiple loops being arranged transversely, and sections being located in the two side walls. Tubes as well
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elbows are supported by the tubes below, and each tube is uniformly bathed in gases at the same temperature, so that the liquid conducted through each of the tubes is uniformly heated.
The horizontal arrangement between vertical collectors prevents the formation of pockets of vapor or gases released:. By the liquid and thus prevents local overheating of the tubes.
The equalization of the heat absorbed by the steam generator tubes is also ensured by their position and, taking care to equalize or proportion the flow rate and the temperature of the liquid introduced into each of the five tubes with small section connected in parallel, we manage to standardize the quality of the vapor or the ratio between the non-vaporized liquid and the vapor produced, and at the same time we keep the inside of each generator tube wet, adjusting the quantity of heat by relative to flow. In this way, by minimizing excess liquid, overheating is avoided.
In order to equalize the quantity of heat absorbed by each of the various tubes connected in parallel, these tubes are bent and arranged so as to be uniformly exposed to the heat radiated from the hearth and bathed by the hot gases. Each tube occupies part of the height of each side wall of the hearth, along its entire length and at a given level, as well as part of the end wall at the same level, and each tube passes one or more times across the gas stream in the hearth, still at the same level. Each tube also occupies part of the width of the bottom and ceiling of the fireplace, over the entire length.
At the same time, the burner is located at one of the ends of the hearth, and the flame and the gases travel straight through it in a longitudinal direction, so that from the thermal point of view there is symmetry with respect to the mid-plane.
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dian of the focus., and each change in the temperature of the gases or in the intensity of radiation in the longitudinal direction affects the various generator tubes to the same extent, regardless of the variations in the load.
It can therefore be seen that the invention provides a superheated steam generator constructed and arranged in three sections, each of which comprises several long tubes of small section connected in parallel and which are an economizer, a steam generator proper and a superheater, with, in the generator, a number of tubes different from the other sections, the tubes of each section being always horizontal and bent so as to form beams across the flat walls at the limit of two horizontal passages for the gases , located one above the other, the lower being the focus;
the tubes are arranged so that they are not overheated and that the same quantity of heat is received by the different tubes connected in parallel in each section, which ensures, in service, the greatest flexibility between the zero and maximum capacity, and the least weight as well as the smallest footprint, while allowing automatic adjustment of the heat available for absorption, in relation to the flow of superheated steam.
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