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Elément sur chauffeur annulaire.
La présente invention concerne un élément surchauf- feur annulaire ou à tubes concentriques, comportant deux canaux,annulaires dont l'un entoure l'autre dans lequel la vapeur est introduite, cet élément étant disposé dans les tubes de fumée des chaudières qui en comportent, notamment des chaudières locomotives.
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L'invention a pour but soit d'élever la températu- re de surchauffe pour la valeur actuellement usuelle de la surface de chauffe (environ un tiers de la surface de chauffe de vaporisation dans les locomotives), soit d'obte- nir les températures de surchauffe en usage actuellement sur les locomotives ( de l'ordre de 400 ) au noyen dune surface de chauffe notablement réduite, par exemple d'un tiers. La chute de pression de la vapeur dans les élé- ments surchauffeurs et la diminution du tirage due aux per- tes de charge des fumées dans les tubes ne sont pas accrues; au contraire, la chute de pression de la vapeur devient moindre que précédemment.
D'autre part, les fumées doivent sortir des tubes de surchauffe et des tubes de vaporisation à une température aussi égale que possible, :Un conséquence, l'invention consiste en premier lieu à donner au tube in- térieur de l'élément surchauffeur, parcouru par les fumées, un diamètre égal ou presque à celui des tubes de vapori- sation de la chaudière considérée et la valeur correcte du nombre de Gagner qui convient à cette chaudière. le nombre de Wagner est le rapport entre la section libre de passage des fumées et la surface totale balayée par elles dans un tube de fumée ou de vaporisation. la valeur empiri- que la plus favorable qu'il faut s'efforcer d'atteindre est de 1 : 410 à 1 : 420 pour les locomotives.
On obtient ainsi tout d'abord., d'une manière simple, que les courants de famée dans les tubes de fumée, c'est-à-dire aussi bien le courant dans l'espace annulaire extérieur que dans -le tube intérieur de l'élément surchauffeur, soient toujours repartis suivant la valeur correcte du nombre de wagner.
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En outre, la section de passage circulaire relative- ment grande de la vapeur dans les surchauffeurs usuels à serpentins est remplacée par une section annulaire par- ticulièrement petite qui satisfait également à la condi- tion que la vapeur entre dans l'élément surchauffeur et en sorte à la'vitesse d'environ 12 mètres par seconde qui est considérée aujourd'hui comme la plus avantageuse pour l'échange de chaleur. Par ce moyen et par une forme cor- recte, conforme aux lois de la dynamique des fluides, donnée au trajet de la vapeur, avec un seul changement de sens de celle-ci, la chute de tension devient plus faible que celle qui était inévitable jusqu'à présent dans tous les autres éléments surchauffeurs.
En même temps, on obtient pour la surface de chauffe de la partie à équicourant de l'élément surchauffeur, c'est- à-dire pour sa surface de chauffe extérieure,un agrandisse- ment par rapport à celle de la partie à contre-courant, de telle sorte que la surface de chauffe à équicourant de l'élément surchauffeur est au moins équivalente à la surfa- ce de chauffe à contre-courant au point de vue de la trans- mission de chaleur.
D'autres particularités de l'invention résident dans la constitution particulière de l'extrémité de re- broussement d l'élément à tubes concentriques et d'une pièce servant à l'admission et à la sortie de la va- peur.
La description qui va suivre, en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple, fera bien comprendre de quelle manière l'invention peut être réalisée, la. figure 1 représente une chaudière de locomo- tive en coupe verticale médiane.
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La fig. 2 montre un élément sur chauffeur vu de la boîte à fumée.
La fig.3 est une vue latérale, partie en coupe, correspondant à la fig. 2.
La chaudière horizontale comporte des tubes de fumée 1 occupés par des éléments surchauffeurs et des tu- bes de fumée 2 servant à la vaporisation. Dans chaque tube de fumée 1 se trouve un élément surchauffeur composé essentiellement de trois tubes concentriques, à savoir: un tube de fum-ée intérieur 3, de diamètre sensiblement égal à celui d'un tube de vaporisation 2, un tube exté- rieur 4 et un tube intermédiaire 5.
Du côté de la boîte à fumée, les tubes 3,4 et 5 débouchent dans une pièce 6 comportant deux tubulures coudées 7 et 8. Le tube extérieur 4 se raccorde à la tubulure 8 et le tube intermédiaire 5 à la tubulure 8; le tube intérieur 3 débouche, dans le coude de la tubulu- re 8, dans la boîte à fumée 19. Somme le montre la fig.3, la tubulure 7 est traversée par le tube intermédiaire 5 contenant le tube de fumée intérieur 3, et la tubulure 8 n'est traversée que par ce dernier.
Les tubulures coudées sont recourbées aussi bien dans le .sens de 'axe des tubes que transversalement à cet axe, de sorte qu'il subsiste entre elles un espace libre (fig. 2) permettant d'accéder aux tubes de fumée,par exem- ple pour les nettoyer. Aux tubulures 7 et 8 sont reccor- dés, par exemple par soudure, des tronçons de tubes 9 et 10 qui servent à faire communiquer les éléments surchauf- feurs avec les collecteurs de vapeur surchauffée 11 et de vapeur saturée 12.
Les gaz provenant de la chambre de combustion 13 parcourent les tubes de fumée 1 dans le sens des flèches
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en passant partie par le tube intérieur 3 et partie par le canal annulaire 14 compris entre les tubes 1 et 4.
Par le tube d'amenée 10 et la tubulure 8, la va- peur passe du collecteur de vapeur saturée 12 dans le ca- nal annulaire 16 compris entre le tube de fumée intérieur 3 et le tube intermédiaire 5, de sorte que ce canal annu- laire 16 est parcouru par la vapeur à contre-courant par rapport aux gaz de combustion. A l'extrémité 17 de l'élé- ment, la vapeur rebrousse chemin et parcourt, à équi- courant par rapport aux fumées, le conduit annulaire 18 compris entre le tube enveloppe 4 et le tube intermédiai- re 5, pour se rendre dans le collecteur de vapeur surchauf- fée 11 par la tubulure coudée 7 et le tube de raccorde- ment 9.
On connaît déjà des surchauffeurs annulaires montés dans les tubes de fumée, mais dans lesquels les relations nécessaires à la solution du problème qui est à la base de l'invention n'existaient pas entre les valeurs de la section de passage de la vapeur, de la surface de chauf- fe du surchauffeur et de la section de passage des gaz de combustion. Par rapport à ces surchauffeurs connus, les éléments surchauffeurs qui font l'objet de l'invention présentent les avantages exposés plus haut.
La diminutdon de la surface de chauffe du surchauf- feur offre des avantages considérables quant au poids et au prix de revient, du fait du nombre réduit des tubes de fumée dont la surface de chauffe évaporatoire est rem- placée par celle de tubes de vaporisation de section nota- blement plus faible. Il en résulte un diamètre plus petit de la chaudière et, par suite,.une nouvelle économie sur le poids et le prix de revient.
Un avantage qui découle du mode de construction du aurohauffeur annulaire réside dans la possibilité de @
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donner à la vapeur, par le courant central de fumées, un degré supérieur de surchauffe. En effet, ce courant ne cède sa chaleur que pour la surchauffe, et cela à contre- courant, et sa température ne peut être abaissée par ces- sion de chaleur à des surfaces de chauffe refroidies par l'eau, de sorte qu'il travaille avec une grande chute de température.
Il serait évidemment avantageux pour une forte surchauffe de faire s'échapper le courant central de gaz de combustion à une température plus élevée que les gaz des tubes de vaporisation et des canaux annulaires de fumée. Cependant, pour obtenir le rendement usuel actuellement, il faudrait alors donner .au tube intérieur du canal annulaire un diamètre si petit que l'avantage de courant de vapeur très étroit disparaîtrait et qu'il y aurait à craindre en service un barrage de ce tube.
.Les particularités essentielles de l'invention sont donc les suivantes :
1. Le courant central de gaz de combustion travail- le à contre-courant;
2. Le courant annulaire intérieur de vapeur s'étend encore sur une longueur aussi grande que possible dans la boîte à fumées, de telle sorte que le courant central de gaz de combustion a l'occasion de céder encore de la chaleur à la vapeur sur ce long parcours;
3.
Par des valeurs convenables données aux di- mensions du tube intérieur, de manière à obtenir la valeur correcte du nombre'de '.Vaguer, on fait en sorte que les cou- rants centraux de fumée arrivent dans la boîte à fumées à des températures acceptables au point de vue économi- que,
Si l'on veut réaliser la plus forte surchauffe uniquement par agrandissement de la surface de chauffe du surchauffeur, ou par diminution de la section de circu-
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lation des gaz de combustion, afin d.' obtenir une vitesse de ces gaz plus grande et par conséquent plus favorable en soi à l'échange.de chaleur, le nombre de Gagner devient beaucoup plus petit dans les tubes de fumée que dans les tubes de vaporisation.
Pour une même perte de tirage dans deux faisceaux tubulaires, la vitesse de circulation ne dépend que des ré- sistances à la circulation, qui peuvent être représentées en valeur ralative par le nombre de Wagner; par conséquent, les gaz de combustion sont déviés dans les tubes non occu- pés par des éléments surchauffeurs et 1'amélioration escomptée de la surchauffe ne se produit pas du tout ou seulement dans une très faible mesure.
En outre, du fait de la grande différence entre les valeurs du nombre de Wagner dans les tubes de fumée et dans les tubes de vaporisation, les températures des gaz de combustion à la sortie de ces tubes sont très différentes, de sorte que le rendement de la chaudière est évidemment diminué.
Si, par contre, on utilise les élé- ments surchauffeurs qui font l'objet de l'invention, la qualité du surchauffeur et, par suite, le rendement général de la chaudière, sont améliorés,(par qualité du sur chauf- feur, on entend ici le produit du rapport des sur,faces de chauffe et du rapport d'occupation),
L'amélioration de la qualité du surchauffeur est rendue possible, d'une part, par l'amélioration du rap- port d'occupation (c'est-à-dire du rapport entre le nombre des tubes de fumée et le nombre des tubes de vapo- risation) et, d'autre part, par l'amélioration simultanée du rapport des surfaces dechauffe ( c'est-à-dire du rap- port entre la surface de chauffe du surchauffeur et la sur- face de chauffe de vaporisation).
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Si l'on prend un tube de vaporisation, ayant la valeur correcte du nombre de Wagner pour la même chau- dière, comme grandeur constructive nécessaire de l'ensem- ble de l'élément surchauffeur, la section de passage du courant de vapeur qui, dans les surchauffeurs actuels, est très généralement circulaire, est remplacée par une section annulaire de très faible largeur. De cette façon, la chaleur peut être communiquée d'une manière intensive à la totalité de la vapeur à partir de la surface des tu- bes chauffée par les gaz de combustion.
Toute l'épais- seur de la veine de vapeur ne comprend, pratiquement que les couches très'minces en elles-mêmes soumises au remous par le frottement sur les parois, à l'exclusion du noyau "froid" bien connu et redouté qui se produit dans le cas d'une section circulaire,
Alors que, dans les surchauffeurs tubulaires en serpentin, oe noyau froid ne peut être amené au contact des parois chaudes tu tube qu'aux extrémités coudées de celui-ci, pendant un temps très court, avec une perte de tension par tourbillonnement, dans l'élément établi selon l'invention au contraire, chaque particule de va- peur vient en contact avec la paroi chaude suffisamment longtemps et fréquemment.
Pour mesurer cette "pénétration calorifique'*on peut prendre le rapport de la périphérie chauffée à l'épaisseur de la veine de vapeur. Pour toute section circulaire de passage de la vapeur, pour laquelle l'épaisseur de la veine de vapeur peut être considérée comme sensiblement égale au demi-diamètre, la valeur de ce rapport est dtenviron 7, 52 à 7,96 pour les valeurs actuellement usuelles . du diamètre des tubes et de l'épaisseur des parois. Comme ce diamètre est des l'ordre de 30 à 65 mm pour les tubes de vaporisation,le coefficient de pénétration calorifique
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du surchauffeur objet de l'invention a des valeurs d'environ 12 pour le courant intérieur de vapeur et 20 pour le cou- rant extérieur, soit environ 16 pour l'ensemble de l'élé- ment.
C'est ce qui explique la qualité élevée de cet élé- ment surchauffeur, qui est également due au fait que la .température du courant central de fumée n'est pas abaissée par une cession de chaleur en vue de la vaporisation, donc que la totalité de sa chaleur, avec une forte chute de température, est disponible uniquement pour la surchauffe, à contre-courant, et que, par suite, la vapeur atteint un degré élevé'de surchauffe.
Par la surchauffe de la vapeur, sous les pres- sions de chaudière en usage aujourd'hui, jusqu'aux tem- pératures usuelles actuellement dans les locomotives, le volume de la vapeur s'accroît d'environ la moitié despuis son entrée dans le surchauffeur jusqu'à sa sortie de celui- ci. Dans le cas, général aujourd'hui pour les surohauffeurs à serpentins usuels, oû la section de la vapeur reste constante, cela corresond à une augmentation d'environ 50 % de la vitesse de la vapeur. Non seulement cela représente une plus mauvaise trensmission de la chaleur en soi, mais encore cet inconvénient est accentue parle fait que cette vitesse accrue a lieu principalement dans des parties à équioourant du surchauffeur.
Par la décomposition de la section de passage circulaire de la vapeur, dans les surchauffeurs ordi- naires à serpentins, en deux sections annulaires concen- triques très étroites, la vapeur pénétrant dans l'élé- ment par l'anneau intérieur, ces inconvénients sont sup- primés pour ainsi dire d'eux-mêmes,, si l'on donne à la section annulaire de sortie de la vapeur une valeur égale environ 1,5 fois la section d'entrée. La vapeur pénètre alors dans l'élément et en sort avec la même
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vitesse et la construction naturelle de l'élément annu- laire comporte alors en outre par elle-même une plus grande surface de chauffe pour la partieà équicourant, en compensation de sa moindre efficacité calorifique.
L'expérience a permis d'établir que la vitesse de la vapeur la plus avantageuse pour la transmission de cha- leur est d'environ 12 mètres par seconde pour l'élément surchauffeur construit selon l'invention.
Enfin, il y a lieu de citer comme un avantage important de cet élément la faible chute de tension de la vapeur au cours de sa traversée de l'élément surchauffeur.
Bien entendu, on a déjà fréquemment essayé d'uti- liser les avantages de la subdivision du courant de va- peur, qui était jusqu'à présent de section relativement grande, en plusieurs courants plus étroits, de forme circulaire ou plate. On a déjà également monté en série dans un même serpentin plusieurs tronçons tubulaires de diamètres différents, avec la valeur correcte du ray-on hydraulique pour tout l'élément, de telle sorte que les tubes de plus petit diamètre se trouvent sur la plus grande longueur dans la zone la plus chaude et inversement. évidemment, ces mesures étaient favora- bles à la surchauffe; toutefois, cet avantage était compensé par une chute de tension plus grande, et par conséquent très indésirable, de la vapeur dans le sur- chauffeur.
Au contraire, l'élément objet de l'invention est quitté par la vapeur avec une chute de tension consi- dérablement plus faible.
On calcule le diamètre intérieur du tube de fu- mée en tenant compte du nombre de Wagner adopté pour les tubes de vaporisation. On obtient ainsi la même vi-
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tesse des gaz de combustion dans ces derniers tubes et dans la partie des tubes de fumée qui participe à la vapori- sation. On satisfait également, de cette manière, à la con- dition suivante: une vitesse constante du courant de fu- mée est la plus favorable à une vaporisation régulière.
L'adaptation de la surface de chauffe du surehauf- feur au débit de vapeur fourni par la chaudière peut être faite d'une manière simple par le nombre des unités mon- tées en parallèle, tout comme dans les' surchauffeurs CI serpentins usuels.
REVENDICATIONS,
La présente invention concerne:
1 - Un élément surchaufieur annulaire logé dans les tubes des chaudières à tubes de fumée, notamment des chaudières locomotives, et comportant deux canaux annu- laires dont l'un entoure celui dans lequel la vapeur est admise, cet élément étant caractérisé par le fait que le tube intérieur de l'élément, qui est traversé par les gaz de combustion, a sensiblement le même diamètre que les tubes de fumée de la chaudière qui servent à la vaporisation, et présente la valeur correcte, pour cette chaudière, du nombre de Gagner.
2 - Un mode de réalisation de l'élément surchauffeur spécifié sous 1 , dont la particularité principale consiste en ce que les canaux annulaires de vapeur sont raccordés à une pièce composée de deux tubulures coudées à travers lesquelles passe le tube de fumée intérieur.
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