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Perfectionnements aux chaudières tubulaires.
Cette invention est relative aux chaudières tubu- laires comportant une chambre de foyer, un trajet de con- vection contenant un surchauffeur., et un trajet de rayonnement intermédiaire disposé entre la chambre de foyer et le trajet de rayonnement, et elle concerne plus particulièrement une chaudière à rayonnement perfectionnée de ce genre, qui fonc- tionne économiquement à denhautes pressions et à des tempéra- tures élevées avec des débits importants.
L'invention a pour but de procurer une chaudière à rayonnement de construction compacte qui convienne pour fonctionner efficacement à plu- sieurs régimes de charge et se prête à des allures de chauffe
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élevées, qui soit pourvue de grandes surfaces d'absorption de chaleur, agencées pour travailler sous de notables dif- férences de température entre les éléments de combustion transmettant la chaleur et le fluide .absorbant la chaleur, et dont la continuité de fonctionnement et le rendement thermique puissent être maintenus pendant de longues durées.
Dans une chaudière conforme à la présente invention, appartenant au genre spécifié, le trajet de convection est disposé au-dessus de la chambre de foyer et celle-ci est raccordée à l'extrémité supérieure du trajet de convection par un trajet de rayonnement intermédiaire qui s'étend à côté du trajet de convection et qui est conformé avec des parois tubulaires absorbant la chaleur radiante et refroidies par un fluide, ainsi qu'avec des tubes supplémentaires absorbant la chaleur radiante et refroidispar un fluide, qui divisent le trajet de rayonnement en conduits longitudinaux.
Dans une forme d'exécution de l'invention, des tubes disposés suivant la longueur du trajet de rayonnement divisent celui-ci en plusieurs conduits. Les tubes d'une division pas- sent avantageusement entre des tubes de paroi du trajet de rayonnement, sont raccordés à des collecteurs disposés à l'extérieur de ce trajet et sont suspendus par l'intermédiaire de dispositifs comprenant des ressorts qui exercent une traction sur les tubes. En outre, avantageusement, la chambre de foyer est tapissée de tubes de la chaudière, recouverts de matière réfractaire.
De préférence, il est prévu des dispositifs pour dériver des gaz de manière réglable par rapport au surchauffeur et on dispose dans la dérivation et en-dessous du surchauffeur des sections d'un économiseur.
On décrira ci-après l'invention à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés, dans lesquels:
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Fig. 1 est une coupe verticale d'une chaudière aqua- tubulaire à haute pression et température élevée;
Fig. 2 est une coupe verticale transversale suivant la ligne 2-2 de la fig.l;
Fig. 3 est une coupe verticale de la seconde zone du foyer,, faite suivant la ligne 3-3 de la fig.l;
Fig. 4 est une coupe horizontale de la seconde zone du foyer, du trajet de surchauffeur et-du réchauffeur d'air, faite suivant la ligne 4-4 de la fig.l;
Fig. 5 est une coupe horizontale de la zone à tem- pérature élevée du foyer et de la partie inférieure de la seconde zone du foyer, faite suivant la ligne brisée 5-5 de la fig.l;
Fig. 6 est une vue de détail, en élévation, montrant la façon dont les serpentins du surchauffeur et de l'économi- seur sont supportés par des tubes verticaux intercalés dans le système de circulation de la chaudière; et
Fig. 7 est une coupe verticale montrant une va- riante de l'invention.
La fig.l des dessins annexés montre une chaudière à rayonnement où la combustion et 1-'absorption de chaleur pour la vaporisation du fluide de travail se produisent dans des zones de foyer dont chacune est agencée pour coordonner les conditions de fonctionnement du foyer et la disposition des surfaces d'absorption de chaleur de manière à répondre au désidératum final que les gaz quittant le foyer, portés à une température appropriée, soient exempts de scories. A cet effet, la combustion primaire et principale du combustible est produite à température élevée dans la zone de foyer primaire 10 où les constituants cendreux des gaz fondent et se conglomè- rent tout en transmettant leur chaleur aux parois du foyer.
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Les gaz de foyer provenant de la chambre de foyer constituée par la zone à température élevée 10 se divisent en passant à la seconde zone du foyer constituée par le trajet de rayonnement 12 dans lequel les produits de combustion su- bissent un abaissement de température par suite d'une trans- mission de chaleur rayonnante à des surfaces ayant un haut degré d'.absorptivité. Ces surfaces sont constituées par des tubes de paroi dont certains délimitent la seconde zone.
Dans ces limites, d'autres parties des surfaces sont consti- tuées par des tubes de cloison verticaux 14 dont les extré- mités inférieures sont raccordées aux collecteurs 16 et dont les extrémités sup,érieures sont raccordées aux collec- teurs 18, et qui divisent la seconde zone du foyer en plusieurs chambres de refroidissement A, B et C, comme le montrent plus spécialement les figs. 3, 4 et 5. Dans ces chambres de re- froidissement multiples de la seconde zone du foyer les par- ties gazeuses des'produits de combustion, ainsi que tous résidus non-gazeux ou fondus,prennent une température moins élevée, de manière que les gaz aient la température appropriée pour venir en contact avec les surfaces de surchauffe du sur- chauffeur désigné de manière générale par le chiffre de réfé- rence 20.
Dans la seconde zone du foyer, en outre, les résidus de combustion fondus sont refroidis et solidifiés à un degré tel qu'une accumulation exagérée de dépôts sur les tubes sur- chauffeurs soit empêchée. Cet effet de refroidissement et de solidification amène aussi les résidus à se séparer des gaz dans la seconde zone du foyer et à tomber à travers cette zone dans des régions à températures de gaz plus élevées, de, sorte que ces résidus peuvent fondre à nouveau pour être éliminés conjointement avec les scories fondues se trouvant au fond de l'étage à haute température 10.
La chaudière est essentiellement constituée par
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des tubes bouilleurs de paroi raccordés au système de circu- lation de la chaudière, et tous ces tubes de paroi absorbent la chaleur résultant de la combustion du combustible utilisé, mais pour obtenir les résultats voulus en employant cette construction, il est préférable que la disposition et le caractère spécifiques des surfaces d'absorption de chaleur de la première zone 10 du foyer diffèrent de la disposition et du caractère des surfaces d'absorption de chaleur de la seconde zone 12.
Un résultat à obtenir est la production et le main- tien de températures de foyer élevées dans la zone de foyer 10 afin de provoquer une combustion rapide et complète du combustible ainsi que de maintenir les cendres, dégagées durant la. combustion par un combustible contenant des cendres, comme le charbon pulvérisé, dans un état fondu tel qu'elles puissent être évacuées de la zone de foyer primaire de manière continue ou intermittente.
Dans la zone de foyer secondaire, on vise à avoir de plus grandes surfaces de refroidissement à allure d'absorp- tion de chaleur plus élevée, afin que la chaleur rayonnée par les gaz et toutes particules non-gazeuses en suspension dans les gaz puisse être absorbée efficacement et que les tempé- ratures de ces éléments, notamment des particules non-gazeuses, s'abaisse notablement, de manière que lorsque ces particules viennent en contact avec des surfaces de chauffe par convection après avoir parcouru la zone de foyer secondaire, elles soient à une température inférieure à leur température de fusion et, par suite, dans un état sec ou non-collant, si bien que l'ac- cumulation résultante de cendres et de scories sur les sur- faces de convection est minimum.
En raison de la différence entre le rayonnement des matières solides et les gaz, la température des particules
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non-gazeuses contenues dans les gaz peut être moins élevée que la température des gaz eux-mêmes. Suivant la présente invention, on tire profit de ce fait connu en aménageant les surfaces d'absorption de la zone de foyer secondaire 12 de manière à assurer que la température des particules non-gazeuses soit en-dessous de leur point de fusion au moment où, elles quittent cette zone du foyer, tandis qu'en même temps'la température des gaz est telle que la production de vapeur à température élevée soit assurée par leur contact subséquent avec les tubes du surchauffeur 20.
On entretient des allures élevées de transmission de chaleur par convection en disposant les tubes du faisceau de tubes de convection de manière qu'ils soient relativement peu espacés, et il n'est possible d'utili- ser des tubes aussi peu espacés que lorsque les particules non-gazeuses en suspension dans les gaz sont dans un état non-adhésif. La présente invention permet de donner aux tubes surchauffeurs ce faible espacement. Si les particules gazeuses en suspension dans les gaz étaient au-dessus de leur tempéra- ture de fusion au moment où elles viennent en contact avec les tubes surchauffeurs, elles s'accumuleraient sur ces tubes et formeraient des obstructions indésirables à la circulation des gaz, d'où il résulterait que l'absorption de chaleur et les conditions générales de fonctionnement seraient inefficaces.
Grâce à l'invention on évite cette éventualité.
Dans la zone de foyer primaire 10 prévalent des allures de combustion rapides et des températures élevées, ces conditions étant aidées en revêtant la chambre de combustion de ce foyer d'une matière réfractaire céramique liée aux tubes de manière à faire partie intégrante de la paroi du foyer.
La liaison de cette matière réfractaire avec les tubes est telle que la matière réfractaire est maintenue efficacement @ lien que sa couche tournée vers le foyer soit continuellement
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soumise à des températures élevées durant le fonctionnement de la chaudière. Les températures élevées régnant dans la chambre de combustion contribuent à aider une combustion efficace à des charges relativement faibles.
Les parois de la première zone de combustion 10 sont de préférence constituées par des tubes à broches. Sur les côtés des tubes, tournés vers le foyer, il est prévu des broches soudées aux tubes. Le revêtement du foyer, constitué par la matière réfractaire céramique, est de pré- férence appliqué à l'état moulable et est bourré sur les tubes entre les broches. Sur leurs côtés opposés au revêtement réfractaire,les tubes sont recouverts d'une matière calori- fuge fixée aux tubes de manière appropriée et de préférence maintenue en place par une enveloppe métallique divisée en sections.
La paroi avant et le ciel de la zone de foyer 10 sont délimités par les tubes de paroi 30 raccordés par leurs extrémités inférieures à un collecteur 32. Ils déchargent de la vapeur et de l'eau dans le collecteur ou corps supérieur 34 d'où les tubes ascendants 36 et 38 et les tubes-écrans 40 et 42 déchargent de la vapeur et de l'eau dans le corps 44.
Les tubes 40 et 42 sont disposés en travers du parcours des gaz du foyer en un endroit situé en regard du surchauffeur 20 et font office de tubes-écrans.
Le fond de la zone de foyer primaire 10 est délimité par les tubes de fond 50 dont les extrémités avant sont rac- cordées au collecteur d'arrivée d'eau 52 et dont les extré- mités opposées communiquent avec le collecteur 54. L'eau est débitée au collecteur 52 par les tubes descendants 56 qui communiquent avec la chambre d'eau du corps 44 par le col- lecteur 58 et les raccords descendants 60.
En-dessous de la seconde zone de foyer 12 est disposé,
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de manière à être exposé à la chaleur rayonnante de la première zone de foyer 10, un fond de foyer 70 qui est incliné de haut en bas sous un angle aigu vers le fond de la première zone de foyer 10. Ce fond incliné est constitué par les tubes inclinés
72 qui raccordent directement le collecteur 54 au collecteur @ supérieur 74 raccordé au corps 44 par les tubes ascendants ou de décharge 76.
Les parois latérales de la zone de foyer à tempéra- ture élevée 10 sont constituées par des tubes de paroi rac- cordant les collecteurs supérieurs 80 aux collecteurs infé- rieurs 82, et ces parois,, ainsi que le fond de la zone de foyer primaire, sont de préférence formés de tubes à broches et de matière réfractaire de la même construction que-celle décrite ci-dessus. Le fond du foyer est de préférence incliné de haut en bas vers la sortie de scories 84 par laquelle s'évacuent les scories du foyer.
Le fond 70 fortement incliné vers le fond principal de la zone à température élevée 10 peut lui aussi être constitué de tubes à broches et de matière réfractaire céramique, mais dans certaines conditions on peut fixer aux tubes 72 des blocs métalliques à surface lisse 86 pour constituer un fond incliné le long duquel les particules de cendres fondues peuvent descendre vers la sortie de scories
84.
Les parois de la seconde zone de foyer 12 présentent aux gaz du foyer des surfaces à forte absorption de chaleur., ayant par exemple la forme d'un montage "tube contre tube" de tubes de paroi bouilleurs dont les surfaces nues sont ex- posées aux gaz du foyer, les tubes adjacents étant en contact les uns avec les autres dans les plans des démarcations de cette zone de foyer. Les tubes constituant les parois de la seconde zone de foyer peuvent aussi former une partie d'un ,montage dit de * tubes à broches partiels" dans 'lequel les
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tubes sont espacés, mais où les espaces compris entre eux et situés dans le plan de la paroi sont protégés contre un passage de gaz par des broches ou appendices métalliques faisant saillie sur les tubes.
Ces broches relient aux tubes une ma- tiére réfractaire céramique, cette matière étant moulée sous pression et bourrée autour des broches entre les tubes. En outre, pour faciliter l'élimination des cendres ou des scories fondues qui ont pu se déposer ou s'accumuler sur les parois de la seconde zone de foyer, ces parois ont une construction telle qu'elles forment des plans de clivage naturels entre les surfa- ces des parois et ces accumulations de scories.
Grâce à cette disposition, les scories se détachent spontanément des parois après s'être accumulées au point que leur poids devient supérieur à celui qui peut se maintenir normalement. Dans la présente construction, ces accumulations de scories détachées tombent librement à travers la seconde zone de foyer sur le fond'incliné 70. A cet endroit elles sont exposées aux températures élevées de la zone de foyer primaire 10 et à l'influence des gaz sortant de la première zone, de sorte que les scories fondent et coulent ainsi le long de cette paroi pour rejoindre le volume principal de scories fondues au fond de l'étage à haute température du foyer et pour être évacuées ensuite à travers l'ouverture d'évacuation de scories 84.
Les chambres de refroidissement multiples A, B et C de la seconde zone de foyer sont séparées entre elles par des rangées de tubes de refroidissement disposés verticalement, les chambres A et B étant séparées par les tubes 14 et les chambres B et C par les tubes 100. La disposition de ces tubes par rapport aux parois 102 et 104 de la seconde zone de foyer est indiquée sur les figs. 3 et 4 des dessins, et la fig.l contre la façon dont ces tubes sont disposés et supportés.
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Les tubes 14 sont fixés par leurs extrémités supérieures au collecteur 18 et les tubes 100 sont fixés à un collecteur analogue 110. Ces collecteurs, conjointement avec les collec- teurs supérieurs 112 et 114 des parois latérales, sont sus- pendus par des supports à ressort 116 et 118 à des poutrelles 120, 122 et 124.
La suspension des tubes de paroi des chambres de refroidissement au moyen de ces supports a pour effet de maintenir les tubes dans leurs positions de fonctionnement relatives correctes et ceci est vrai malgré que les collecteurs inférieurs 16 et 121 pour les tubes 14 et 100 soient maintenus par des supports disposés à la partie inférieure de l'instal- lation.
Les tubes 14 et 100 séparant entre elles les chambres de refroidissement multiples A, B et C sont représentés sur les figs. 4 et 5 comme étant légèrement espacés, mais il est clair que, sans sortir du cadre de l'invention, on peut les disposer sensiblement en contact les uns avec les autres de manière qu'ils constituent des cloisons'sensiblement fermées. Quand les tubes sont espacés comme c'est représenté sur les dessins, des ailettes métalliques appropriées peuvent être soudées aux tubes à des intervalles suivant leur longueur pour les main- tenir dans les positions relatives voulues, ou bien les tubes peuvent être espacés et munis de blocs Bailey ou autres pièces despacement métalliques pour constituer une surface refroidie des dimensions et du type voulus.
Suivant la paroi latérale 104 de la seconde zone de foyer sont disposés les tubes de paroi 122. Ceux-ci raccordent le collecteur supérieur 114 au collecteur inférieur 124, et des tubes analogues 126 sont .associés à la paroi opposée 102 et raccordant le collecteur supérieur 1'12.au collecteur inférieur 128. Celui-ci et le col- lecteur 124 sont montés sur des socles 130 et 132.
La façon dont les tubes de paroi de la seconde zone -
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de foyer sont raccordés au système de circulation de la chau- dière est indiquée sur la fig. 1 des dessins. Comme le montre cette figure, le collecteur 16 communique avec les chambres d'eau du corps 44 par les tubes descendants 140 et 142, le collecteur 144, le raccord d'appoint 146, le collecteur 148 et les tubes de circulation 150. Ces derniers tubes partent d'un côté du collecteur 148, tandisque les tubes 152 partent de l'autre côté du collecteur et vont au collecteur 32 pour débiter de l'eau aux tubes de paroi 30.
Le collecteur supérieur 18 est raccordé au corps de vapeur et d'eau 44 par les circulateurs 160, et des raccords analogues sont montés pour les autres collecteurs supérieurs 110, 112 et 114.
La paroi 162 de la seconde zone de foyer comprend des tubes de paroi 164 dont les extrémités supérieures commu- niquent avec le collecteur 166 et dont les extrémités inférieu- res sont raccordées au collecteur 168. Celui-ci est alimenté d'eau par les tubes 170 qui sont de préférence raccordés au collecteur d'appoint 148. La vapeur et l'eau sont déchargées du collecteur 166 dans le corps 44 par les tubes de ciel 171.
En sortant de la seconde zone de foyer, les gaz du foyer traversent l'écran tubulaire du foyer, constitué par les parties supérieures des tubes 36, 38, 40 et 42, ces tubes étant intercalés dans le circuit de circulation de la chaudière du fait qu'ils communiquent avec les corps 34 et 44. Ceux de ces tubes, qui sont désignés par 36 et 38 supportent la matière réfractaire qui constitue la cloison de chicanage 180.
Cette cloison de chicanage s'étend de bas en haut depuis le collec- teur 34, entre les rangées de tubes 36 et 38 jusqu'en un point voisin de la partie supérieure de la seconde zone de foyer, de manière à protéger la section de convection de la chaudière contre la chaleur radiante émanant de la seconde zone de foyer
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et à diriger les gaz du foyer vers les tubes-écrans qui sont disposés en travers de l'entrée de la section de convection.
La section de convection est constituée par les tubes espacés du surchauffeur 20 et de l'économiseur 182. Les gaz du foyer circulent dans la section de convection de haut en bas et se rendent à la sortie 184 adjacente à trémie à pous- sières 186, tandis que la vapeur provenant du corps 44 circule de préférence de bas en haut depuis le collecteur d'entrée
188 du surchauffeur., par les tubes surchauffeurs 190, jusqu' au collecteur de sortie 192 du surchauffeur. De ce collecteur la vapeur surchauffée se rend aux endroits de consommation.
Les tubes surchauffeurs sont,de préférence disposés en sections coudées en U, comme le montre le plus clairement la fig.1 des dessins.
L'économiseur 182 représenté sur la fig.1 fonctionne lui ,aussi en contre-courant et il est alimenté d'eau par le raccord d'entrée 200 et le collecteur d'entrée 202. Depuis ce collecteur, les tubes économiseurs s'étendent alternative- ment en -avant et en arrière sous forme de tubes coudés en U, en travers du trajet de gaz de la section de convection, pour aboutir au collecteur de sortie 204 de l'économiseur.
De ce collecteur partent des raccords 206 allant à un col- lecteur d'entrée 208 d'un économiseur de dérivation 210 cons- titué par des tubes coudés en U disposas en travers la dériva- tion du surchauffeur entre la cloison de chicanage 212 et le mur de support 214 de la chaudière. Ces tubes se déchargent dans un collecteur de sortie 220 qui communique avec le corps
44 par les tubes 222.
La direction générale de la circulation d'eau dans la section d'économiseur principale et dans la section déco- nomiseur subsidiaire disposée dans la dérivation est indiquée @ sur.la fig.2 des dessins par les flèches 230 et 232 et par les-
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pointillés qui les relient entre elles. De manière analogue,, la circulation de vapeur dans le surchauffeur est indiquée par la flèche 234. On voit ainsi que les sections d'économiseur et le surchauffeur fonctionnent selon les principes du contre- courant.
La façon dont sont supportés les tubes surchauffeurs et les tubes économiseurs est indiquée sur la fig.6 des dessins.
Sur cette figure, le coude en U 236 représente tout coude en U de l'économiseur ou du surchauffeur et le fragment de tube vertical 238 représente l'un ou l'autre des tubes verticaux 36 ou 140. Ces tubes comportent des pattes 240 soudées sur les côtés des tubes, tournés vers les tubes économiseurs ou surchauffeurs, et ces pattes sont rigidement reliées à des goujons ou tiges 242 qui peuvent s'étendre de tube en tube entièrement en travers de la paroi constituée par les tubes 36 ou les tubes 140. Le coude en U comporte une patte crochue 244 qui est associée au goujon ou tige 242 de la manière re- présentée.
La fig. 1 des dessins montre une section 250 de tubes surchauffeurs ou économiseurs en cours de démontage. Les par- ties tubulaires de cette section, qui ont un diamètre notable- ment plus petit que les tubes bouilleurs sont disposés sous forme d'un serpentin plat qu'on peut retirer d'entre les tubes adjacents 36 et 38 après avoir enlevé une partie de la matière réfractaire de la cloison de chicanage 180. En enlevant de manière analogue une partie de la matière réfractaire 160 tapissant les tubes de paroi 164 de la seconde zone de foyer, on peut retirer entièrement la section 250 de la chaudière à travers un espace libre approprié compris entre les tubes 164 et installer en place une nouvelle section en procédant dans l'ordre inverse.
Les gaz du foyer quittent la zone primaire 10 à une
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température élevée qui peut être de l'ordre de 1650 C. Lorsqu' ilspassent dans la. seconde zone du foyer, leur température s'abaisse et ils sont refroidis encore davantage en passant à travers les tubes-écrans disposés en regard de la section de convection, de sorte qu'à l'entrée du surchauffeur ils peuvent par exemple avoir une température de l'ordre de 1015 C.
Apres avoir circulé sur le surchauffeur et l'économiseur, les gaz se rendent par les tubes du réchauffeur d'air 251 -au car- neau 252.
De l'air servant à entretenir la combustion entre dans le réchauffeur d'air par l'entrée 254 et se rend du ré- chauffeur d'air, par la sortie 256 et le conduit 258, à la chambre à air secondaire 260 traversée par les brûleurs 262 et 264.
Le corps de vapeur 44 de la chaudière peut être sup- porté sur une ou plusieurs colonnes constituées par les tubes
140 et 142,et ceux-ci peuvent être .assemblés mécaniquement par groupes pour former des colonnes de résistance suffisante.
La construction décrite coordonne la combustion et l'échange de chaleur des fluides de manière que la chaudière soit apte à brûler divers combustibles pulvérisés en suspen- sion, tout en éliminant les résidus non-combustibles de façon qu'un fonctionnement continu et un bon rendement thermique soient assurés pendant de longues périodes. rabaissement de température des particules non-gazeuses en suspension a pour effet de refroidir et de solidifier ces particules dans une mesure telle que leur dépôt nuisible sur les surfaces du sur- chauffeur soit empêché et que leur élimination du foyer soit facilitée, tandis que les scories déposées dans la chambre du foyer sont facilement évacuées à l'état fondu.
La fig. 7 montre une forme d'exécution de l'invention, ,dans laquelle le foyer est chargé à l'aide d'un chargeur méca-
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nique à alimentation par dessous 270. Ce chargeur se décharge dans un cendrier 272 situé à la base de la paroi 162, le cen- drier étant équipé de concasseurs de mâchefers 274.
Le prolongement inférieur de la paroi 162 est cons- titué près du cendrier 272 par les parties inférieures 276 des tubes de paroi 164. Ces parties des tubes sont raccordées à un collecteur 278 qui reçoit l'eau du système circulatoire, arrivant par les tubes descendants 280.
Les extrémités inférieures des cloisons constituées par les tubes 14 de la seconde zone du foyer sont coudées en direction de la paroi 162 de manière à traverser la partie inférieure de cette paroi, comme c'est représenté. Les parties coudées des tubes sont raccordées à un collecteur 282 qui est lui aussi raccordé de manière appropriée aux chambres d'eau du système de la chaudière.
Au-dessus.de la zone de foyer 10, la construction est sensiblement la même que celle de la chaudière représen- tée sur la fig.l, mais la présence du chargeur mécanique
270 nécessite des changements à la paroi avant de la première zone de foyer. Ces changements comprennent la disposition du collecteur 290 au-dessus du chargeur mécanique et le raccor- dement de ce collecteur à la chambre d'eau du corps 44 par des tubes descendants 292. Ce collecteur est raccordé au corps intermédiaire 34 par les tubes 294 qui constituent la paroi avant et le ciel de la première zone de foyer. Les parois latérales de cette zone sont constituées par les tubes de paroi 296 raccordés au circuit de circulation de la chaudière sensiblement de la même manière que les tubes de paroi cor- respondants de la fig.l.
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