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CHAUDIERE POUR LOCOMOTIVES Linvention a pour but de permettre la réalisation d'une chaudière pour-la production de vapeur d'eau et contient plus spécialement pour l'instal- lation sur des locomotives, dans laquelle le chauffage et la vaporisation de l'eau s'effectuent dans des compartiments séparés et successifs.
Dans ce but, en plus du corps cylindrique normal contenant le fais- ceau de tubes entre la chambre de combustion et la chambre ou boîte à fumées, et au-dessous de ce corps, on a prévu au moins une autre enveloppe qui présente à une extrémité, un orifice d'entrée pour l'eau d'alimentation et qui communi- que avec le corps cylindrique précité par'-son autre extrémité.
Cette enveloppe contient un autre faisceau de tubes de fumée qui communiquent, d'une part, avec la chambre ou boite à fumées précitée et, d'au tre part, avec la cheminée par l'intermédiaire d'une deuxième chambre à fumées.
On a représenté sur les dessins ci-annexés, à simple titre d'exem- ple, quelques modes de réalisation de la chaudière suivant l'inventim, à sa- voir : la Figo 1 montre, en coupe longitudinale, une chaudière avec foyer à caisson polyédrique; la Fig. 2 montre en coupe longitudinale partielle, une chaudière à foyer cylindrique ondulé; la Fig. 3 est une coupe transversale de la chaudière représentée sur la Figo 1, suivant la ligne Y; la Figo 4 est une coupe transversale de la même chaudière, mais sui- vant la. ligne X; les Figs. 5 et 6 montrent, en coupe, quelques détails de réalisa- tion; la Fig. 7 montre, en coupe longitudinale, une chaudière perfection- née par rapport à celle représentée Fig. 1.
Sur l'ensemble de ces figures, 1 désigne le corps cylindrique, 2 un foyer à caisson (Fig. 1) et 3 un foyer cylindrique ondulé Fig. 2).
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Dans la partie inférieure de la chambre à fumées 4 s' étend une partie de deux corps cylindriques 6 qui passent à travers la paroi 5.
Ces corps cylindriques sont normalement disposés de façon que l'axe en soit légèrement divergent par rapport à celui de la chaudière, comme il apparaît sur le dessin, ce qui donne plus d'homogénéité à l'ensem- ble, tout en facilitant le montage et l'entretien, alors que le déplacement des fluides mis en jeu se trouve facilité de manière à contribuer au fonc- tionnement thermique satisfaisant de l'ensemble.
A l'intérieur de chacun de ces corps cylindriques inférieurs, on a agencé un faisceau de tubes de fumée 7 emmanchés dans des plaques por- te-tubes 8 et 9 logées aux extrémités des corps cylindriques proprement dits. Ces plaques, dont les bords présentent des formes différentes et dont le diamètre est également différent., celui de la plaque 9 étant plus grand que celui de la plaque 8, sont respectivement maintenues dans les sièges d'a- justage 10 et 11 par des brides opposées.12 et 13 bloquées par des boulons 14 et 15 dont les premiers traversent directement la plaque 8 et les seconds la bride à charnière 16 fixée au corps cylindrique 6.
Grâce à cette dispo- sition, on peut extraire du corps cylindrique le faisceau de tubes 7 avec les plaques porte-tubes 8 et 9, puis procéder aisément à l'enlèvement des incrus- tations et des sels de précipitation laisséspar l'eau au cours de la phase de chauffage. Les corps cylindriques sont reliés à la paroi 5 au moyen d'une bride 17 et de chevilles correspondantes 18 et leur extrémité opposée est suspendue au corps de la chaudière, placée au-dessus, par l'intermédiaire de supports pendulaires 19.
Ces supports,d'un emploi courant sur les locomotives, sont constitués par de simples plaques de tôle et peuvent se déformer facilement avec une cer- taine élasticité, de sorte que les corps cylindriques 6 peuvent librement s'al- longer et se raccourcir suivant les effets de la dilatation thermique, par rapport à la chaudière qui les surmonte.
Au-delà du dispositif de suspension pendulaire 19, le corps cylindri- que est relié à la chambre à fumées 20 d'où s'élèvent les cheminées 21 qui pas- sent de part et d'autre du corps cylindrique principal l.
Les produits de la combustion, provenant du foyer 2 (Fig. l) ou 3 (Fige 2) de la chaudière, 1, parcourent le faisceau de tubes 22, débouchent dans la chambre à fumées 4 et, après avoir léché une partie de la paroi exté- rieure des corps cylindriques 6, pénètrent dans le faisceau 7 et atteignent la deuxième chambre à fumées 20 pour en sortir à travers les cheminées 21
Cette chambre à fumées 4 est fermée par une porte 23 ayant les mêmes dimensions que la section de la chambre elle-même, afin de permettre d'y ef- fectuer toutes opérations désirées pour l'entretien et le fonctionnement de la chaudière, y compris l'extraction des faisceaux de tubes 7.
Sur la Fige 7, on voit une variante de réalisation de la chaudière représentée sur la Fig., l. les modifications et les additions d'organes ef- fectuées dans ce cas ayant pour but de permettre un fonctionnement plus ra- tionnel et économique de la chaudière
Pour éviter que des particules solides, qui se seraient mélangées aux produits gazeux de la combustion, se déposent dans' les tubes 7, on a prévu., dans ce mode de réalisation, une surface plane 24 qui s'étend au-dessus des corps cylindriques 6 et, pour éviter que les particules solides soient chas- sées de cette surface par les courants gazeux, la porte de visite 23 est agen- cée de façon à former un angle mort à l' endroit de cette surface.
En tirant parti d'une structure qui donne à cette porte une soli- dité et une rigidité considérables, on a formé dans la porte 23 une conduite 25 suffisamment- ample et avec des congés bien arrondis pour diriger les gaz entre la partie supérieure de la chambre à fumées 4 et la partie inférieure en avant des plaques porte-tubes 9 des corps cylindriques 6, une paroi verti- cale plane 26 assurant l'appui nécessaire pour contenir les matières solides que l'on désire retenir dans la zone 27 indiquée en pointillés. Cet appui est enlevé automatiquement lors de l'ouverture de la porte de visite 23, ce
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qui permet d'effectuer alors un nettoyage complet de l'intérieur..
Grâce à cette disposition, on protège contre toute obstruction causée par l'accumulation de corps solides, des tubes de faisceaux 7 des corps cylindriques, mais on peut surtout éliminer les dispositifs encombrants et offrant des résistances considérables et nuisibles au passage des gaz de combustion, que l'on doit normalement installer à la base des cheminées dans les chambres à fumée des chaudières de type classique pour éviter qu'en plein air la sortie de corps incandescents puisse déterminer des incendies le long des zones traversées.
L'abaissement sensible de la température des gaz de combustion tout au long du parcours qu'ils doivent suivre après avoir quitté-la cham- bre à fumée. 4 contribue également à l'extinction des fragments solides restés en suspension et en combustion dans le cotirant gazeux et, par consé- quent, à la diminution des risques d'incendieo
De plus, la séparation nette des compartiments et la diversité logique des conditions thermiques de ces compartiments, suivant l'invention, aboutissent à des phénomènes particuliers dont il y a lieu de tenir compte, attendu qu'ils peuvent à leur tour donner lieu à des inconvénients de carac- tères divers;
c'est pourquoi ces nouvelles caractéristiques ont été appli- quées avec un ensemble de dispositions particulières, ce qui permet d'amé- liorer le rendement thermique de la chaudière, but final visé par l'inventiono
En effet, au. cours de la période de temps qui suit immédiatement l'allumage du feu dans la chaudière et un premier chauffage, les produits de la combustion se refroidissent sensiblement en traversant les tubes du pre- mier corps cylindrique qui constitue la chaudière'proprement dite.
En traversant la première chambre à fumée, ces gaz de combustion atteindraient une température telle qu'ils ne pourraient plus produire un ef- fet utile quelconque en parcourant le faisceau de tubes contenu dans la dite enveloppe cylindrique inférieure.
Au contraire, puisque les produits de la combustion contiennent toujours des vapeurs qui se condensent à des températures relativement basses, comme par exemple des vapeurs d'eau, de l'anhydride sulfureux et des hydrocar- bures lourds, mélangés à ces particules solides de compositions différentes, ces particules solides se déposeraient et s'accumuleraient sur les parois froi- des du corps cylindrique inférieur et du faisceau à tubes, à une température s'écartant de très peu de la température ambiante.
Suivant le mode de réalisation de la Fig. 7, au cours de la péri- de de mise en marche de la chaudière, on dirige ces produits de la combustion dans une voie différente en les déviant de celle qu'ils procureront ensuite lorsque lnsemble .de la machine aura atteint des conditions voisines du régime optimum.. Toujours en se référant à cette Fig. 7, on voit que, dans la partie inférieure de .l'enveloppe qui forme la chambre à fumées 4, on a prévu, une con- duite faisant fonction de cheminée 37, que l'on peut fermer au moyen d'un cou- vercle 38 ayant la forme d'un, gros.
clapet que l'on éloigne de son siège en actionnant un. peu de tringlerie indiqué schématiquement en 39. Lorsque le couvercle est ouvert, il est évident que les produits de la combustion, par suite du tirage naturel ou,, mieux encore artificiel, obtenu par exemple en utilisant un simple dispositif de soufflage, seront évacués à travers la con- duite 37 qui offre moins de résistance que le circuit plus long qui passe à travers les tubes 7 du corps cylindrique 6.
La manoeuvre de fermeture du couvercle ou clapet 38 pour rétablir le circuit normal pourra s'effectuer à un moment ultérieur, c'est-à-dire lors- que les produits de la combustion parviendront à la chambre à fumées 4 à une température convenable, ce qui ne peut résulter que du fait que, dans la chau- dière propremént dite, l'eua aura atteint une température élevée susceptible d'engendrer, dans la chaudière, une pression de vapeur pouvant être utilisée pour accélérer la mise au régime du système-.
Cette condition sera atteinte plus facilement si l'on prévoit de former autour du corps cylindrique inférieur, de préférence dans la zone pro-
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che de la cheminée 21, un revêtement étanche dans lequel on fera circuler la vapeur produite par la chaudière., G'est cette disposition supplémentaire qui constitue un autre perfectionnement apporté par l'invention.
Pour la réaliser, on a prévu une enveloppe métallique supplémen- taire, de forme cylindrique, désignée en*35, entourant le corps 6 et ménageant entre les deux surfaces un intervalle convenable destiné à être parcouru par la vapeur provenant de la chaudière, qui se condensera au contact des parois encore froides ducorps cylindrique en cédant très rapidement les calories qu' elle contient,grâce au très haut coefficient de transmission calorifique que l'on obtient entre les surfaces de contact de vapeurs qui se condensent très rapidement.
L'entrée de la vapeur peut être assurée, par exemple, à travers l'ouverture 40, tandis que l'évacuation de l'eau de condensation peut s'ef- fectuer par l'ouverture 41 située au point le plus bas de l'enveloppe 35. Il devient ainsi possible d'effectuer en très peu de temps et avantageusement un transfert de calories entre la chaudière et le deuxième compartiment en élevant la température de l'eau qui entoure le faisceau de tubes 7 qui pourra être parcouru, immédiatement après, par les produits de la combustion, lesquels, en contact avec des parois moins froides, n'y laisseront pas de condensats ou de matières susceptibles de produire des incrustations et des obstructions nuisi- bles.
Attendu, par ailleurs, qu'on dispose encore de vapeur sous pression, le tirage dans la chambre à fumées 20 et l'expulsion par la cheminée 21 des pro- duits de la combustion peuvent être encore accélérés,afin d'anticiper la mise au régime optimum du système, mais, plus encore, on rend plus difficile le dépôt de ces substances nuisibles sur les surfaces des tubés 7 grâce à l'accélé- ration de la vitesse des produits de combustion qui traversent ces tubes.
L'enveloppe ou chemise à vapeur 35 peut être utilisée ultérieurement, par exemple en y faisant passer la vapeur d'échappement provenant soit de la partie motrice principale, soit des autres parties motrices auxiliaires exis- tant à bord de la locomotive, ce qui présente des avantages sensibles. En ef- fet, 1?eau à chauffer parcourt le corps cylindrique en contre-courant par rap- port aux produits de la combustion et son déplacement est sensiblement régula- risé du fait que les tubes en faisceau forment un complexe de conduites longi- tudinales et que la vitesse acquise n'est pas négligeable, étant donné la fai- ble section de passage à l'intérieur des tubes.
Par contre, dans la zone péri- phérique du faisceau, définie par les tubes externes du faisceau et par le corps cylindrique lui-même, la section de passage est proportionnellement supérieure et l'apport calorifique à l'eau serait inférieur si l'on n'utilisait pas à cet effet, également, l'importante surface que représente l'enveloppe cylindrique 35.
Cette surface pourra être avantageusement étendue- jusqu'.au point où les différences de température des fluides mis en jeu rendent positif le transfert des calories utilisables
La disposition rationnelle des deux éléments les,plus importants, à savoir la chaudière et le corps cylindrique inférieur, la proportion conve- nable établie entre les superficies léchées par les produits de la combustion et le calcul approprié des sections de passage de ces pr6duits, permettent de réaliser des coefficients de transmission calorifique supérieure et d'atteindre le maximum de rendement,
ce qui se traduit par une économie sensible de ce com- bustibleo
L'eau d'alimentation que l'on introdùit par le point 28 dans la par- tie extrême et la plus froide du corps cylindrique 6 effectue un parcours à contre-courant le long du faisceau de tubes 7, par rapport aux produits de la combustion.
Lorsqu'elle parvient à l'extrémité opposée du corps cylindrique, l'eau,. ayant atteint une température voisine de sa température de vaporisa- tion, traverse la conduite 29 et pénètre dans le corps 1, où l'apport calori- fique des produits de la combustion n'aura d'autre effet sur l'eau que de la transformer en vapeur.
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Ainsi qu'on l'a déjà dit, la division en deux compartiments permet de mieux définir le rôle de chacun d'eux mais plus encore d'établir un rapport exact entre les éléments qui les composent, de sorte que les surfaces léchées par les gaz augmentent au fur et à mesure que-la température de ces gaz s'a- baisse et que les sections de passage diminuent au fur et à mesure que diminue le volume spécifique des produits de la combustion. C'est ainsi qu'on par- vient à réaliser un rendement élevé.
Pour préciser comment il est possible de définir avec exactitude le rôle de chaque élément en particulier et pour démonter quels sont les avan- tages qui en découlent immédiatement, on va prendre l'exemple d'une chaudière munie des corps cylindriques suivant l' invention pour la comparer à une chau- dière équivalente de type classique.
On suppose que les deux chaudières à comparer ont des grilles de même surface et que., dans le faisceau des tubes de fumée, quelques tubes contien- nent les éléments de sur chauffage de la vapeur suivant le système Schmidt bien connu.
On suppose qu'à une combustion de charbon fossile ayant une inten- sité suffisante pour brûler 500 kg/m2 de grille et par. heure, dans la. chaudière classique, l'intensité corresp ondante soit inférieure à 400 kg. dans la chau- dière du type décrit ici.
La température des produits de la combustion ne différera guère dans les deux cas, parce que la combustion moins intense dans la deuxième chaudière correspond à un passage d'air en excédent bien inférieur qui produit immédiate - ment un rendement plus élevé.
On peut supposer que, par suite des phénomènes de convexion et de rayonnement, les produits de la combustion cèdentproportionnellement la même quantité de chaleur dans les deux cas considérés, à travers les parois des foyers, dont les surfaces sont à peu près équivalentes, de sorte que ces produits se dirigeront vers les tuyaux de fumée à la même température d'environ 1.050 C.
Les deux faisceaux seront cependant assez différents puisqu'à la sur- face de la première chaudière, de type classique, correspond une surface de 40% inférieure environ, dans la deuxième chaudière réalisée suivant l'invention
Cette diminution, en supposant que les distances respectives entre les plaques porte-tubes soient égales, se traduit immédiatement par une réduc- tion de moitié environ du nombre de tubes qui composent le faisceau. Dans le deuxième cas cependant, le diamètre des tubes sera sensiblement supérieur, atten- du qu'il faut obtenir une section totale de passage des gaz qui ne soit pas trop inférieure à celle de la chaudière de type classique.
Une autre caractéristique de la chaudière suivant l'invention est que, par rapport aux tubes de diamètre 22, le nombre de tubes ayant un dia- mètre plus grand 30 et qui contiennent les él éments surchauffeurs de vapeur 34, est sensiblement plus grand que dams une chaudière classique, ce nombre étant même tel qu'en général les surfaces de contact avec les gaz, dans les deux types, de tubes gros et petits, sont à peu près équivalentes.
Si les superficies et les sections ont été convenablement établies, les produits de la combustion atteindront la chambre à fumée de la chaudière re- présentée à une température légèrement supérieure à celle de la chaudière clas- sique.
Or, alors que, dans la chambre à fumée classique, les gaz sont dé- finitivement expulsés dans l'atmosphère avec une masse calorifique encore im- portante, dans la chaudière suivant 1. 'invention on fait passer ces gaz, par contre, à travers les faisceaux 7 des corps cylindriques placés au-dessous, dont les tubes de fumées ont une surface égale à 85% environ de celle chauffée par la chaudière proprement dite l. C'est précisément dans ces éléments qu'une grande partie des calories encore présentes dans les produits de la combustion est transmise- à l'eau qui est chauffée jusqu'à une température légèrement infé- rieure à celle nécessaire pour s'évaporer ensuite dans la chaudière.
En supposant que la température approximative des gaz dans la
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chambre à fumées du corps 1 soit de 390 C, ils atteindront la cheminée 21 du corps cylindrique 6 à une température de 190 C, c'est-à-dire inférieure de 200 C environ.
Naturellement,pour compenser la moindre capacité de transmission de chaleur déterminée par la plus faible différence thermique entre les gaz et l'eau qui s'y trouvent, la section de passage est sensiblement réduite et telle qu'elle permet de conserver la vitesse élevée des gaz (condition essen- tielle pour assurer un coefficient élevé de transmission calorifique par con- vexion), tout en étant proportionnelle au volume spécifique inférieur qui correspond à une température moins élevée.
A ce fait important s'ajoute la disposition particulière des élé- ments individuels dans le but d'instituer d'une façon rigoureuse l'échange de chaleur par contre-courant entre les produits de la combustion là où la turbulence produite par la vaporisation serait insuffisante.
Tout cela ne peut se produire dans une chaudière de type classique, même si l'on voulait y aménager de diverses façons des parois ou déflecteurs pour assurer une division longitudinale ou transversale afin de contraindre les fluides à suivre des parcours bien établis d'avance. N'importe comment, il est impossible, dans les chaudières classiques, de réduire entre autres la section de passage des gaz en fonction de leur volume restreint par suite de la diminution de la température, en rehaussant le coefficient de transmission calorifique.
Un avantage essentiel de la chaudière décrite résulte de la posi- tion et des dimensions des différents éléments qui la composent.
Les corps cylindriques suivant l'invention occupent en effet un es- pace souvent inutilisé ou, de toute façon, mal utilisé.
Toujours en prenant pour base de comparaison une chaudière de type classique de capacité équivalente et ayant la même distance entre les plaques porte-tubes, le corps cylindrique réalisé suivant l'invention aura un diamètre inférieur d'au moins 15%, en raison du nombre inférieur de tubes de fumée qui composent le faisceau, en général, ce nombre atteignant même la moitié de celui des chaudières classiques.
Les corps cylindriques de la chaudière suivant l'invention seront fréquemment au nombre dé deux et,dans ce cas, leur diamètre individuel sera é- gal à la moitié environ de celui de la chaudière qui les surmonte. Par consé- quent, ces corps cylindriques peuvent être accouplés sans dépasser le plan de la projection horizontale de la chaudière principale,.
Grâce à cette disposition, il est bien entendu que l'on peut aug- menter la hauteur du foyer en lui donnant une profondeur et une capacité im- portantes, ce qui est avantageux pour l'amélioration de la -combustion.
Cette disposition satisfait également aux conditions relatives à la position du centre de masse, autant dans le sens vertical que dans le sens horizontal, ce qui permet de conserver sans aucun changement la disposition orthodoxe des essieux., du châssis et des mécanismes.
Il devient possible, par conséquent, de remplacer la chaudière de type classique par celle conforme à 1'invention, sur une locomotive ordinaire sans qu'il soit nécessaire d'y apportér des modifications ou des variantes par- ticulières.
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