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PERFECTIONNEMENTS AUX APPAREILS GENERATEURS ET SURCHAUFFEURS DE
VAPEUR.
Cette invention se rapporte de façon générale à un procédé et un appareil perfectionnés pour la production et la surchauffe de vapeur et, plus particulièrement, à un procédé et un appareil de ce genre où la vapeur produite est surchauffée par des surfaces chauffées par convection etc où il est désirable de régler la température de surchauffe sur une gamme de charges, très étendueo
Une chaudière à vapeur moderne, par vapeur, présente un pourcen- tage relativement élevé de sa surface vaporisante sous forme de tubes garnis-' sant les parois du foyer, qui reçoivent pour ainsi dire la totalité de leur chaleur par rayonnement de la zone de combustion à haute température et des produits gazeux de la combustion.
Ces chaudières sont établies de manière à posséder une surface vaporisante suffisante dans les parois du foyer et en avant d'un surchauffeur de vapeur du type à convection pour absorber une grande quantité de la chaleur dégagée dans la chambre à combustion, de telle sorte que la température des gaz de combustion venant en contact avec les tubes du surchauffeur à la charge maximum envisagée en service continu permet de maintenir la température du métal des tubes du surchauffeur dans les limi- tes de sécurité et d'éviter les dépôts de scories sur les tubes de surchauf- feurs lorsqu'il est fait usage d'un combustible donnant des scories.
Dans ces chaudières, les brûleurs sont construits et disposés en des points appro- priés, de manière que les flammes ne frappent pas les parois du foyer et qu'un espace suffisant soit prévu pour assurer une combustion complète à l'in- térieur de la chambre de combustion. Lorsqu'on brûle un combustible donnant des scories et que les constituants incombustibles des cendres doivent être enlevés du fond du foyer à l'état de " cendres sèches ", il est essentiel que les brûleurs soient disposés de manière qu'un nombre suffisant de tubes vapo- risants se trouvent entre la zone de combustion principale et le fond du foyer pour absorber une quantité suffisante de chaleur par rayonnement pour réduire
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la température des gaz dans l'espace situé entre eux,
de telle sorte que les particules de cendres descendantes se solidifient avant d'atteindre le fond du foyer. A l'allure où la chaleur se dégage actuellement dans les chaudières à tubes d'eau, la chambre de combustion est normalement remplie de gaz de combustion à haute température qui se dirigent à une vitesse relativement élevée vers la sortie de la chambre et cèdent leur chaleur à peu près entièrement par rayonnement aux tubes des parois de la chambre de combustion. On a constaté que les températures et les vitesses du gaz étaient légèrement plus faibles dans les angles d'une chambre de combustion rectangu- laire et dans la section inférieure d'un foyer à fond en forme de trémie, par suite de la présence de courants tourbillonnants de faible vitesse en ces en- droits.
Pour d'autres conditions de fonctionnement, l'étendue de la zone de combustion principale dans un foyer chauffé au combustible pulvérisé dépend principalement du type de brûleur choisi parmi les principaux actuellement en usage, c'est-à-dire de l'emploi soit d'un brûleur à turbulence à flamme courte, soit d'un brûleur sans turbulence à longue flamme; Lorsqu'on em- ploie un brûleur à flamme courte, à peu près toute la quantité d'air néces- saire à la combustion est mélangée au combustible pendant ou immédiatement après son introduction dans le foyer, tandis que ¯pour un brûleur à longue flamme l'air comburant est admis de manière à se mélanger graduellement au courant de combustible le long de la trajectoire de sa flamme.
On a reconnu depuis longtemps qu'un appareil utilisant de la vapeur, tel qu'une turbine à vapeur, fonctionne plus efficacement lorsqu'il reçoit la vapeur à une pression et une température constantes ou uniformes sur toute la gamme des charges envisagées. Les chaudières à vapeur peuvent facilement être construites pour produire une température de surchauffe pré- déterminée de la vapeur à une charge donnée.
Dans une chaudière à foyer re- froidi par circulation d'eau, avec surchauffeur du type à convection, suscep- tible de fonctionner sur une gamme de charges relativement étendue, la tem- pérature maximum de la flamme reste sensiblement constante, mais la tempé- rature de surchauffe décroit normalement à mesure que la charge diminue, par suite de la plus faible température des gaz pénétrant dans le surchauffeur et, à un degré moindre, par suite de la réduction du flux des gaz résultant des plus faibles quantités de combustible et d'air fournies aux faibles char- ges.
La température moindre des gaz est due au fait que l'absorption de la chaleur de rayonnement par les tubes d'eau des parois du foyer diminue aux faibles charges, mais non en proportion directe de la variation de la charge vu que la grandeur de la surface absorbant la chaleur du foyer reste constan- te et que l'absorption de la chaleur de rayonnement est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue de la source de rayonnement.
Lorsque la température et la masse des gaz venant en contact a- vec les tubes surchauffeurs diminuent, la température de surchauffe finale tombe progressivement en même temps que la charge. Les chaudières à vapeur fonctionnent actuellement à des températures de surchauffe de la vapeur at- teignant 565 C (1050 F). Au point de vue du rendement et de la conservation de la turbine, il est d'autant plus important de maintenir la température de surchauffe de la vapeur sensiblement constante sur la gamme des charges envisa- gée, que les températures requises sont plus élevées.
Considérant que dans les chaudières à vapeur du genre décrit on pourrait augmenter avantageusement la masse du''flux de gaz, pour maintenir la température de surchauffe, lorsque la charge de la chaudière diminue, on avait déjà proposé précédemment d'envoyer des gaz additionnels dans le foyer, sous la forme soit d'un pourcentage plus élevé d'air comburant en excès admis au foyer, soit de gaz de combustion inertes remis en circulation dans le foyer d'un point du parcours des gaz situé en aval du surchauffeur. Dans les deux cas, on avait estimé qu'un mélange intime d'air ou de gaz additionnels aux gaz engendrés par le combustible fraîchement brûlé pourrait s'effectuer dans le foyer à l'intérieur de la zone de combustion principale ou en aval de cel- le-ci.
Même si cette masse accrue du flux de gaz dans le foyer aux faibles charges pouvait donner lien, à la sortie du foyer, à une température moyenne des gaz inférieurs à la température moyenne des gaz à la pleine charge envi-
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sagée, ce qui dépend du rapport de la surface d'absorption de la chaleur du foyer au volume du foyer, ainsi que du niveau de la température des gaz, l'augmentation de la masse des gaz en circulation sur les tubes du surchauf- feur ferait plus que compenser toute diminution semblable de la tempéra- ture des gaz à la sortie du foyer, ce qui aurait comme résultat', net d'as- surer un plus grand chauffage par convection du surchauffeur et par consé- quent une température de surchauffe plus élevée.
Toutefois, l'emploi d'un plus grand pourcentage d'air en excès que celui nécessaire pour assurer une combustion complète dans la chambre de combustion présenterait l'inconvénient d'augmenter à la fois la perte de cha- leur par la cheminée et la puissance requise de la soufflerie. Si l'introduc- tion se fait directement dans le courant de combustible, la quantité ainsi introduite est limitée par l'effet que produit sur l'allumage du combustible un mélange d'air et de combustible progressivement dilué. L'emploi de gaz iner- tes remis en circulation de la manière proposée jusqu'à présent, pourrait éga- lement avoir des inconvénients notables sur le fonctionnement.
Si les gaz inertes remis en circulation étaient mélangés à l'air comburant et/ou au com- bustible et introduits de cette manière dans le foyer la température maximum de la flamme dans ce dernier serait abaissée par suite du retard subi par l'allumage et la combustion du combustible entrant et de la nécessité de chauf- fer la quantité de gaz ajoutée à la température de la flamme, et si une quan- tité trop grande était remise en circulation de cette manière, le combustible pourrait ne pas s'enflammer.
L'introduction de cet excès d'air additionnel ou de ces gaz remis en circulation par les lumières du brûleur pourrait im- pliquer soit une augmentation considérable de la vitesse du mélange de gaz et de combustible entrant ou une modification des lumières du brûleur en vue de maintenir les mêmes conditions de vitesse à l'entrée, conséquences qui toutes deux ne sont pas désirables. L'introduction de ces gaz remis en cir- culation en un point situé entre la zone de combustion principale et la sor- tie des gaz du foyer n'altère pas la combustion du combustible dans la même mesure, mais offre l'inconvénient de donner lieu à un mélange moindre de gaz remis en circulation et de gaz de combustion à haute température avant qu'ils n'atteignent les -tubes du surchauffeur.
Ces procédés-par recircula- ti'on des gaz ont aussi pour résultat d'exiger une soufflerie de plus grande puissance et de réduire le rendement thermique totale. La chute de rendement thermique total de la chaudière avec recirculation des gaz est moins élevée que lorsqu'on emploie un excès d'air dépassant celui nécessaire pour obtenir une combustion convenable, à cause de la plus grande perte de chaleur dans la cheminée qui résulte de l'augmentation d'air en excès. En raison de l'é- tendue limitée de la gamme des charges sur laquelle ces procédés de réglage sont applicables et de la réduction inhérente du rendement thermique total qui en résultent, les procédés proposés de réglage de la température de sur- chauffe n'ont pas rencontré de succès.
La présente invention comprend un procédé et un appareil per- fectionnés pour régler la température de surchauffe, par la recirculation de gaz.de combustion relativement froids dans une chambre de combustion à re- froidissement par circulation de fluide, d'une installation de production et de surchauffe de vapeur du genre décrit, où les caractéristiques désa- ventageuses des systèmes antérieurs de recirculation des gaz dans le but considéré sont partiellement sinon largement évités tout en permettant d'at- teindre un degré plus élevé de réglage sur une gamme de charges étendue.'
Suivant cette invention,
on introduit un courant de gaz inertes en recircula- tion dans le foyer en un ou plusieurs points tels qu'une couche ou un lit épais de gaz à une température sensiblement inférieure à celle des produits gazeux de la combustion qui sont engendrés s'intercale entre la zone de combustion principale et une surface notable des tubes vaporisants des parois de la chambre de combustion susceptibles.de recevoir de la chaleur princi- palement par rayonnement de la zone de combustion principale.
Cette couche intercalée de gaz à une température relativement basse agit de manière à réduire sensiblement l'absorption de chaleur transmise par rayonnement à la surface des parois de la chambre de combustion ainsi protégée et à laisser par
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conséquent une quantité de chaleur majorée d'une manière correspondante dans les gaz quittant la chambre de combustion pour le chauffage ultérieur par convection des tubes du surchauffeur.
Contrairement aux sytèmes antérieurs consistant à diluer d'une manière intensive ou à mélanger l'air comburant avec des gaz inertes remis en circulation, ce qui donne lieu naturellement à un retard de la combustion ét à un allongement de la flamme, la présente invention comprend l'introduc- tion de gaz en recirculation dans la chambre de combustion de telle manière que ces gaz tendent à circuler-le long de la surface des parois de la chambre de combustion à des vitesses qui retardent, plutôt qu'elles ne favorisent, le mélange avec les gaz de combustion à haute température fraîchement dévelop- pés.
Il en résulte une inflammation et une combustion stables du combustible entrant, sans réduction de la température maximum de la flamme ni réduction du degré de propagation de la flamme. '
La quantité de chaleur rayonnée par un courant de gaz à haute température est en fonction non seulement de sa température mais aussi de la superficie de la source de rayonnement. Lorsqu'une recirculation des gaz est appliquée suivant 1'invention , les gaz de combustion fraîchement engen- drés s'accroissent des gaz remis en circulation dans un périmètre de circula- tion de section transversale plus faible que s'il n'y avait pas recirculation, sur la majeure partie de la trajectoire du flux de gaz dans la chambre de combustion.
Il en résulte que le parcours des gaz à haute température entre les brûleurs et la sortie des gaz de la chambre de combustion se fait en moins de temps, par suite de la vitesse accrue des gaz et de la possibilité d'une certaine réduction de la longueur moyenne du parcours des gaz dans la chambre de combustion, mais sans qu'il y ait une diminution du rendement des brûleurs, à cause de l'absence d'un mélange appréciable de gaz en recirculation avec des gaz de combustion fraîchement engendrés avant que la combustion ait été réellement achevée.
L'intercalation d'une couche épaisse de gaz en recirculation à température relativement basse entre la zone de combustion principale et une grande aire des parois tubulaires de la chambre de combustion, jointe à une diminution notable du périmètre de rayonnement de la zone de combustion prin- cipale, donne lieu à une augmentation considérable de la température moyenne des gaz quittant la chambre de combustion en comparaison de la température des gaz à la sortie de la chambre de combustion pour la même charge sans re- circulation.
Par conséquent, on permet aux tubes du surchauffeur de venir en contact avec une plus grande masse de gaz à une plus haute température que sans la recirculation et on obtient une température de vapeur surchauffée no- tablement plus élevée. L'élévation de la température de surchauffe dépend de la quantité de gaz remise en circulation. Comparé aux systèmes de recir- culation des gaz antérieurs, le présent procédé donne lieu à une plus grande augmentation de la température de surchauffe pour une quantité donnée de gaz remis en circulation. Le présent procédé permet ainsi le réglage de la tem- pérature de surchauffe sur une gamme étendue de charges de la chaudière sans nuire au rendement de la combustion ni à la stabilité de la flamme.
Le présent procédé de recirculation des gaz est spécialement indiqué et particulièrement utile pour les brûleurs à turbulence à flamme cour- te. Dans ces brûleurs la combustion est largement terminée et la températu- re maximum du foyer est atteinte déjà à quelques pieds seulement de la lumiè- re du brûleur. Le courant de gaz de combustion à haute température engendrés rapidement se dilate ou se déploie de manière à remplir la chambre de combus- tion et rayonne de la chaleur aux parois de la chambre de combustion.
Lors- qu'on applique la recirculation des gaz, cette dilatation des gaz ne peut pas se faire dans la même mesure par suite de la déviation et du resserrement des gaz en recirculation qui forment une couche épaisse de gaz à basse températu- re entre une partie de la superficie des parois du foyer et les gaz déployés.
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L'invention est propre non seulement à maintenir la température de surchauffe uniforme ou sensiblement uniforme sur une gamme étendue de charges, mais aussi à augmenter les températures de surchauffe pendant les périodes de mise en marche à faible charge lorsqu'il n'est pas désirable de soumettre certaines parties de la turbine à des températures de vapeur in- férieures à une valeur minimum prédéterminée.
La présente invention comprend le procédé de réglage de la tem- pérature de la vapeur surchauffée qui consiste à retirer un courant de gaz froids d'un parcours de gaz allant d'une chambre de combustion du généra- teur de vapeur tubulaire jusqu'én un point situé au-delà d'une partie au moins des surfaces de chauffe de la vapeur disposée dans ce parcours et à u- tiliser le courant de gaz pour séparer la zone de combustion principale de la chambre de combustion d'une aire de la surface vaporisante susceptible de recevoir la chaleur principalement par rayonnement de cette zone, de maniè- re à réduire l'absorption de chaleur par cette aire et augmenter la tempé- rature de la vapeur surchauffée.
L'invention comprend aussi un groupe générateur surchauffeur de vapeur comportant une chambre de combustion pourvue de dispositifs brûleurs de combustibles fluides,un surchauffeur de vapeur disposé dans un parcours du flux de gaz partant de la chambre de combustion,et un dispositif de re- circulation pour retirer des gaz du parcours du flux en aval du surchauffeur et les introduire dans la chambre de combustion d'une manière propre à faire circuler un courant de gaz entre la zone de combustion principale et une aire adjacente de la surface des parois avec laquelle sont conjugués des tubes vaporisants.
L'invention sera décrite ci-après, à titre d'exemple, avec ré- férence aux dessins annexés,dans lesquels
Fig. 1 est une vue en élévation de côté, partiellement en coupe, d'une installation de chaudière à vapeur susceptible de fonctionner suivant l'invention ;
Fig. 2 est une coupe transversale horizontale à plus grande échel- le suivant le plan multiple de la ligne 2-2 de la Fig. 1 ;
Fig. 3 est une vue schématique indiquant les conditions ou l'al- lure de la circulation des gaz dans la chambre de combustion de la Fig. 1 sans recirculation des gaz du foyer;
Fig. 4 est une vue en coupe horizontale montrant schématiquement les conditions de la circulation des gaz de la chambre de combustion au niveau de la ligne 4-4, Fig. 3;
Fig. 5 est une vue semblable à la Fig. 4 représentant schémati- quement les conditions de la circulation des gaz au niveau de la ligne 5-5 de la Fig. 3;
Fig. 6 est une vue semblable à la Fig. 3, montrant les conditions de la circulation des gaz de la chambre de combustion, avec recirculation des gaz suivant l'invention;
Figs. 7 et 8 sont des vues semblables aux Figs. 4 et 5 respec- tivement, montrant les conditions de la circulation des gaz aux niveaux des lignes 7-7 et 8-8 de la Fig. 6, et
Fig. 9 est une vue semblable, à la Fig. 1, montrant un type dif- férent dé brûleur et un autre dispositif pour l'introduction des gaz remis en circulation.
Sur les Figs. 1 et 2 des dessins, le groupe générateur et sur- chauffeur de vapeur possède une chambre de combustion allongée verticalement 10, de coupe transversale rectangulaire, dont les parois avant et arrière 9 et 11 sont garnies de tubes vaporisants verticaux 12 et 41 respectivement.
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Les parois latérales qui se font face 17 (Fig. 2) sont pourvues de tubes de paroi semblables reliant directement des collecteurs supérieurs et inférieurs 13 et 15 respectivement. Les parties des tubes des parois avant et latéra- les situées au niveau des brûleurs sont d'une forme de construction à pointes recouverte de réfractaire,comme c'est représenté sur la Figo 2. Tous les tubes de parois sont raccordés au système de circulation qui comprend un corps cylindrique supérieur de vapeur et d'eau 16 et un corps cylindrique inférieur d'eau 18 raccordés entre eux par des faisceaux 20 et 22 de tubes vaporisants.
Les tubes 12 et 14 se déchargent dans le corps cylindrique 16 et sont pourvus à leurs extrémités inférieures de collecteurs 82 et 80 respectivement, raccor- dés d'une manière connue au corps cylindrique 18. Dans le parcours des gaz partant de la chambre de combustion se trouvent des groupes de tubes d'écran recourbés 14a formant les prolongements des tubes de parois arrière 14. Un type de surchauffeur suspendu chauffé par convection, et constitué par deux faisceaux de tubes 24 et 26 est placé dans le parcours du courant de gaz entre les tubes d'écran et le faisceau vaporisant 20, les tubes d'écran étant aménagés pour protéger les tubes de surchauffeur contre le rayonnement de la chambre de combustion.
Dans cet exemple, les tubes de surchauffeur re- çoivent la chaleur des gaz par rayonnement et le courant des gaz chauds leur transmet la chaleur par-convection, mais la transmission par convection est prédominante à cause du faible espacement latéral des tubes et de la tempé- rature relative des gaz. Si le surchauffeur était situé dans une zone où la température des gaz est plus élevée et si l'espacement latéral était plus grand, la proportion de chaleur transmise par rayonnement en comparaison de la chaleur transmise par convection serait plus grande. La vapeur passe de la chambre de vapeur du corps cylindrique 16 par les tubes 28 et le faisceau de tubes 24 au collecteur intermédiaire 32 et de là par le faisceau de tubes 26 au collecteur de sortie 34 du surchauffeur.
La chambre de combustion 10 est chauffée par deux rangées de brû- leurs disposés horizontalement 36 et 38 à des niveaux différents pour diriger l'air et le combustible en ignition dans les proportions voulues du mélange à travers les lumières de brûleurs correspondantes 37 et 39.respectivement., dans la chambre de combustion. Les brûleurs sont représentés comme fonction- nant au charbon pulvérisé amené des pulvériseurs (non représentés), en sus- pension dans l'air comburant primaire, par des tuyaux d'alimentation des brûleurs, 40 et 42, respectivement. L'air comburant secondaire chauffé est amené sous une pression positive d'une boîte à vent 44 entourant les lumiè- res de brûleurs 37, 39.
La chambre de combustion représentée est du type à parois refroi- dies par circulation d'eau et à fond en trémie, la paroi arrière 11 de la chambre et la paroi arrière inclinée 48 de la trémie étant garnies de tubes 14 disposés suivant une construction tube à tube. Entre la paroi arrière 48 et la paroi avant inclinée 52 du fond en forme de trémie 50 se trouve une gorge 54 à travers laquelle les résidus solides incombustibles de la combus- tion passent dans un cendrier fermé 57 présentant des parois 56 et 58 en re- gard l'une de l'autre.
Les brûleurs à combustible pulvérisé 36 et 38 sont des brûleurs à haute capacité du type à turbulence à flamme courte. Ces brûleurs déchar- gent le combustible pulvérisé et l'air comburant en mélange intime dans le foyer par les lumières de brûleurs correspondantes ménagées dans la paroi avant. Les mélanges de combustible et d'air sont enflammés immédiatement à leur entrée dans la chambre de combustion et les mélanges d'air et de com- bustible en ignition se meuvent vers la paroi arrière de la chambre de com- bustion à une vitesse notable, mais les dimensions de l'avant à l'arrière de celle-ci sont déterminées de telle fagon que même si l'ontriduction du combus- tible et de l'air se fait à la vitesse maximum, les produits de la combus- tion ne frappent sous aucune mesure appréciable la paroi arrière 11 de la chambre de combustion.
Bien que les mélanges de combustible et d'air en ignition se
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dilatent considérablement lors de l'inflammation, leur vitesse d'introduc- tion ne se dissipe pas rapidement, de telle sorte que la section centrale de la chambre de combustion, c'est-à-dire la zone de combustion principale, peut être considérée comme remplie d'un courant dilaté de combustible en ignition, d'air et de produits de la combustion, animé d'umeevitesse notable qui sous l'action du tirage du foyer s'élève en tournant vers la sortie 45 dès-gaz de la chambre à combustion au niveau du corps cylindrique à eau 18.
Les parois de la chambre de combustion formées par des rangées de tubes vaporisants, absorbant la chaleur du combustible en ignition et des gaz de chauffe engendrés qui leur est transmise par rayonnement, il est né- cessaire de placer les brûleurs 36 et 38 à des hauteurs suffisamment au- dessous de la sortie des gaz 45 de la chambre de combustion pour que les gaz soient refroidis à un degré suffisant pour éviter la formation de scories sur les tubes d'écran 14 et les tubes de surchauffeur 26 et 24. r
Les brûleurs sont aussi placés à une distance suffisante au- dessus du,fond en trémie refroidi par circulation d'eau 50 pour que les par- ticules de cendre en fusion qui se séparent du courant de combustible en ig- nition et tombent sur le fond,
passent au travers d'une zpne de gaz à plus faible température pour être refroidies à une température de solidification afin de pouvoir être enlevées à l'état sec. Bien que le courant principal de produits gazeux à haute température de la combustion se développe au- dessus de cette zone, le courant de gaz ne passe pas directement au travers de celle-ci, la chambre de la trémie étant remplie de courants de gaz tour- billonnants à faible vitesse. Toutefois, les gaz de la trémie transmettent une chaleur considérable qui est absorbée par les tubes vaporisants garnis- sant les parois de la trémie.
Le courant de gaz de chauffe quittant la chambre de combustion par la sortie 45, circule au travers des tubes d'écran 14a et des faisceaux de tubes de surchauffeur 26 et 24, ainsi qu'au travers des faisceaux tubu- laires à chicanes 20 et 22 de la chaudière. Les gaz quittent le faisceau 22 de la chaudière à la partie supérieure de celle-ci et la majeure partie des gaz passe comme c'est indiqué par les flèches 62 et 64 à un réchauffeur d'air du type à récupération 60 d'où les gaz passent dans un appareil assurant le tirage tel qu'un ventilateur de tirage induit et/ou une cheminée (non re- présentée), pour la décharge dans l'atmosphère.
Un système de recirculation des gaz, opérable pour ramener dans la chambre de,combustion une partie des gaz inertes quittant le faisceau 22 de la chaudière est constitué par une conduite verticale 63, une soufflerie de recirculation 66, et des conduites de refoulement montées en série 68, 69 et 70, la conduite 70 s'étendant le long et à peu près d'un bout à l'autre d'un côté de la gorge 54 de la trémie et étant pourvue de passages de refou- lement du flux menant entre les extrémités inférieures espacées 74 et 76 des tubes 14 dans la gorge 54. Le conduit 68 contient un registre de réglage et d'arrêt 90 qu'on peut actionner au moyen d'un bras extérieur 92 relié par une tringle 94 et un bras 96 à un appareil approprié de commande par force motri- ce 98, comme c'est indiqué.
Le conduit 68 est aussi pourvu d'un côté, entre le registre 90 et la chambre de combustion, d'unellumière 84 dans laquelle est placé un registre de tout type approprié 86 sollicité élastiquement.
Figs. 3 à 5 des dessins montrent l'allure générale du courant des gaz du foyer lorsque la chaudière fonctionne de la manière habituelle à une charge fractionnelle;, les brûleurs inférieurs 38 étant les seuls en ser- vice. Comme c'est indiqué par les flèches sur la Fig. 3 et sur les vues en coupe transversale des Figs. 4 et 5, le courant principal des produits gazeux à haute température de la combustion se déploie rapidement dans la majeure partie de la chambre de combustion au-dessus du niveau de la trémie, en rem- plissant pratiquement la totalité du volume de la chambre de combustion, sauf dans les angles et la trémie, de gaz à grande vitesse s'élevant vers la sortie de gaz 45 de la chambre à combustion.
La vitesse des gaz le long des parois de celle-ci et dans les angles est réduite par l'effer retarda-
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teur des parois sur le flux. La section transversale occupée par le courant de gaz à grande vitesse aux niveaux des brûleurs et de la sortie des gaz de la chambre de combustion;, c'est-à-dire dans la zone de combustion principale, est ainsi approximativement celle indiquée par les lignes en traits interrom - pus sur les Figs. 4 et 5 respectivement. Des courants de gaz chauds en tour- billonnement, comme c'est indiqué par les flèches sur la Fig. 3, tendent à s'établir à l'intérieur de la trémie 50 et provoquent un transfert de chaleur aux tubes d'eau qui garnissent les parois de la trémie 48 et 52, de même que les parties des parois latérales 17 formant les extrémités de la trémie 50.
Les arrivées de combustible et d'air comburant aux chaudières du type représenté sont réglées d'une manière connue suivant les conditions de charge de la chaudière pour assurer le degré désiré de cession de chaleur dans la chambre de combustion pour satisfaire à la demande de vapeur. Il est bien connu que les surchauffeurs à convection du genre considéré présentent une courbe "montante" de température de surchauffe lorsque la charge augmente, mais la réduction de la température de surchauffe lorsque la charge diminue peut être entièrement ou partiellement compensée par l'action variable du dis- positif de recirculation des gaz inertes décrit-.
Pour des charges fraction- nelles,on peut employer l'une ou l'autre des rangées de brûleurs, bien que pour les charges les plus faibles il soit préférable, du point de vue du ré- glage de la surchauffe, de faire fonctionner la rangée supérieure de brûleurs 36, seule.
Lorsque les brûleurs 38 sont seuls en fonction et que les gaz de chauffe de la chaudière sont envoyés dans le réchauffeur d'air, la souffle- rie de recirculation 66 peut être actionnée pour retirer une partie des gaz de la sortie des gaz de la chaudière, comme c'est indiqué par la flèche 65 et la refouler par les conduits de refoulement 68, 69, 70 lorsque le registre 90 est ouvert. Les gaz inertes remis en circulation sont refoulés par la soufflerie dans l'étranglement de la trémie à la base de la chambre de combus- tion, et pénètrent dans cet étranglement à une vitesse juste suffisante pour assurer une répartition uniforme sur toute la longueur de celui-ci.
Les gaz à faible vitesse remis en circulation s'élèvent dans la trémie divergente et suppriment la tendance des gaz de combustion à haute température fraîchement produits à former des courants tourbillonnants circulant dans la zone de la trémie. L'introduction continue des gaz inertes plus froids modifie l'al- lure de la trajectoire parcourue par le courant de produits delà combus- tion à haute température engendrés par le combustible fraîchement brûlé, lors- que le courant de gaz circule vers la sortie des gaz de la chambre de combus- tion.
Les Figs. 6 à 8 représentent schématiquement l'allure générale du courant de gaz dans la chambre de combustion lorsque la chaudière fonction- ne avec recirculation de gaz relativement froids. Comme c'est indiqué par les flèches en traits interrompus sur la Fig. 6, les gaz remis en circulation refoulés par la soufflerie de recirculation s'élèvent à travers l'étrangle- ment de la trémie et se déploient dans cette dernière qui s'évase de bas en haut pour couvrir les parois 48 et 52 de la trémie et la partie des parois latérales 17 situées dans la trémie d'une épaisse couche de gaz relativement froids, continuellement renouvelée,qui se déplace de bas en haut. L'épais- seur de la couche de gaz remise en circulation est difficile à mesurer, mais en général une couche de 12 à 30 " d'épaisseur est considérée comme désirable.
L'introductim continue de gaz en recirculation supprime la tendance des gaz chauds à produire des courants tourbillonnants le long des surfaces de délimi- tation du courant de gaz principal et la masse de gaz en recirculation res- serre le courant de produits de combustion fraîchement engendrés, de bas en haut vers l'intérieur. La vitesse des gaz remis en circulation au moment de leur introduction est suffisamment faible, et maintenue telle par la forme divergente de la trémie, pour éviter pratiquement dans la zone de la trémie du foyer le mélange des produits de combustion fraîchement engendrés avec les gaz remis en circulation.
Il se produit une diffusion graduelle des courants gazeux le long de leurs surfaces de délimitation, mais un mélange appréciable
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des courants gazeux à haute et basse températures ne semble pas avoir lieu avant que les courants de gaz niaient parcouru la majeure partie du trajet des gaz dans la chambre à combustion.
Les gaz remis en circulation sont.refoulés de la zone de la tré- mie par l'introduction de quantités additionnelles de gaz remis en circula- tion. Ils s'élèvent à côté du courant de gaz à haute température provenant du fonctionnement des brûleurs, qui se déplace à grande vitesse horizontale- ment et de bas en haut, et, comme c'est représenté sur les Figs. 7 et 8 ils tendent à embrasser une majeure partie de la périphérie (indiquée en traits interrompus sur les Figs. 7 et 8) du courant des gaz à haute température.
Le courant des gaz à haute température tend ainsi à se concentrer ou se res- serrer dans une partie plus faible de la section transversale de la chambre de combustion que s'il n'y avait pas recirculation,comme sur les Figs. 4 et 5, par suite de la présence de la couche de gaz à basse température en recirculation circulant à la périphérie.
Ce resserrement des produits de la combustion à haute tempéra- ture fraîchement engendrés, en un courant de plus faible section transver- sale est considéré comme ayant deux effets réducteurs sur la transmission de leur chaleur aux tubes des parois de la chambre de combustion. En'pre- mier lieu, du fait que la section transversale utile du flux est moindre, la vitesse moyenne du gaz dans la chambre de combustion sera plus élevée pour une allure déterminée de la combustion. En second lieu, comme la périphérie du rayonnement du courant des gaz chauds est réduite, il y aura une réduc- tion de la transmission de chaleur de la zone de combustion principale au courant enveloppant de gaz à basse température et finalement aux parois de la chambre de combustion.
Gomme le courant central de gaz chauds provenant du combustible en ignition est la seule source de chaleur ajoutée à un niveau de température sensiblement supérieur à celui des tubes de la paroi recevant de la chaleur, il se produit une réduction considérable de la transmission de chaleur par rayonnement aux parois lorsque le courant central à vitesse plus élevée présente un périmè- tre plus faible. Une réduction de la chaleur transmise aux parois de la trémie et aux parois verticales de 1 a chambre de combustion donne lieu à une plus grande teneur en chaleur une température plus élevée des gaz quit- tant la chambre de combustion, de telle sorte que l'augmentation désirée du chauffage des tubes du surchauffeur par convection et par rayonnement des gaz est facilement réalisée.
L'installation de chaudière à vapeur représentée possède une capacité de production de vapeur maximum indiquée de 62500 Kg env. (160.000 livres) de vapeur par heure à une température de surchauffe de l'ordre de 4800C env. (900 F) et à une pression de 46 Kg/cm2 env. (660 livres par pouce carré). Des essais effectués pendant le fonctionnement de cette installa- tion ont montré que pour un débit de vapeur de 31,250 Kg env. (80.000 livres) de vapeur par h., c'est-à-dire 50% de la pleine charge, la température de la vapeur surchauffée n'était que de 400 C env. (750 F) lorsque seule la ran- gée inférieure de brûleurs 38 était en service et que le fonctionnement avait lieu de la manière habituelle,sans recirculation des gaz.
Des essais ont établi qu'avec la recirculation des gaz suivant l'invention, la tempéra- ture de la vapeur surchauffée pouvait s'élever à 480 C env. (900 F) par l'ap- plication d'une recirculation de 28% approximativement du poids des gaz engen- drés par la combustion du combustible, lorsqu'on ne mettait en service que les brûleurs inférieurs seulement et que la charge était la même.
Lorsqu'on n'utilisait que les trois brûleurs supérieurs 36, pour la même charge, la température de la vapeur surchauffée sans recirculation des gaz était de 430 C env. (810 F). On a trouvé qu'une recirculation des gaz moindre que celle nécessaire lorsqu'on n'emploie que la rangée inférieure de brûleurs pouvait facilement élever la température de la vapeur surchauffée à 4800 C env. (9000F).
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Le fonctionnement de l'installation avec et sans recirculation des gaz à des charges beaucoup plus faibles que dans les exemples cités ci- dessus a prouvé que le procédé qui fait l'objet de l'invention est efficace pour atteindre la température de surchauffe désirée avec un débit de vapeur très faibleen mettant en service l'une ou l'autre rangée de brûleurs.
Mê- me dans ces conditions de faible chargeg la flamme est stable et la détermi- nation de la température par les procédés de mesure habituels ne montre aucun changement appréciable des températures de la flamme par suite de l'emploi de gaz remis en circulationo
Le registre 86, soumis à une force de rappel élastique et monté dans la lumière 84 de la paroi latérale du conduit 68 en un point situé entre le registre 90 et les ouvertures de décharge du conduit de refoulement 70 dans la chambre de combustion est avantageux pour maintenir des conditions satis- faisantes dans le système de recirculation des gaz lorsqu'il n'est pas utili- sé, par exemple pendant les fortes charges, quand la température de surchauf- fe désirée peut être atteinte sans recirculation des gaz.
Dans ces conditions, lorsque la soufflerie 66 n'est pas actionnée et que le registre 90 se trouve dans une position fermée pour éviter un retour du flux de gaz dans les con- duits 70, 69, 68 et 63, la pression absolue sur le côté soufflerie du regis- tre 90 correspond à celle qui règne dans le cas où la conduite 63 est raccor- dée à la sortie des gaz du faisceau 22 de la chaudière. Le registre 86 est construit de telle manière que lorsque la pression dans le conduit est supé- rieure à une pression prédéterminée par rapport à la pression qui règne dans l'étranglement de la trémie à la base de la chambre de combustion, il est maintenu dans une position fermée.
Lorsque la pression au registre 86 est égale ou inférieure à la pression prédéterminée., la pression atmosphérique sur- monte la sollicitation à laquelle le registre est soumis et ouvre ce dernier, de telle sorte que l'air atmosphérique est aspiré par la lumière 84 dans le conduit 68. Cette introduction automatique d'air atmosphérique à une tempé- rature relativement basse aura pour effet de faire circuler dans le conduit 68, la soufflerie 66 et le conduit 63, un flux d'air froid plutôt que du gaz venant de l'étranglement de la chambre de combustion, dans le cas où le registre 90 n'est pas étanche aux gaz lorsqu'il est fermé.
On peut faire varier le degré de refoulement des gaz en recircu- lation en réglant la position du registre 90. Ceci peut être effectué à la main par le préposé au service suivant les indications sur la température de sortie de la vapeur surchauffée. Toutefois, le dispositif de commande 98 du registre est susceptible d'être raccordé à un appareil-de mesure auto- matique de la température de la vapeur (non représenté), de telle sorte que le degré de recirculation des gaz peut être réglé automatiquement suivant la température de surchauffe de la vapeur.
Si la température de surchauffe tend à tomber à la suite d'une réduction de la charge, la position du regis- tre serait ainsi réglée automatiquement pour permettre la mise en recircu- lation d'une plus grande quantité de gaz et vice versao
Bien que l'augmentation de la température de surchauffe de la vapeur par la remise en circulation de gaz dans la chambre de combustion soit d'une grande valeur au point de vue du réglage de la température de surchauffe dans la gamme normale des charges de la chaudière, l'invention offre aussi un avantage particulier pour la mise en marche de générateurs de vapeur lorsqu'on désire allumer une chaudière et fournir un débit rela- tivement faible de vapeur à une température minimum prédéterminée.
Comme l'introduction de gaz en recirculation suivant l'invention n'altère pas le fonctionnement des brûleurs,, on peut employer le procédé considéré pour un très faible débit de vapeur de la chaudière. Un faible débit de vapeur est tout ce qui est habituellement nécessaire pour mettre en marche et amener gra- duellement à la vitesse de régime la machine motrice desservie par la chau- dière. Lorsqu'une machine motrice non en service comme? par exemple une turbine à vapeur, a été maintenue à une haute température, il n'est pas dé- sirable d'introduire de la vapeur à faible surchauffe pour amener la turbine à la vitesse voulue.
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L'adoption de l'invention permet la fourniture de la vapeur à une température relativement élevée même si le débit descend à un pourcentage de 5à 20 % du débit de vapeur à pleine charge de la chaudière.
Fige 9 montre une disposition différente où les gaz remis en cir- culation peuvent être introduits effectivement pour régler la surchauffe sui- vant l'invention. La chaudière à vapeur et la chambre de combustion sont du même type général que celles représentées sur la Fig. 1, comportant une cham- bre de combustion entièrement refroidie par circulation d'eau, avec fond en forme de trémie pourvu de tubes d'eau garnissant les parois inclinées de la trémie. Deux rangées de brûleurs 136, 138 du type à tubes transversaux à tur- bulence débitent le combustible et l'air de combustion vers l'arrière dans la chambre de combustion.
Les brûleurs sont établis dans la paroi avant verticale ¯en un point situé à une certaine distance au-dessus du bord supé- rieur de la paroi avant inclinée 152 de la trémieo Les tubes 112 de la paroi avant de la trémie sont espacés entre eux, de telle sorte que les espaces in- ter-tubes en regard du conduit des gaz en recirculation 170 constituent des lumières d'entrée pour les gaz remis en circulation qui, soumis à un réglage par le registre ou volet 190,sont refoulés par la soufflerie de recircula- tion 1660 Un conduit 163 relie la sortie des gaz de la chaudière à l'entrée de la soufflerie 166, tandis que le registre ou volet de réglage 190 et le registre ou volet d'air atmosphérique 186 sont établis entre la soufflerie et les lumières qui s'ouvrent dans la chambre de combustion.
L'aire des lumières d'introduction des gaz, telle qu'elle est déterminée par leurs longueurs et la largeur de l'espace entre tubes est suffisante pour que les gaz débités par les lumières pénètrent dans la cham- bre de combustion à une vitesse relativement faible à l'état non mélangé avec l.es gaz développés par la combustion directe du combustible. Les gaz remis en circulation ainsi introduits se déploient dans la trémie, en mainte- nant une couche de gaz relativement froids entre la zone de combustion prin- cipale et les parois dela trémie, tandis que les gaz venant de la zone de la trémie circulent de bas en haut et à travers la chambre de combustion d'une façon semblable dans l'ensemble au.flux de gaz indiqué sur les Figso 6 à 8.
Bien que l'invention ait été représentée dans son application . avec des brûleurs à combustible pulvérisé, elle peut également être employée en combinaison avec d'autres brûleurs à combustible fluide, tels que des brû- leurs à mazout ou des brûleurs à gaz.
L'introduction considérée d'un ou de plusieurs courants de gaz inertes à basse température en recirculation dans la chambre de combustion d'une manière évitant le mélange des courants tant avec l'air comburant se- condaire qu'avec le mélange de combustible et d'air injecté par la lumière des brûleurs est particulièrement importante du point de vue du rendement et de la stabilité de fonctionnement des brûleurs. On évite la dilution de l'air comburant par des gaz inertes en recirculation et par conséquent le re- tard de la combustion et l'allongement de la flamme. Le retard de la combus- tion et l'allongement de la flamme dans une chambre de combustion donne lieu normalement à une réduction du rendement de la combustion par suite de pertes plus élevées en charbon non brûlé, particulièrement dans les cendres volantes.
Le présent procédé d'introduction de gaz en recirculation ne nécessite aucune modification ni réglage des brûleurs, tant lorsque la recirculation des gaz est appliquée que lorsqu'elle ne l'est pas.
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