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FOYER DE GENERATEUR DE VAPEUR OU D'EAU CHAUDE, A PARCOURS DE GAZ
A GRANDE VITESSE. '
Dans les turbines à gaz, les pompes thermiques, etc. on emploie une roue cellulaire pour aspirer du gaz d'un étage basse pression,pour compri- mer ce gaz, et pour l'échanger, dans un étage de pression plus élevée, contre un gaz d'un état et en une quantité différents, ce dernier gaz étant ensuite ramené à l'étage de moindre pression, tout en se détendant, et étant introduit dans ce dernier étage en échange du gaz présent à cet étage. Dans un dispo- sitif connu de ce type, et qui s'applique spécialement à un foyer sous pres- sion d'un générateur de vapeur, ou d'un générateur d'eau chaude, une roue cel- lulaire tourne dans une enveloppe munie de deux paires d'ouvertures.
La roue peut être établie de façon que le gaz soit amené à traverser radialement les cellules de celle-ci, bien que ces dernières puissent être disposées de façon que le gaz les traverse axialement ou de toute autre manière. L'air pénètre dans les cellules à travers une des ouvertures de l'une des paires d'ouvertu- res de l'enveloppe et déplace le gaz contenu antérieurement dans ces cellules, de telle façon que le gaz quitte la cellule à travers l'autre ouverture de cette même paire. En tournant, la roue cellulaire entraîne l'air, qui a été introduit dan s les cellules, jusqû'à une ouverture de l'autre paire d'ouver- tures, où les gaz chauds de la combustion arrivent par un conduit venant du foyer où brûle le combustible.
Les gaz de combustion arrivant par cette der- nière ouverture déplacent l'air, le refoulent à travers l'autre ouverture de cette dernière paire et prennent sa place dans la roue cellulaire. L'air s'é- coule ensuite par un conduit vers le foyer, où il sert à favoriser la combus- tion. Les gaz chauds pénétrant dans la roue sont entraînés par celle-ci jus- qu'à la paire d'ouvertures mentionnée en premier lieu, où ils s'échappent à travers un conduit vers une surface absorbant de la chaleur laquelle peut être constituée par des conduits refroidis par l'eau.
Le volume d'air amené par la roue cellulaire vers le foyer et in- troduit dans celui-ci est égal au volume des gaz entraîné depuis le foyer par cette roue. Toutefois, comme les gaz quittant le foyer sont à une températu- re plus élevée que l'air introduit dans le foyer et possèdent donc, à pres- sion égale, un poids spécifique inférieur à celui de cet air, la pression dans le foyer s'élèvera jusqu'à ce que le poids spécifique des gaz sortants
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soit égal à celui de l'air entrant. A la température considérée, on obtient ainsi une pression effective de quelques atmosphères. Lors de l'échange de l'air contre les gaz de combustion,rlequel s'effectue dans la roue cellulai- re aux ouvertures en communication avec le foyer, l'air est comprimé jusqu'à la pression régnant dans le four.
Les gaz sortant par l'ouverture qui communique avec les conduits absorbant de la chaleur possèdent une vitesse relativement élevée, ainsi qu'u- ne pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique. En aval de cette ouverture, une partie de la vitesse peut être transformée en pression à l'aide d'un diffuseur. L'énergie des gaz peut être utilisée pour refouler le gaz à une vitesse élevée à travers les conduits de gaz de fumée, qui for- ment la surface chauffante. Ainsi, on obtient un coefficient de transmis- sion thermique élevé et, jusqu'à un certain rendement thermique, une surfa- 'ce chauffante économique.
Cependant, le dispositif décrit ci-dessus n'a pas été appliqué dans la pratique à l'usage indiqué, cela principalement du fait que les pertes d'énergie sont très importantes et que le rendement recherché n'est donc pas atteint; il est cependant connu en principe et a été appliqué à d'autres usages dans le cas de pompes thermiques et de turbi- nes a gaz.
L'invention vise à améliorer le dispositif ci-dessus. Elle s'ap- plique à un foyer de générateur de vapeur, de générateur d'eau chaude, etc., où les gaz de combustion contenus dans le foyer sont à une pression plus éle- vée que dans les éléments absorbant de la chaleur, la différence de pression étant réalisée à l'aide d'une roue cellulaire rotative dont les cellules, pendant la rotation, reçoivent des gaz chauds du foyer sous une pression éle- vée et échangent ceux-ci contre le même volume de gaz plus froid et plus lourd et sous une plus faible pression, et ramènent ce gaz plus froid à l'étage de pression plus élevée, où le gaz contenu dans les cellules est à nouveau échan- gé contre les gaz du foyer, de sorte qu'une plus grande quantité de gaz, en poids, est transférée de l'étage basse pression à l'étage haute pression,
que dans le sens opposé. Suivant l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce que l'excédent de gaz, qui s'établit dans le foyer lorsque la roue cellu- laire transporte du gaz de l'étage basse pression à l'étage haute pression, est ramené directement de l'étage haute pression constitué par le foyer vers l'étage basse pression constitué par les éléments absorbant de la chaleur du dispositif, où cet excédent de gaz est amené à entraîner, en agissant lui- même comme fluide moteur, et au moyen d'un éjecteur, les gaz chauds venant de la roue cellulaire, et à comprimer ceux-ci, après quoi la quantité totale de gaz est refoulée à grande vitesse à travers les conduits à gaz dans les éléments absorbant de la chaleur, de ce dispositif.
Ce dispositif peut être muni de moyens pour soutirer des gaz de la roue cellulaire lorsque les cellules se-déplacent de l'étage haute pres- sion vers l'étage basse pression, de sorte que ces gaz, après avoir subi une détente dans l'étage basse pression, peuvent servir à pré-comprimer, à l'ai- de d'un éjecteur, les gaz chauds quittant la roue cellulaire à un étage de pression moins élevéo
Dans l'un comme dans l'autre cas, le dispositif peut être cons- truit de fagon que la pression dans le foyer soit plus élevée que la pression atmosphérique et que les conduits à gaz de fumée soient à la pression atmos- phérique ou approximativement telle.
Suivant une variante, ce dispositif peut être établi de façon qu'une pression atmosphérique ou approximativement telle règne dans le foyer et que les conduits de gaz de fumée soient sou- mis à une pression inférieure à la pression atmosphérique.
Il est avantageux que les gaz de fumée venant du foyer et con- tournant la roue cellulaire possèdent une température plus élevée que les gaz traversant cette roue.,
L'invention sera décrite ci-après à l'aide de quelques exemples d'exécution montrés schématiquement dans les dessins annexés.
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La figure 1 montre un exemple d'exécution du dispositif.
La figure 2 montre un autre exemple d'exécution du dispositif.
Les figures 3 et 4 montrent des détails de la roue cellulaire.
La figure 5 montre une exécution de la roue cellulaire en coupe le long de son arbre.
La figure 6 montre la même roue cellulaire en coupe perpendiculairement à l'arbre.
Dans la disposition montrée dans la figure 1, une roue cellulaire 1 tourne dans une enveloppe 2, cette dernière étant munie d'ouvertures 3,4 5 et 60 Suivant la figure-l,la roue cellulaire est établie de telle façon que les gaz peuvent traverser radialement les cellules de la roue. L'air pénètre dans les cellules à travers l'ouverture 3 de l'enveloppe et déplace le gaz déjà contenu dans les cellules, de façon que ce gaz sort par l'ouverture 40 La roue cellulaire tourne dans la direction de la flèche et entraîne vers l'ouverture 5 l'air qui avait pénétré dans les cellules. Les gaz chauds de la combustion, venant du foyer 7, dans lequel brûle le combustible, pénètre dans les cellules à travers cette dernière ouverture.
Le foyer peut être à refroidissement par eau ou être suivi par une surface de chauffe, afin d'aménager la température des gaz de fumée d'une manière appropriée. Les gaz de combustion venant de l'ouverture 5 refoulent l'air à travers l'ouverture 6 et le remplacent dans la roue cellulaire. L'air s'écoule par un conduit 8 vers le foyer 7, où il sert à la combustion. Les gaz chauds pénétrant dans la roue cellulaire en 5 sont entraînés par cette roue jusque 4 et s'échappent par un conduit 9 vers une surface de chauffe 10 absorbant de la chaleur; laquelle surface peut consister en conduits refroidis à l'eau.
Lors du remplacement de l'air par des gaz de combustion, lequel s'effectue dans la roue cellulaire aux ouvertures 5 et 6, l'air est comprimé jusqu'à la pression régnant dans le foyer. La figure 3 montre en détail la manière dont cette compression peut s'effectuer. lorsque les cellules s'ouvrent vers l'embouchure 5 du conduit à l'arête 11, le gaz sous pression élevée s'écoule de 5 vers les cellules et comprime l'air. Il s'établit une onde de pression qui, lorsque la roue cellulaire tourne, se déplace le long de la ligne en pointillé 11-12.Lorsque cette onde arrive à la circonférence externe de la roue, les cellules s'ouvrent devant l'arête 12. Après le passage de l'onde de pression, laquelle se déplace à une vitesse supersonique, l'air s'engouffre dans les cellules, mais à une vitesse inférieure à celle de l'onde.
La vitesse de rotation de la roue et les dimensions de l'ouverture 6 sont adaptées à la vitesse du courant de gaz, de telle façon que, lorsque la totalité des gaz a traversé les cellules et refoulé complètement l'air, le côté sortie des cellules se trouve masqué par l'arête 13. Peu avant la fermeture de l'orifice de sortie des cellules par l'arête 13, leur entrée est obturée par l'arête 14. Il en résulte une onde de dépression le long de la ligne 14-13, et qui arrive à l'extrémité de sortie des cellules au moment exact de l'obturation de cette extrémité. Après que la sortie d'une cellule a été obturée en 13, le contenu de celle-ci èst au repos et sous une pression inférieure à celle du foyero A titre de variante, on peut supposer que l'arête 13 ferme la cellule avant l'arête 14.
Dans ce cas, on obtient une onde de compression, laquelle comprime le gaz dans les cellules. Dans le cas présent, il importe peu que l'on applique l'une ou l'autre méthode, le point principal consistant à utiliser l'énergie cinétique des gaz avant que les cellules ne soient complètement fermées. Pendant l'échange de gaz, l'air est comprimé jusqu'à la pression régnant dans le four d'une part, tandis que d'autre part, l'air se voit communiquer l'énergie cinétique requise pour vaincre la résistance dans le conduit 8 et dans le foyer.
Une fois les gaz complètement enfermés, aucun changement n'interviendra avant que la cellule considérée n'arrive aux ouvertures 3 et 4. Les phénomènes qui auront lieu à ce moment ressortent de la figure 4. Lorsque les cellules dépassent l'arête 15, elles s'ouvrent vers la basse pression de
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l'ouverture 4, une onde de dépression traverse.les cellules suivant la ligne 15-16, et le gaz s'échappe vers l'ouverture 4. lors du dépassement de l'arê- te 16, le contenu de la cellule commence à se mouvoir; les gaz commencent donc à quitter cette cellule, où ils sont remplacés par l'air venant de l'ouvertu- re 3. la pression dans Couverture 4 est légèrement supérieure à celle qui règne dans l'ouverture 3, ce qui retarde les gaz graduellement.
A l'arête 17, les cellules ont déjà été entièrement remplies d'air, et leur sortie est obturéeo Lorsque le courant d'air s'arête brusquement, il s'établit une on- de de pression qui se propage vers l'arrière le long de la ligne 17-18. En 18, tout le contenu de la cellule a été porté à une pression dépassant légè- rement la pression atmosphérique. L'arête 18 obture l'entrée des cellules, lesquelles se déplacent vers les ouvertures 5 et 6, après quoi le processus se répète.
Toutefois, dans la disposition suivant l'invention, les gaz de fumée ne passent pas dans leur totalité du foyer 7 vers la roue 1, mais une partie de ceux-ci s'écoule par un conduit 19 vers un éjecteur 20 constitué par une tuyère 21 laquelle détermine une détente de ces gaz avec accroisse- ment de leur vitesse cela à une pression voisine de la pression atmosphéri- que, en un mélangeur 22 et un diffuseur 23. L'éjecteur aspire à travers le conduit 24 les gaz chauds qui quittent la roue cellulaire par l'ouvertu- re 4. Dans le mélangeur 22, les gaz venant de la roue cellulaire et ceux ve- nant directement du foyer se mélangent, la vitesse étant ensuite principale- ment transformée en vitesse dans le diffuseur 23. Les gaz sont ensuite refou- lés à grande vitesse par les conduits 10 constituant la surface dé chauffe.
La disposition suivant la figure 1, offre plusieurs avantages considérables par rapport à celle décrite en premier lieu et qui est déjà con- nue en principe. Dans ce dispositif antérieur, où tous les gaz de la combus- tion traversent la roue cellulaire, la sunpression dans le foyer est relative- ment élevée. lorsque les gaz quittent le four à une température de 1000 C, la surpression sera ainsi entre 3 et 4 atmosphères. Cette surpression élevée est défavorable du point de vue des faites. En outre, dans la disposition montrée dans la figure 1, la surpression dans le foyer peut être modifiée.
Les meilleurs résultats d'exploitation sont obtenus avec une surpression d'en- viron 1 atmosphère.
Dans la disposition antérieure, les gaz traversant l'installation passent quatre fois successivement par des ondes de compression et de détente.
Avec un rapport des pressions de 1 :4, la perte d'énergie dans chaque onde de pression est d'environ 20 %. De plus, il convient de prendre en considé- ration des pertes d'énergie considérables à l'entrée et à la sortie de la roue cellulaire, dans les diffuseurs indispensables, etc... Par conséquent, le rendement réalisable avec le procédé antérieur est faible. Il est probable- ment inférieur à 40 %.
Le procédé suivant la figure 1, donne des meilleurs résultats principalement parce que la pression dans le foyer est moins élevée. Le rap- port des pressions dans les ondes de compression et de détente sera ainsi ré- duit, ce qui diminue considérablement les pertes dans celles-ci. Cependant, l'avantage principal réside dans le fait qu'une faible partie seulement des gaz traverse la roue cellulaire. Le reste s'écoule par le conduit 19 et se détend directement dans l'éjecteur qui lui imprime une vitesse élevée. Bien que l'on doive admettre que les éjecteurs fonctionnent également le plus sou- vent avec un faible rendement, les conditions sont dans ce cas particulière- ment favorables % un éjecteur, vu qu'une vitesse relativement élevée peut être admise pour le fluide entraîné venant par le conduit 24.
Si l'on suppo- se que les quantités de gaz d'entraînement et entraînésont égales et que le rapport des vitesses de ces gaz est de 2, ce qui correspond approximativement aux conditions réelles, le rendement de l'éjecteur, -non compris les pertes dans le diffuseur, sera supérieur à 70 %. On peut s'attendre ainsi à ce que la disposition suivant.la figurer! donne un meilleur rendement que celui réa- lisable avec la construction décrite en premier lieu. Lorsqu'une petite par-
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tie seulement des gaz traverse la roue cellulaire, les exigences, en ce qui concerne la construction, deviennent moins rigoureuses. Le fait, à savoir., si les ondes de compression et de détente se propagent d'une manière correc- te, ne constitue plus un facteur déterminant.
Il est évident que l'on peut même complètement éliminer ces processus et que l'on peut également obtenir de bons résultats lorsque la roue cellulaire agit uniquement comme écluse à gaz, appelée à écluser des gaz chauds de l'étage haute pression à l'étage bas- se pression, et un même volume de gaz froid dans le sens opposé.
Cependant, l'emploi d'un électeur suivant la figure 1, présente encore d'autres avantages. La roue cellulaire ne résiste pas à des tempéra- tures trop élevées et il n'est donc pas indiqué de laisser les gaz s'écou- ler directement d'un foyer important vers cette roue. Ceux-ci doivent être refroidis dans une certaine mesure en amont de la roue. Dans la disposition suivant la figo 1, une faible partie seulement des gaz doit être refroidie pour la raison sous-indiquéeo Le fait que des gaz traversant l'éjecteur peuvent avoir une température plus élevée que ceux traversant la roue cons- titue un autre avantage important, vu que la quantité totale de l'énergie obtenue, c'est-à-dire, la surpression disponible en amont des surfaces chauf- fantes 10, augmente rapidement avec la température dans le conduit 10.
Lors- qu'il s'agit d'utiliser la vitesse des gaz quittant la roue cellulaire par l'orifice 4, on risque de rencontrer des difficultés mécaniques et autres, Au lieu d'appliquer cette méthode, on peut utiliser l'énergie du gaz contenu dans les cellules, en amont de l'ouverture 4 en permettant à ce gaz de s'é- chapper, tout en équilibrant la pression dans les cellules, par un conduit 25,et en dirigeant ce gaz vers un conduit 24 à l'aide d'un éjecteur, lequel aspire les gaz arrivant en 4 et leur imprime une certaine vitesse avant qu'ils ne pénètrent dans l'éjecteur 20.
La construction de la figure 2 fonctionne en principe de la même façon que celle de la figure 1, avec une pression, dans le foyer, plus éle- vée que dans les conduits à gaz de fumée formant la surface de chauffe; tou- tefois, alors que dans la disposition suivant la figo 1, la sortie des con- duits à gaz de fumée communique avec l'air atmosphérique, le foyer 7 de la figure 2 communique directement avec l'atmosphère. Dans cette dernière cons- truction, le foyer 7 est sous pression atmosphérique, tandis qu'une dépression règne dans les conduits à gaz de fumée 10.
Cette dernière construction fonctionne comme suit L'air combu- rant est aspiré dans le foyer par le raccord 26. Partant du foyer, une par- tie des gaz de combustion se dirige vers la roue cellulaire 1, où ils pénè- trent par une ouverture 5. Ceci a pour effet de refouler à l'atmosphère, par l'ouverture 6, les gaz jusqu'alors contenus dans la roue cellulaire. Les gaz du foyer sont entraînés par la roue vers l'ouverture 4, où ils s'échap- pent, avec détente, vers l'enceinte basse pression représentée par les con- duits à gaz de fuméeo Une autre partie de gaz s'écoule du foyer 7 par le con- duit 19 vers l'éjecteur 20.
Grâce à l'accroissement de la pression réalisée par cet éjecteur, les gaz sont refoulés à grande vitesse par le conduit 10 formant la surface de chauffe, où leur température est réduite, par exemple à 150 C. Les gaz traversent ensüite un conduit 27 et pénètrent par l'ouver- ture 3 dans la roue cellulaire, où ils remplacent les gaz qui quittent cette roue en 4. Les gaz de fumée refroidis sont ensuite entraînés par la roue jus- qu'à la position 5-6, où des gaz sous une pression plus élevée pénètrent dans la roue, compriment les gaz y contenus jusqu'à la pression atmosphérique et les refoulent à l'atmosphère par une ouverture 6.
La différence effective entre les constructions des figs. 1 et 2 réside en ce que l'air qui pénètre en 3 dans le premier dispositif est rem- placé dans le second dispositif¯par des-gaz de fumée refroidis. Si, dans le dispositif suivant la figure 2, les gaz de fumée passant dans les conduits de la surface de chauffe pouvaient être refroidis jusqu'à la température de l'air extérieur, les deux dispositifs donneraient le même rendement. Vu que la température des gaz pénétrant.-dans la roue cellulaire par l'ouverture 3
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dépasse la température de l'air extérieur, le rendement thermique peut être quelque peu moindre dans.le système de la figure 2 que dans celui de la figure 1.
Avec des valeurs raisonnables et praticables- des températures des gaz, on peut obtenir, dans le cas du dispositif de la fige 1, une pression disponible pour les conduits de la surface de chauffe, s'élevant à 3000 mm de colonne d'eau, tandis que dans le cas du dispositif de la fig. 2, la pres- sion correspondante s'élève à 1000 mm de colonne d'eau.
Dans Inapplication pratique de la construction suivant l'invention, l'enveloppe qui entoure le roue cellulaire etc..., peut être refroidie à l'air ou à l'eau. La roue cellulaire peut être établie en une matière réfractaire Cette roue, ou du moins son arbre, peut également être refroidie par un courant d'air ou d'eau.
Les figures 5 et 6 montrent un type de la construction de la roue cellulaire. 1 désigne la roue cellulaire rotative ; 2, l'enveloppe munie d'ou- vertures d'entrée et de sortie 3,4, 5 et 6; 28, des creux prévus dans l'en- veloppe et remplis d'eau de refroidissement en circulation.
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STEAM OR HOT WATER GENERATOR FIREPLACE, BY GAS
HIGH SPEED. '
In gas turbines, heat pumps, etc. a cellular wheel is used to suck gas from a low pressure stage, to compress this gas, and to exchange it, in a higher pressure stage, for a gas of a different state and in a different quantity, the latter gas then being returned to the lower pressure stage, while expanding, and being introduced into this last stage in exchange for the gas present at this stage. In a known device of this type, and which applies especially to a pressurized hearth of a steam generator, or of a hot water generator, a cellular wheel rotates in a casing provided. two pairs of openings.
The impeller may be set up so that gas is passed through the cells thereof radially, although the latter may be arranged so that gas passes through them axially or in any other way. The air enters the cells through one of the openings of one of the pairs of openings in the envelope and displaces the gas previously contained in these cells so that the gas leaves the cell through the air. another opening of this same pair. As it turns, the cellular wheel drives the air, which has been introduced into the cells, until an opening of the other pair of openings, where the hot combustion gases arrive through a duct coming from the hearth. where the fuel burns.
The combustion gases arriving through this last opening displace the air, push it back through the other opening of this last pair and take its place in the cellular wheel. The air then flows through a duct to the fireplace, where it serves to promote combustion. The hot gases entering the impeller are entrained by it to the first-mentioned pair of openings, where they escape through a duct to a heat-absorbing surface which may be formed by water-cooled ducts.
The volume of air brought by the cellular wheel towards the hearth and introduced into the latter is equal to the volume of gases entrained from the hearth by this wheel. However, as the gases leaving the hearth are at a higher temperature than the air introduced into the hearth and therefore have, at equal pressure, a specific weight lower than that of this air, the pressure in the hearth s 'will rise until the specific gravity of the outgoing gases
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is equal to that of the incoming air. At the temperature considered, an effective pressure of a few atmospheres is thus obtained. During the exchange of air against the combustion gases, which takes place in the cell wheel at the openings in communication with the hearth, the air is compressed up to the pressure prevailing in the furnace.
The gases exiting through the opening which communicates with the heat-absorbing conduits have a relatively high velocity, as well as a pressure slightly above atmospheric pressure. Downstream of this opening, part of the velocity can be transformed into pressure using a diffuser. The energy of the gases can be used to force the gas at high velocity through the flue gas conduits, which form the heating surface. Thus, a high thermal transfer coefficient is obtained and, up to a certain thermal efficiency, an economical heating surface is obtained.
However, the device described above has not been applied in practice to the use indicated, this mainly because the energy losses are very high and the desired efficiency is therefore not achieved; it is, however, known in principle and has been applied to other uses in the case of heat pumps and gas turbines.
The invention aims to improve the above device. It is applicable to a furnace of a steam generator, hot water generator, etc., where the combustion gases contained in the furnace are at a higher pressure than in the heat absorbing elements, the pressure difference being achieved by means of a rotating cellular wheel, the cells of which, during rotation, receive hot gases from the furnace under high pressure and exchange these for the same volume of colder gas and heavier and under lower pressure, and bring this cooler gas back to the higher pressure stage, where the gas contained in the cells is again exchanged for the gases of the hearth, so that a greater quantity of gas, by weight, is transferred from the low pressure stage to the high pressure stage,
than in the opposite direction. According to the invention, this device is characterized in that the excess gas, which is established in the hearth when the cell wheel transports gas from the low pressure stage to the high pressure stage, is returned directly. from the high pressure stage consisting of the hearth to the low pressure stage consisting of the heat absorbing elements of the device, where this excess gas is caused to entrain, by itself acting as a driving fluid, and by means of 'an ejector, the hot gases coming from the cell wheel, and compressing these, after which the total quantity of gas is forced at high speed through the gas conduits into the heat-absorbing elements of this device.
This device can be provided with means for withdrawing gases from the cell wheel when the cells move from the high pressure stage to the low pressure stage, so that these gases, after having undergone an expansion in the low pressure stage, can be used to pre-compress, with the aid of an ejector, the hot gases leaving the star wheel at a lower pressure stage o
In either case, the device can be constructed so that the pressure in the fireplace is higher than atmospheric pressure and the flue gas ducts are at or approximately atmospheric pressure. such.
Alternatively, this device can be set up so that atmospheric pressure or approximately such prevails in the fireplace and the flue gas ducts are subjected to a pressure lower than atmospheric pressure.
It is advantageous that the flue gases coming from the hearth and turning the cell wheel have a higher temperature than the gases passing through this wheel.
The invention will be described below with the aid of a few exemplary embodiments shown schematically in the accompanying drawings.
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FIG. 1 shows an example of execution of the device.
FIG. 2 shows another exemplary embodiment of the device.
Figures 3 and 4 show details of the cell wheel.
FIG. 5 shows an execution of the cell wheel in section along its shaft.
Figure 6 shows the same cell wheel in section perpendicular to the shaft.
In the arrangement shown in figure 1, a cell wheel 1 rotates in a casing 2, the latter being provided with openings 3, 4 5 and 60 According to figure-1, the cell wheel is established in such a way that the gases can pass radially through the cells of the wheel. The air enters the cells through the opening 3 of the casing and displaces the gas already contained in the cells, so that this gas comes out through the opening 40 The cellular wheel turns in the direction of the arrow and drives towards the opening 5 the air which had entered the cells. The hot combustion gases, coming from the hearth 7, in which the fuel burns, enters the cells through this latter opening.
The fireplace may be water cooled or be followed by a heating surface, in order to regulate the temperature of the flue gases in an appropriate manner. The combustion gases coming from the opening 5 force the air through the opening 6 and replace it in the cellular wheel. The air flows through a duct 8 to the hearth 7, where it is used for combustion. The hot gases entering the cellular wheel at 5 are entrained by this wheel to 4 and escape through a duct 9 towards a heating surface 10 absorbing heat; which surface may consist of water-cooled ducts.
When replacing the air with combustion gases, which takes place in the cellular wheel at openings 5 and 6, the air is compressed up to the pressure prevailing in the hearth. Figure 3 shows in detail how this compression can be performed. when the cells open towards the mouth 5 of the conduit at the ridge 11, the high pressure gas flows from 5 to the cells and compresses the air. A pressure wave is established which, as the cell wheel rotates, moves along the dotted line 11-12.When this wave arrives at the outer circumference of the wheel, the cells open in front of the ridge. 12. After the passage of the pressure wave, which moves at supersonic speed, air rushes into the cells, but at a slower speed than the wave.
The speed of rotation of the impeller and the dimensions of the opening 6 are adapted to the speed of the gas flow, so that, when all the gases have passed through the cells and completely expelled the air, the outlet side of the cells is masked by edge 13. Shortly before the closure of the outlet opening of the cells by edge 13, their entry is blocked by edge 14. This results in a vacuum wave along the line 14-13, and which arrives at the exit end of the cells at the exact moment of the obturation of this end. After the outlet of a cell has been sealed at 13, the contents of the latter are at rest and under a pressure lower than that of the focal point. Alternatively, it can be assumed that the edge 13 closes the cell before the 'edge 14.
In this case, a compression wave is obtained, which compresses the gas in the cells. In this case, it does not matter which method is applied, the main point being to use the kinetic energy of the gases before the cells are completely closed. During the gas exchange, the air is compressed up to the pressure prevailing in the furnace on the one hand, while on the other hand, the air is communicated with the kinetic energy required to overcome the resistance in the leads 8 and into the foyer.
Once the gases are completely enclosed, no change will take place before the cell in question arrives at openings 3 and 4. The phenomena which will take place at this moment appear in FIG. 4. When the cells exceed the edge 15, they open towards the low pressure of
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opening 4, a vacuum wave passes through the cells along line 15-16, and gas escapes to opening 4. when passing through edge 16, the contents of the cell begin to flow. move; the gases therefore begin to leave this cell, where they are replaced by the air coming from opening 3. the pressure in Cover 4 is slightly higher than that prevailing in opening 3, which gradually retards the gases. .
At edge 17, the cells have already been completely filled with air, and their outlet is blocked o When the air current suddenly stops, a pressure wave is established which propagates backwards along line 17-18. At 18, the entire contents of the cell were brought to a pressure slightly exceeding atmospheric pressure. The ridge 18 blocks the entry of the cells, which move to the openings 5 and 6, after which the process is repeated.
However, in the arrangement according to the invention, the flue gases do not pass in their entirety from the hearth 7 to the wheel 1, but a part of these flows through a duct 19 towards an ejector 20 consisting of a nozzle. 21 which determines an expansion of these gases with an increase in their velocity at a pressure close to atmospheric pressure, in a mixer 22 and a diffuser 23. The ejector sucks through the duct 24 the hot gases which leave the cellular wheel through opening 4. In mixer 22, the gases coming from the cellular wheel and those coming directly from the hearth are mixed, the speed then being mainly transformed into speed in the diffuser 23. The gases are then forced out at high speed through the conduits 10 constituting the heated surface.
The arrangement according to FIG. 1 offers several considerable advantages over that first described and which is already known in principle. In this prior device, where all the combustion gases pass through the cell wheel, the pressure in the furnace is relatively high. when the gases leave the oven at a temperature of 1000 C, the overpressure will thus be between 3 and 4 atmospheres. This high overpressure is unfavorable from the point of view of the facts. In addition, in the arrangement shown in Figure 1, the overpressure in the fireplace can be changed.
The best operating results are obtained with an overpressure of about 1 atmosphere.
In the previous arrangement, the gases passing through the installation pass four times successively through compression and expansion waves.
With a pressure ratio of 1: 4, the energy loss in each pressure wave is approximately 20%. In addition, considerable energy losses should be taken into account at the inlet and outlet of the cell wheel, in essential diffusers, etc. Consequently, the yield achievable with the previous process is low. It is probably less than 40%.
The process according to figure 1 gives better results mainly because the pressure in the hearth is lower. The pressure ratio in the compression and expansion waves will thus be reduced, which considerably reduces the losses in the latter. However, the main advantage is that only a small part of the gases pass through the cell wheel. The rest flows through line 19 and expands directly into the ejector which gives it a high speed. Although it must be assumed that ejectors also operate with low efficiency most of the time, the conditions in this case are particularly favorable% an ejector, as a relatively high speed can be allowed for the entrained fluid. coming through conduit 24.
Assuming that the quantities of entrained and entrained gases are equal and that the ratio of the velocities of these gases is 2, which corresponds approximately to actual conditions, the ejector efficiency, not including losses in the diffuser, will be greater than 70%. We can thus expect that the following provision will appear! gives a better yield than that achievable with the construction described in the first place. When a little par-
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When only gases pass through the cellular wheel, the requirements for construction become less stringent. Whether the compression and expansion waves propagate properly is no longer a determining factor.
It is obvious that one can even completely eliminate these processes and that one can also obtain good results when the cell wheel acts only as a gas sluice, called upon to sluice hot gases from the high pressure stage to the low stage - pressure, and the same volume of cold gas in the opposite direction.
However, the use of a voter according to Figure 1, has still other advantages. The cell wheel does not withstand excessively high temperatures and it is therefore not advisable to let gases flow directly from a large focal point to this wheel. These must be cooled to some extent upstream of the impeller. In the arrangement according to figo 1, only a small part of the gases has to be cooled for the reason given below. Another important advantage is that gases passing through the ejector can have a higher temperature than those passing through the impeller. , since the total amount of energy obtained, that is to say, the excess pressure available upstream of the heating surfaces 10, increases rapidly with the temperature in the duct 10.
When it comes to using the speed of the gases leaving the cell wheel through orifice 4, there is a risk of encountering mechanical and other difficulties. Instead of applying this method, the energy of the gas can be used. gas contained in the cells, upstream of opening 4, allowing this gas to escape, while balancing the pressure in the cells, through a conduit 25, and directing this gas to a conduit 24 to l 'Using an ejector, which sucks in the gases arriving at 4 and gives them a certain speed before they enter the ejector 20.
The construction of figure 2 functions in principle in the same way as that of figure 1, with a pressure in the fireplace greater than in the flue gas ducts forming the heating surface; however, while in the arrangement according to figure 1, the outlet of the flue gas pipes communicates with atmospheric air, the hearth 7 of figure 2 communicates directly with the atmosphere. In this last construction, the hearth 7 is under atmospheric pressure, while a vacuum prevails in the flue gas ducts 10.
This latter construction works as follows. Combustion air is drawn into the hearth through connection 26. From the hearth, part of the combustion gases go to the cellular wheel 1, where they enter through an opening 5. This has the effect of pushing back to the atmosphere, through the opening 6, the gases hitherto contained in the cellular wheel. The gases from the hearth are driven by the impeller towards opening 4, where they escape, with expansion, towards the low pressure chamber represented by the flue gas pipes o Another part of the gas flows from the hearth 7 via line 19 to the ejector 20.
Thanks to the increase in the pressure produced by this ejector, the gases are discharged at high speed through the duct 10 forming the heating surface, where their temperature is reduced, for example to 150 C. The gases then pass through a duct 27 and enter through opening 3 into the cellular wheel, where they replace the gases leaving this wheel at 4. The cooled flue gases are then entrained by the wheel to position 5-6, where gases under a higher pressure enter the wheel, compress the gases contained therein to atmospheric pressure and discharge them to the atmosphere through an opening 6.
The effective difference between the constructions of figs. 1 and 2 reside in that the air which enters at 3 in the first device is replaced in the second device refroid by cooled flue gases. If, in the device according to FIG. 2, the flue gases passing through the ducts of the heating surface could be cooled down to the temperature of the outside air, the two devices would give the same efficiency. Considering the temperature of the gases entering .-- into the cellular wheel through opening 3
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exceeds the temperature of the outside air, the thermal efficiency may be somewhat lower in the system of figure 2 than in that of figure 1.
With reasonable and practicable values of the gas temperatures, it is possible to obtain, in the case of the device in fig. 1, an available pressure for the ducts of the heating surface, amounting to 3000 mm of water column, while in the case of the device of FIG. 2, the corresponding pressure is 1000 mm water column.
In the practical application of the construction according to the invention, the casing which surrounds the cell wheel etc ..., can be cooled in air or in water. The cellular wheel can be made of a refractory material. This wheel, or at least its shaft, can also be cooled by a current of air or water.
Figures 5 and 6 show one type of the cell wheel construction. 1 denotes the rotating cellular wheel; 2, the casing provided with inlet and outlet openings 3, 4, 5 and 6; 28, recesses provided in the casing and filled with circulating cooling water.