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PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX DISPOSITIFS DE COMBUSTION.
Quand on brûle certains combustibles pour produire des produits de combustion pour s'en servir comme fluide actif dans une turbine à gaz ou toute autre machine motrice, plus spécialement du méthane dans l'air de ventilation des mines ou autres mélanges combustibles analogues avant un pouvoir calorifique réduit, il est nécessaire de préchauffer le mélangé, qui est à l'état gazeux, avant son entrée dans la chambre de combustion.
De même, pour traiter des combustibles solides à l'état finement divisé, par exemple du poussier de charbon ou de la tourbe pulvérisée, dans de l'air, il est nécessaire ou tout air moins conseillable de préchauffer l'air combu- rant avant son entrée dans la chambre de combustion. A cet effet la chaleur peut avantageusement être transférée depuis les produits de combustion, avant leur entrée dans la machine motrice, afin que la température de ces produits soit réduite à une valeur qui convient à la machine motrice.
L'invention concerne plus particulièrement et avantageusement un dispositif de combustion comprenant une chambre de combustion avec des moyens pour transférer la chaleur depuis les produits de combustion sortant de la chambre au gaz introduit dans la chambre de combustion. Le disposi- tif, établi selon l'invention, comporte une boîte dont l'intérieur est sub- divisé en une chambre de combustion,un passage d'entrée et un passage de sortie pour ladite chambre, une masse, perméable aux gaz et propre à accu- muler et à céder de la chaleur établie dans lesdits passages et des moyens pour mettre chaque partie de ladite masse alternativement en contact d'a- bord avec le gaz d'entrée sur son trajet vers la chambre de combustion et ensuite avec des produits¯de combustion gazeux depuis leur sortie hors de la chambre de combustion.
Pour alimenter une turbine à gaz ou une machine motrice analogue, le débit massique du gaz est très élevée S'il en résultait des difficultés pour la combustion pour la raison que la vitesse du gaz dans la chambre de
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combustion est plus grande que la vitesse de propagation de la flamme, des moyens peuvent être prévus -dans la chambre pour conserver une zone de com- bustion stable dans le courant gazeux, ces moyens étant analogues à ceux prévus ordinairement dans les chambres de combustion de certains modes de réalisation d'installations avec turbines à gaz.
Quand du combustible finement divisé est introduit dans l'air le combustible est généralement injecté dans la zone, stable de la chambre' de combustion par un ou plusieurs brûleurs établis dans la chambre. Quand unmélan- ge méthane-air ou tout autre gaz naturel dilué est brulé, un ou plusieurs brûleurs peuvent également être établis dans la chambre pour introduire du combustible auxiliaire, tout au moins au début de la combustion.
En particulier, la chambre de combustion est agencée de manière à pouvoir fonctionner pendant que les gaz la traversent dans l'un ou l'autre sens, et, si nécessaire, des stabilisateurs de flamme peuvent être prévus à chaque extrémité de la chambre avec deux brûleurs intervenant alternati- vement. Une masse, perméable au gaz et propre à accumuler et à céder de la chaleur, est constituée en deux parties, une de ces parties étant établie dans chaque passage, des distributeurs étant prévus pour inverser, périodi- quements les communications avec les passages afin que la direction du cou- rant dans tout le dispositif soit périodiquement inversée.
Ainsi, chacune des masses reçoit à son tour et alternativement de la chaleur depuis les produits de combustion qui la traversent dans un sens et cèdent de la cha- leur à des gaz plus froids qui la traversent dans l'autre sens.
Une masse, perméable au gaz et accumulatrice de chaleur, peut être prévue dans la chambre de combustion elle-même.
La chambre de combustion pour brûler un combustible producteur de cendres, tel que du poussier de charbon, peut avoir la forme d'une volu- te et, quand l'échange de chaleur a lieu par inversion du courant gazeux dans 1?ensemble du dispositif, par deux volutes séparées établies en série, des collecteurs étant alors prévus pour recueillir les cendres centrifugées.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemple, certains mo- des de réalisation de l'invention.
La fig. 1 montre, en coupe schématique (parties arrachées), une installation avec turbine à gaz et un dispositif de combustion établi selon l'invention et comprenant des moyens pour l'échange de chaleur qui se trou- vent à proximité de l'entrée et de la sortie du dispositif.
La fig. la montre, en vue de côté (parties en coupe) le mécanisme distributeur du dispositif de la Fig. 1.
La Fig. 1b montre, en coupe, les matrices pour l'échange de cha- leur et faisant partie du dispositif de la fig. 1.
La Fig. 2 montre, en coupe selon 11=11 Figo 3, un dispositif de combustion pour brûler des combustibles sales avec des dépôts de cendres.
La fig. 3 montre, en coupe transversale selon III-III Fig. 2, ce même dispositif.
Sur la Fig ; l'installation avec turbine à gaz, destinée à fonc- tionner avec un mélange combustible propre et exempt de cendres mais dont le pouvoir calorifique est réduit, par exemple de l'air de ventilation d'une mine de charbon et qui contient un faible pourcentage de méthane ga- zeux, comprend certaines parties des constituants usuels d'une installation motrice avec turbine à gaz pour entraîner un alternateur mais elle est mo- difiée pour les conditions spéciales dans lesquelles elle doit fonctionner avec un combustible gazeux et pauvre qui ne peut pas brûler normalement aux températures ordinaires.
Le dispositif comprend un compresseur 1 pour comprimer le fluide gazeux fourni par une source appropriée, dans ce cas un mélange gazeux de combustible et d'air, une machine motrice constituée par une turbine à gaz 2 qui fournit de l'énergie pour entraîner le compresseur 1 et un alterna-
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teur 4 ainsi qu'un échangeur de chaleur 3 chauffé par les gaz d'échappement de l'installation motrice.
En plus de ces constituants, l'installation avec turbine à gaz comprend également un dispositif comprenant une chambre de combustion, un passage relié à une extrémité de ladite chambre et un autre passage commu- niquant avec son autre extrémité pour un échange de chaleur'
La boîte 22, contenant ce dispositif, comporte à cet effet deux branches parallèles, dans lesquelles sont établis les passages 7A et 9A, ainsi qu'une traverse médiane 8 reliant les extrémités adjacentes des bran- ches parallèles pour former la chambre de combustion. Le long de chacun des deux passages 7A et 9A, traversés par les gaz passant dans la boîte 22, sont établies des masses 7 et 9 perméables aux gaz et propres à accumuler et à céder de la chaleur.
Chacune de ces masses est constituée par une matrice formée par un ou plusieurs empilages 19 de minces plaques rectangulaires de matières réfractaires qui se trouvent sur le trajet suivi par le gaz en présentant les petits côtés au courant gazeux admis, comme bien visible sur la Fig. lb. Les plaques sont écartées très légèrement les unes des autres par des entretoises qui peuvent être constituées par des petits bossages 20 prévus sur une face de chaque plaque de sorte que plusieurs petits pas- sages gazeux, en parallèle, sont formés entre les plaques. Avantageusement, ces plaques forment trois groupes inclinés les -uns-par rapport aux autres et superposés pour former une colonne sensiblement hexagonale, comme montré.
Comme les plaques sont notablement plus courtes que la longueur du passage, plusieurs empilages, placés bout à bout, peuvent former la colonne et chaque groupe dans un empilage se trouve à moitié sur un groupe et à moitié sur un autre groupe d'un empilage adjacent. Chaque matrice ainsi constituée est entourée d'une couche de matière réfractaire 21.qui forme un revêtement pour les passages et pour la chambre de combustion.
L'accroissement de la température du gaz admis depuis le conduit 12 réduit la possibilité des difficultés de combustion dues à la vitesse é- levée des gaz mais il est néanmoins désirable de prévoir une zone stable de combustion., Comme la chambre de combustion 8 est, en substance, perpen= diculaire aux branches de la boîte 22, l'écoulement du gaz dans le coude tend à créer une zone stagnante dans l'angle dudit coude ce qui forme une zone de combustion stable. A une ou à chaque extrémité de cette zone stable est établi un gicleur 24 pour injecter du combustible auxiliaire dans cette zone.
Suivant une variante on établit une chicane à chaque extrémité de la chambre, cette chicane s'étendant en travers de la chambre pour former une zone stagnante en aval de ladite chicane, c'est-à-dire du côté de celle- ci qui est opposée à celui où arrive le courant gazeux admis. Chaque chicane peut également avoir la forme d'une cuvette ou d'un tube dont l'extrémité, voisine du passage, comporte des ailettes afin que le gaz, admis dans la chicane, forme un tourbillon dont la partie centrale constitue la zone sta- ble.
N'importe quels autres moyens de stabilisation peuvent être uti- lisés. En plus où à la place des chicanes stabilisatrices de la flamme on peut établir dans la chambre de combustion un accumulateur de chaleur 8a sur letra- jet suivi parlé gaz ét par les flammes pour faciliter l'allumage du gaz admis.
Cet accumulateur peut être constitué par une matrice réfractaire et perméa- ble au gaz qui se trouve dans la partie médiane de la chambre 8 et qui peut être constituée par un paquet de tubes réfractaires parallèles ou par des plaques disposées comme déjà décrit dans les masses 7 et 9. Un mécanisme 6, de construction connue, peut être utilisé pour inverser les communications entre les conduits 12, 15 et 13, 14 reliés aux passages 7A et 9A. On inverse ainsi le sens du courant gazeux dans l'ensemble du dispositif, chaque passa- ge 7A et 9A servant alternativement à l'entrée et à la sortie de ce courant.
Les extrémités externes des conduits 13 et 14 sont prolongées par des four- ches pour former des communications séparées entre les bouts des deux conduits 12 et 15, qui sont parallèles entre eux, et la chambre de combustion tout en formant un prolongement de la boîte 22. Des clapets 6a et 6b sont mobi-
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les entre deux sièges (Fig. la) pour fermer une fourche ou l'autre et ils sont reliés entre eux de manière telle que lorsque le clapet 6b est appliqué sur son siège de gauche, le clapet 6a soit serré contre le siège de droite.
Les tiges de commande de ces clapets traversent la paroi de la boite en passant dans des boites de bourrage pour être reliées à des dispositifs 16, formés chacun par un cylindre et un piston actionné par un fluide sous pres- sion, sous la commande d'un distributeur 18, sur lequel agit une minuterie 17 afin que les clapets soient déplacés périodiquement dans des directions opposées. Il est évident que l'on peut se servir d'autres mécanismes inver- seurs connus.
Le dispositif peut être utilisé pour brûler, par exemple, un mé- lange pauvre de méthane-air fourni sous pression au conduit d'admission après avoir traversé le compresseur 1. Le dispositif est mis en marche en faisant brûler du combustible auxiliaire fourni par le brûleur 24 dans la chambre de combustion jusqu'à ce que la matrice 8a, qu'elle contient, soit assez chaude. Le gaz traverse un des passages 7A ou 9A suivant la position occupée par le mécanisme inverseur 6, et ensuite la chambre de combustion 8 dans laquelle il est brûlé. Les produits de la combustion traversent l'au- tre passage 9A ou 7A en chauffant la matrice logée dans celui-ci. Les cla- pets 6a et 6b sont alors inversés automatiquement.
Les gaz admis traversent alors le passage chaud et sont chauffés par la matrice logée dans celui-ci alors que les gaz résultant de la combustion sont déchargés par l'autre pas- sage pour chauffer la matrice qu'elle contient avant de s'écouler vers la turbine à gaz 2 ou toute autre machine motrice.
Les passages de la Fig. 1, peuvent, suivant une variante, être constitués par des tubes coaxialemen emboîtés l'un dans l'autre.
Pour brûler du combustible solide,finement divisé, on préfère se servir d'une chambre de combustion en forme de volute, comme sur les Figs. 2 et 3, le combustible brûlant dans un tourbillon d'air, de forme spi- raloide. Une chambre appropriée 26 a un axe vertical. De l'air comburant chaud est introduit par une entrée divergente 28 pour aboutir tangentielle- ment dans la partie périphérique de la chambre 26 dans laquelle il tourne suivant un tourbillon spiraloide en s'écoulant vers l'intérieur vers une sortie axiale 29, orientée vers le bas depuis une entrée verticale 27, prévue à la partie supérieure de la chambre, pour être entraîné par le cou- rant d'air et pour être brûlé, par exemple, le long des parois de la chambre ou en suivant le trajet spiraloide ou en partie de chacune de ces manières.
La plupart des cendres, résultant de la combustion, sont expulsées par l'ef- fet centrifuge en venant heurter la paroi verticale qui entoure la chambre.
Les cendres retenues descendent le long de la paroi et sopt recueillies dans une auge annulaire 30 entourant la sortie des gaz. Les cendres peuvent pas - ser par dessus le bord 31 de l'auge pour tomber par la sortie 29 dans un cendrier 32 hors duquel elles peuvent être enlevées de temps en temps. La sortie du gaz est branchée sur la sortie verticale en un certain point au- dessus du cendrier 32. Pour retenir les cendres qui pourraient être entrai- nées dans la sortie des gaz, on loge, de préférence, dans celle-ci un lit de cailloux aisément amovible et remplagable ou tout autre dispositif de filtration 33.
On a recours à deux chambres 26, en forme de volute, qui commu- niquent respectivement avec les deux passages 7A et 9A, ceux-ci étant hori- zontaux et étant prolongés par des entrées tangentielles divergentes 28.
Ces chambres 26, qui remplacent la chambre de combustion rectiligne de la fig. 1, ont leurs sorties axiales reliées par un conduit aisément détachable de la partie restante de la boite et dans lequel se trouve le lit de cail- loux 33 ou tout autre filtre. Les deux chambres de combustion sont ainsi reliées en série. Pour le fonctionnement, l'air admis suit un des passages suivant la position occupée par le mécanisme inverseur et pénètre tangen- tiellement dans une des chambres à turbulence où cet air reçoit le combusti- ble pulvérulent dont l'alimentation passe d'une chambre à l'autre alternati- vement et simultanément avec l'inversion des positions des clapets ou analo-
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gues.
Les produits de combustion, provenant,de la chambre 26 utilisée, traversent le filtre 33 et s'écoulent ensuite, en sens inverse, par l'autre chambre de combustion qui est maintenant inactive et traversent l'autre pas- sage dans lequel ils cèdent de la chaleur à la matrice logée dans celui-ci.
Des moyens 5a et 5b, propres à débiter du combustible auxiliaire, peuvent être prévus.
Pour compenser les fluctuations dans le degré de concentration du combustible dans certains'mélanges qui peuvent être brûlés dans le dispo- sitif faisant l'objet de l'invention, tels que du méthane contenu dans l'air de ventilation ou d'aération des mines, du combustible supplémentaire peut être brûlé dans une chambre de combustion séparée. Dans ce cas on prévpit une deuxième chambre de combustion, qui peut être du type à volute, pour brûler du poussier de charbon. Une vanne régulatrice est prévue pour diri- ger une partie variable du gaz depuis l'entrée vers l'échangeur de chaleur aboutissant à la première chambre.de combustion et fournit cette partie du gaz à la deuxième chambre de combustion.
Le régulateur de l'alimentation en combustible est relié à la vanne régulatrice afin que le débit du combus- tible pulvérisé varie avec le débit de l'air fourni à la deuxième chambre de combustion. La première chambre de combustion, combinée avec l'échangeur de chaleur correspondant, peut être constituée de l'une des manières décri- tes plus haut. La deuxième chambre de combustion peut être combinée avec la première dans la même boîte, celle-ci pouvant contenir également la van- ne régulatrice. De la chaleur''peut être transférée depuis'les produits de combustion chauds sortant de la deuxième chambre de combustion au gaz admis dans la première chambre de combustion.
Ainsi les deux chambres de combus- tion peuvent débiter toutes les deux dans un passage de sortie commun qui peut être un échange de chaleur continu avec le passage d'entrée de la pre- mière chambre de combustion ou qui peut servir avec ce passage pour former une partie d'un échangeur de chaleur rotatif à régénération pour chacun des modes de réalisation décrits plus haut.