<Desc/Clms Page number 1>
Z. de GALOCSY résidant a BRUXELLES.
PROCEDE ET APPAREIL POUR LA PRODUCTION DE VAPEUR.
La production courante de la vapeur se base sur le fait, que le liquide à évaporer est conduit le long de surfaces chauffées; les bulles de vapeur produites sont séparées dans une chambre séparée où elles ne peuvent pas prendre contact avec le liquide en agitation. Ensuite la vapeur est sur- chauffée dans une autre chambrel'hhmidité entraînée est ainsi évaporée On emploie des surfaces chauffantes pour le chauffage.
Comme la chaleur spé- cifique des gaz est beaucoup plus petite que celle des liquides, une très grande étendue de surfaces chauffantes est nécessaire, pour apporter aux li- quides, dans un échange de chaleur indirect,la grande quantité de chaleur nécessaire à l'évaporation-
On a parfois proposé d'employer au lieu de combustibles gazeux, des combustibles solides ou liquides, ayant une enthalpie plus grande, sans éliminer toutefois 1* échange de chaleur indirecto Le désavantage fondamental de tout transfert de chaleur indirect est que des bulles de vapeur se forment continuellement sur la surface chauffante; celles-ci diminuent sensiblement le transfert de la chaleur sur le liquide non évaporé.
Même quand le courant est très rapide., et que ces bulles sont continuellement arrachées, il s'en forme de nouvellesoLe liquide ne s'évapore pratiquement que dans les régions limitrophes des surfaces chauffantes.Ainsi la capacité des installations connues pour la production de la vapeur est très petite, en comparaison à leur grandeur.
Or c'est ici que l'ircention apporte le changement. Tournant le dos à tous les procédés connus, le procédé d'invention porte le liquide à éva- porer dans un contact direct avec le véhicule de chaleur convenable. Il est essentiel pour la réalisation de cette idée, qu'un mélange intime se fasse
<Desc/Clms Page number 2>
entre les particules de liquide, de vapeur et de véhicule de chaleur. Puis- que le transfert de chaleur se fait pratiquement de surface en surface, il faut obtenir un maximum de surface par rapport au volume des particules de liquide ou de véhicules de chaleur. Selon l'invention on y arrive en intro- duisant par un pulvérisateur le liquide à évaporer dans le courant continu du porteur de chaleur, de très petite taille et chauffé à une température très élevée. Le liquide quitte la chambre d'évaporation sous forme de va- peur.
On peut employer comme véhicule de chaleur tout solide convenable, à petit grain, fluidisé, ou occasionnellement fondu, de préférence en circula- tion, après avoir été de nouveau réchauffé à la température voulue. Le liqui- de à évaporer et le véhicule de chaleur devraient, de préférence être con- duits à contre-courant, et leurs températures d'entrée ainsi que leurs quan- tités, être réglées séparément.
Comme véhicule de chaleur on peut envisager outre les métaux et leurs alliages, la plupart des matériaux céramiques ou, pour des températu- res d'entrée et/ou de surchauffage beaucoup moins élevées, p.ex. le graphite.
En général, on choisira des matières inertes, qui ne donneront pas de réac- tion avec le liquide à évaporer. Occasionnellement, p.ex. à l'évaporation d'eau dure, on emploiera des véhicules de chaleur adoucissant l'eau, ou on en ajoutera au véhicule. Si le produit final est p.ex. le gaz à l'eau, et non la vapeur, on peut l'obtenir en employant un véhicule de chaleur conte- nant du carbone et chauffé à une température très élevée.
Comme il a été mentionné ci-dessus, il est préférable d'utiliser comme porteur de chaleur un solide fluidisé ou fondu; ce dernier doit être réparti uniformément dans la chambre d'évaporation. Des solides fluidisés sont des solides, ayant une grandeur de taille de 0,1 - 2 mm, qui se compor- tent dans leurs mouvements d'une manière semblable à ceux des liquides. La proportion entre surface et volume atteint à cet ordre de grandeurs un op- timum pour le transfert de la chaleur. La conductibilité de chaleur du véhi- cule de chaleur ne joue plus un rôle aussi important, et l'on peut employer aussi bien des métaux que des matériaux céramiques, et autres mauvais con- ducteurs de chaleur.
On emploiera pour l'introduction du liquide à évaporer dans le courant continu des porteurs de chaleur, des injecteurs vaporisateurs, répar- tis sur la circonférence de la chambre d'évaporation, et chacun de ceux-ci muni d'un interrupteur. Par le branchement ou l'interruption des injecteurs on règle grosso mode la quantité du liquide introduit, tandis que le régla- ge de précision se fait par un changement de pression du liquide. Les gout- tes minuscules rencontrent sur leur chemin tant de particules de véhicule de chaleur, que l'évaporation est instantanée. La vapeur produite monte dans le courant du porteur de chaleur et rencontre ainsi des particules de plus en plus chaudes, et sera par conséquent surchauffé au degré voulu, selon les proportions choisies.
On peut utiliser pour le préchauffement des porteurs de chaleur n'importe quel chauffage direct, résultant de la combustion de gaz d'huile, ou de poussier. Lors de l'emploi de poussoier comme combustible, et d'un so- lide quelconque comme porteur de chaleur, il faut séparer ce dernier de la cendre, avant quelle puisse être introduite dans la chambre d'évaporation.
Il est à conseiller dans ce cas, de travailler avec un véhicule de chaleur fondu. En général, la température de fusion du véhicule de chaleur sera plus élevée que la température de fusion de la cendre, et celle-ci servira aussi de porteur de chaleur. Si la température du porteur de chaleur ne dépasse pas la température de fusion du laitier, la cendre sera occludée par le por- teur de chaleur en fusion, et ne pourra pas apporter des impuretés dans la vapeur.
Par n'importe quel moyen de combustion on peut, sans difficulté
<Desc/Clms Page number 3>
arriver à une température d'entrée d'environ 1500 C, ou plus, et une tempé- rature de sortie de la vapeur à peine légèrement inférieure. Occasionnelle- ment, on peut employer pour le préchauffement des porteurs de chaleur, le gaz chaud de soufflerie des gazogènes à gaz à l'eau. Ce gaz sera brûlé dans la chambre de préchauffement.Si les véhicules de chaleur sont à l'état fon- du, il faut prendre soin de façon convenable, à ce que les gouttes de véhi- cules de chaleur soient refroidies par les particules de vapeur montantes, au-dessous de la température de fusion, avant de rencontrer les gouttes de liquide.
Le grand avantage, résultant de l'emploi de porteurs de chaleur flui- disés ou fondus, surtout si les grains sont relativement grands, c'est l'in- troduction des porteurs de chaleur sans perte de pression, ni fuite de gaz, ni corrosion.Il arrive souvent dans l'industrie, que des grandes quantités de chaleur fatiguée sont disponibles, seulement à une température relative- ment basse, p.ex. à 300 - 500 C.
Des gaz de cette espèce ne peuvent être em- ployés de nos jours dans les chaudières de chaleur fatiguée pour la produc- tion de vapeur, puisque la limite de l'exploitation économique se trouve à environ 500 C. Par contre, par le procédé d'invention on peut préchauffer les porteurs de chaleur avec une chaleur fatiguée de 400 C environ à 350 C poexo et obtenir par conséquent une vapeur surchauffée à 300 C env. et à haute pression. On comprend par chaleur fatiguée aussi les quantités de cha- leur que contiennent les matériaux solides ou fondus. Lors du grillage magné- tique des minerais à petits grains, la température finale du minerais est de 700 C p.ex. On sait, que le minerais grillé doit être soumis à un refroidis- sement brusque à l'exclusion de l'air, pour prévenir une réoxydation.
Selon l'invention, on peut employer ces grains de minerais à la production de va- peur.
Pour des chambres d'évaporation verticales, la gravitation suf- fit en général à l'introduction et à la sortie des véhicules de chaleur. Si la vapeur a une très grande pression, il est à recommander d'introduire les porteurs de chaleur avec une pression convenable; p.ex. moyennant un petit courant partiel de la vapeur elle-même. Il est parfois désirable d'élever celle-ci à une pression supérieure à la pression de la chambre. Les porteurs de chaleur, qui après l'introduction du liquide atteignent presque sa tempé- rature d'entrée, peuvent éventuellement être emportés avec un courant par- tiel du liquide. Pour ce faire, on aménage au pied de la chambre d'évapora- tion un petit marais de liquide.
La chambre elle-même peut se trouver dans une position verticale, horizontale ou oblique ; est de préférence à double paroi.Il est à recommander, d'introduire le liquide à évaporer entre les deux parois et de contrebalancer ainsi la grande pression s'exerçant sur la paroi intérieure, du côté de la chambre d'évaporation. Pour soutenir da- vantage la paroi intérieure, on peut placer entre les deux parois des étais, qui pourront servir en même temps comme surfaces guidantes pour le liquide.
Ils pourraient p.ex. prendre la forme de surfaces hélicoïdales.
L'invention ne se limite pas à la seule évaporation d'eau, ni à la seule production de vapeur d'un liquide quelconque. Elle se prête p.ex. d'une façon excellente au reforming des hydrocarbures lourds, qui, à l'état gazeux, se décomposentà certaines températures, en hydrocarbures plus lé- gers, surtout en la présence de vapeur d'eau et de carbone ou de l'anhydride carbonique. Par suite d'une évaporation instantanée et d'un préchauffement rapide, à la température voulue, c.à.d. à la température précise de la dé- composition, - sans danger d'un surchauffement local ; obtient un bien meilleur rendement dans les produits finaux, et ceci sans la formation de carbone libre,sous forme de coke ou de suie, ce qui était impossible à évi- ter jusqu'ici.
Il est à conseiller, d'utiliser comme porteurs de chaleur des matières accélérant catalytiquement la décomposition des hydrocarbures lourds.
On peut aussi employer profitablement le procédé d'invention à la distilla- tion de composants à une température d'évaporation peu élevée, à partir de solutions ou de mélange de liquides. On citera comme exemple d'une réaction chimique entre le liquide et le porteur de chaleur la production d'hydrogène
<Desc/Clms Page number 4>
de l'eau. Ceci est obtenu selon l'invention, par l'emploi de fer fondu com- me porteur de chaleur direct. Dans la chambre d'évaporation de l'appareil, les gouttes de fer fondu s'oxydent pour former de l'oxyde ferreux-ferrique, en employant l'oxygène de l'eau. Et l'on obtient de l'hydrogène libre.
Un autre avantage essentiel de cette invention est, qu'en géné- ral, dans le cas de l'évaporation de l'eau, tout préchauffement et toute préparation de l'eau peuvent être évités. Si l'on introduit le liquide à évaporer à la température atmosphérique, le porteur de chaleur quittera la chambre à une température très peu supérieure à la température atmosphéri- que. Lors du préchauffement des véhicules de chaleur dans un contre-courant de gaz de combustion, on peut exploiter leur. enthalpie jusqu'au point de saturation de ces gaz, voire jusqu'à arriver au-dessous du point de satura- tion. Une telle exploitation de gaz de combustible n'était possible dans les chaudières connues, qu'au moyen d'économisers et de préchauffeurs d'air très coûteux.
Lors de l'évaporation d'eau dure il se forme du calcaire, qui se dépose sur les surfaces chauffantes de la chaudière et réduit ainsi considé- rablement le transfert indirect de chaleur. Comme,dans le procédé d'inven- tion, tout chauffage indirect est éliminé, une déposition de calcaire sur les parois de la chambre d'évaporation est sans aucun danger. Elle est au contraire à désirer jusqu'à un certain point, pour éviter que les particules de calcaire formées, soient entraînés dans le conduit et dans la machine ou turbine à vapeur. On peut obtenir le dépôt du calcaire, selon l'invention, en dirigeant le liquide, lors de son entrée, vers les parois de la chambre.
La vapeur continuera le mouvement. Cette direction peut être obtenue p.ex. par une inclinaison voulue des injecteurs vaporisateurs. Evaporation plus surchauffement, donc l'échange complète de la chaleur, se déroulent suivant l'invention, en quelques secondes. Il est donc plus pratique de parler au lieu d'un rendement de 100 t/h, d'un rendement de 28 kg/sec. Pour une pres- sion de vapeur de 50 at et un surchauffement à 1000 C, l'enthalpie de la vapeur sera 1000 kcal/kg environ, donc pour 28 kg/sec elle sera 28.000 kcal environ. Supposé, que le porteur de chaleur est introduit à 1500 C, avec une enthalpie de 500 kcal, la quantité de porteur de chaleur à introduire dans la chaudière sera 56 kg/sec.
Soit sa période de séjour dans la chaudière supposée à cinq secondes, la quantité de porteur de chaleur dans la chaudiè- re est continuellement 56 x 5 = 280 kg; c.à.d. pour un diamètre de 1 mm, quelques dix millions de grains. Si on suppose que la période complète (pré- chauffement, production de vapeur, décharge, tamisage, élévation) est 30 se- condes, il faut tourner en tout 30 x 56 = 1700 kg de porteurs de chaleur.
Donc calculé pour un rendement par heures, 1700 kg de porteurs de chaleur seu- lement par 100. 000 kg/h de vapeur, c.à.d. 1,7 %. Cette quantité minime mon- tre de la meilleure façon les avantages extraordinaires de l'invention, et laisse très bien voir que même les matériaux les plus coûteux peuvent être employés comme porteurs de chaleur. Si l'on suppose le maximum d'un pour cent d'usure par abrasion, on doit remplacer 17 kg de porteurs de chaleur par heure, donc 0,17 kg par tonne de vapeur produite.
Jusqu'ici c'était le privilège des turbines à gaz de travailler à des températures de 700-750 C, puisque les surchauffeurs de vapeur connus, n'arrivent qu'à une température de 500-550 C, La nouvelle chaudière permet de mettre la turbine à vapeur au même rang que la turbine à gaz. La quantité de chaleur requise par kw peut donc être considérablement réduite. Encore plus grands sont les avantages pour la machine à vapeur. Ici l'on peut aug- menter le surchauffement même à 1500 C. Comme on peut avec le même principe surchauffer la vapeur quittant la partie de haute pression, à une tempéra- ture quelconque, le rendement thermique de la machine à vapeur sera doublé facilement. Il sera donc possible de réduire à 1500 kcal ou moins la chaleur nécessaire par kwh.
<Desc/Clms Page number 5>
Le dessin montre schématiquement un appareil capable d'exécuter le procédé d'invention.
L'appareil pour la production de vapeur est en principe un cylin- dre fermé 1, avec une paroi extérieure 2, laquelle est liée avec la paroi du cylindre 1 par des étais non dessinés. Le cylindre peut aussi avoir une po- sition horizontale ou oblique, il peut être fixe ou rotatif. Du côté frontal en haut du cylindre 1, il y a une écluse d'entrée 3 et un appareil 4, répar- tissant les véhicules de chaleur. Les véhicules de chaleur quittent l'appa- reil par l'écluse 5 du côté frontal en bas du cylindre 1, d'où l'élévateur 6 les dirige vers la chambre de préchauffement 7, au-dessus de l'écluse 3. Ici les porteurs de chaleur seront préchauffés à la température voulue, par les gaz de combustion introduits par 8, de préférence dans un contre-courant, dirigés aérodynamiquement.
Le gaz, refroidi, presque jusqu'à son point de sa- turation, quitte la chambre par 9 et s'en va par la cheminée.
On emploie pour l'introduction du liquide à évaporer dans le cy- lindre 1, une conduite 11, pourvue d'une valve d'étranglement 10. La condui- te débouche dans l'espace 12, entre le cylindre 1 et la paroi extérieure 2.
Plusieurs pulvérisateurs 13, répartis uniformément autour de la partie infé- rieure du cylindre 1 et qui peuvent être mis en marche séparément, forment la communication entre l'espace 12 et l'intérieur du cylindre 14. Les con- duites de sortie de la vapeur produite 15, traversent l'espace 12 dans des tuyaux 16, qui communiquent d'une part avec la chambre d'évaporation 14 et d'autre part avec la conduite principale de valeur 17. Ils contiennent les valves d'étranglement 18. Une fermeture 19, dans l'écluse 3, est forcément couplée avec la valve d'étranglement 10, ainsi qu'avec la conduite d'entrée du gaz de combustion à la chambre 7. La circulation des porteurs de chaleur entre la chambre d'évaporation 14 et la chambre de préchauffement 7 peut ê- tre entretenue par des moyens mécaniques et/ou hydrauliques.
L'appareil ré- partisseur 4, selon les conditions particulières, peut être conçu sous forme de simple passoir ou comme un appareil mécanique ou hydraulique respective- ment. En tout cas, l'appareillage pour la production de la vapeur doit être adapté complètement aux besoins de chaque cas particulier. On notera surtout la possibilité d'appliquer dans la chambre d'évaporation 14, des surfaces directrices et/ou de refoulement, qui servent au ralentissement de la chute libre des porteurs de chaleur et de la vapeur montante respectivement.
Suivant le réglage des valves d'étranglement 18, dans les tuyaux 16, l'on peut obtenir la vapeur produite à différentes hauteurs de la cham- bre d'évaporation 14, ainsi la température finale de la vapeur sera définie; elle sera plus élevée aux tuyaux situés plus haut qu'aux tuyaux situés plus bas. Mais on peut, selon l'invention obtenir dans la même chaudière une va- peur surchauffée à différents degrés, p.ex. une vapeur saturante à un endroit bas, et une vapeur surchauffée à 1000 au tuyau situé le plus haut. On peut appliquer dans l'élévateur 6 un séparateur de poussière, qui enlèvera des porteurs de chaleur, la poussière produite par abrasion. Les porteurs de cha- leur doivent garder un certain poids minimum, pour ne pas être emportés dans la conduite 17 avec le courant de vapeur.
Pour plus de sécurité on peut con- struire un autre séparateur à l'intérieur de la conduite 17.
Occasionnellement, on peut alimenter plusieurs chambres d'évapo- ration 14 indépendantes, avec les porteurs de chaleur venant d'une seule chambre de préchauffement 7. Les chambres d'évaporation et de préchauffement peuvent être séparées dans l'espace, mais avoir des conduites de communica- tion bien isolées. L'on peut aussi construire une chaudière et plusieurs préchauffeurs. Cette dernière méthode sera envisagée surtout dans le cas d'une très grande capacité de la chaudière, p.ex. 200 t/h. Dans des condi- tions pareilles une seule chambre de préchauffement serait probablement trop grande.
Dans certains cas il est à conseiller d'instituer un bunker intermédiaire bien isolé, entre le préchauffeur et la chaudière, pour une
<Desc/Clms Page number 6>
réserve de porteurs de chaleur préchauffés, qui lors d'une augmentation brusque de la production de vapeur est en mesure de fournir la quantité re- quise de véhicules de chaleur. Comme le cylindre 1 ne sera pas maçonné, en la règle générale, l'appareil d'invention peut être mis en marche pratique- ment endéans de quelques secondes. La mise en marche des chaudières connues, qui demande des heures est complètement éliminée ici. En dehors de cet a- vantage essentiel, l'invention possède, de façon jamais égalée, une faculté d'adaptation à la capacité demandée. Surtout, on peut produire une quantité donnée de vapeur dans un appareil bien plus petit, que jusqu'ici.
Le cylin- dre 1 correspond en grandeur à un cylindre supérieur ou inférieur pour une chaudière habituelle de la même capacité.
Pour les frais additionnels de la circulation des porteurs de chaleur, il y a l'énorme économie des frais de construction et d'entretien des innombrables tuyaux d'eau, de la maçonnerie, des préchauffeur d'air et d'eau d'alimentation, et du surchauffeur, des chaudières habituelles.