Procédé pour la vaporisation instantanée d'eau au moyen d'un combustible solide, et appareil pour la mise en #uvre de ce procédé. Dans les chaudières à vaporisation ins tantanée d'eau actuellement connues, on règle, selon la demande en vapeur, les quantités d'eau et de combustible fournies à la chau dière. Ce réglage du combustible postule que ce dernier soit fluide et exclut l'emploi d'un combustible solide.
La présente invention permet cet emploi; elle comprend un procédé de vaporisation instantanée d'eau, au moyen d'un combustible solide, et un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce procédé est caractérisé en ce que, dans un foyer, on présente le com bustible sous la forme d'au moins un talus d'éboulement, en ce qu'on fait brûler ce com bustible, au moins en majeure partie, en ba layant la surface dudit talus par de l'air,
en ce qu'on fait passer les gaz de combustion d'abord dans une chambre de combustion calo rifugée et d'un volume suffisant pour donner à ces gaz le temps d'y parachever leurs ré actions de combustion, puis ensuite nu contact d'un réseau de tubes alimenté en eau à vapo- riser. et en ce qu'on règle simultanément le débit de cette eau et le débit de l'air de com bustion, selon le débit de vapeur désiré.
L'expérience montre que, dans ces condi tions, l'intensité de .la combustion suit d'une manière fidèle et immédiate les variations du débit de l'air de combustion, et ceci avec un rapport de carburation peu variable; en con séquence, le réglage de l'air seul produit un réglage à obéissance immédiate du débit de la chaleur produite et, corrélativement, de celui de la vapeur.
Pour obtenir à chaque instant le débit de vapeur désiré, il suffit dès lors d'assurer aux débits de l'air de combustion et de l'eau un certain rapport pratiquement constant, et de régler ces débits liés de l'air de combustion et de l'eau en les faisant varier pratiquement proportionnellement à chaque instant selon la demande en vapeur. Le débit d'eau peut être réglé d'après celui de l'air ou inversement celui de l'air d'après celui de l'eau.
Les deux fluides air et eau peuvent avan tageusement effectuer tout ou partie de leurs trajets. sous forme de nappes disposées en travers des régions où la chaleur tend à s'échapper de l'appareil vers l'extérieur, de manière à la capter et à la réintégrer dans l'appareil. Ces trajets doivent alors être réalisés de manière à ce que lesdits fluides accèdent à des régions de perte de plus en plus chaudes au fur et à mesure que leur propre température augmente par cette récu pération.
Le combustible peut avantageusement être amené au foyer par gravité et réchauffé, donc séché et même plus ou moins prédistillé, avant d'atteindre la zone de feu.
L'appareil pour la mise en oeuvre du pro cédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un foyer, des moyens pour obliger du combustible solide à s'ébouler, dans ce foyer, sous la forme d'au moins un talus d'éboulement, un dispositif d'amenée d'air obligeant ce dernier à balayer la sur face dudit talus, un réseau de tubes alimenté en eau et disposé sur une partie du parcours des gaz de la combustion, une chambre de combustion calorifugée,
disposée entre le talus d'éboulement et le réseau de tubes et d'un volume suffisant pour donner aux gaz venant du talus le temps de parachever leurs réactions de combustion avant qu'ils attei gnent le réseau de tubes, et des moyens pour régler simultanément le débit de l'eau four nie audit réseau et le débit de l'air de com bustion, selon le débit de vapeur désiré.
Les moyens pour régler simultanément le débit de l'eau et le débit de l'air de com bustion peuvent être, par exemple, une pompe à engrenage pour l'eau et un ventilateur de Root pour l'air, .ou une pompe à pistons pour l'eau et un ventilateur de Root pour l'air, ou encore une pompe centrifuge pour l'eau et également une pompe centrifuge pour l'air;
les .débits de ces pompes ou ventilateurs étant déterminés respectivement par les résistances de passage de l'eau dans le réseau de tubes et des gaz dans les conduits qu'ils traversent, en fonction de la vitesse à laquelle on fait tourner ces pompes ou ventilateurs.
La figure unique du dessin annexé repré sente, en coupe verticale, à titre d'exemple et schématiquement, une forme d'exécution de l'appareil que comprend l'invention.
Cet appareil comporte un récipient 1, de forme générale cylindrique, dont l'axe est vertical. Ce récipient peut être garni de cont- bustible en morceaux 2 (bois, coke, houille, tourbe, lignite, etc.) et constitue ainsi un ma gasin à combustible. Il présente à sa partie inférieure une sole 3 de forme tronconique, constituée par un tube enroulé en spirale, à spires jointives, constituant dans son en semble l'une des nappes récupératrices men tionnées ci-dessus. Un passage 4 est laissé libre au centre de cette spirale pour le pas sage du combustible et des cendres. Une chaîne évacuatrice 5 est supportée par un plateau 6 disposé au-dessous du passage 4 et porté par un pilier 7.
La distance entre le plateau 6 (et, par conséquent, le brin supi#- rieur de la chaîne 5) et le passage 4 est ré glable. La chaîne est actionnée par un dis positif non représenté. Grâce au mouvement de la chaîne 5, les cendres formées en regard du passage 4 peuvent descendre au bas dit récipient 1. afin d'être évacuées par l'ouver ture 8.
Dans la région médiane du récipient 1 est disposé un corps de forme générale cylin drique, dont la partie inférieure constitue une chambre de combustion 9, au-dessous de la quelle le combustible forme un talus d'ébou lement 10. Le corps cylindrique est constitué dans sa majeure partie supérieure par deux enveloppes concentriques 11 et 12 en tôle, et dans sa partie inférieure par une garniture 1.3, en matière réfractaire, formant la paroi de la chambre de combustion 9.
Cette garniture 13 présente, dans son épaisseur, des conduits 14, et les matières dont. elle est constituée sont choisies de ma nière à ce que sa moitié cylindrique interne soit plus conductrice de la chaleur que sa moitié cylindrique externe. L'air destiné au balayage du talus d'éboulement 10 est ad- mis au haut du corps cylindrique 11-12 et passe dans l'espace 15 entre les deux enve loppes 11 et 12 pour s'écouler ensuite par les conduits 14; dans cet espace 15, l'air forme une autre des nappes récupératrices précitées.
Les extrémités inférieures des conduits 14 sont dirigées vers le bas et inclinées latérale ment de telle manière que l'air qui en sort balaye le talus d'éboulement 10 dans un mouvement général giratoire. Les gaz de la combustion remontent ensuite à travers la cavité générale que forme le corps cylindri que 12.
D'ans cette cavité générale, et au voisinage de la face interne de l'enveloppe 12, se trouve un tube hélicoïdal 16 constituant une troi sièmedes nappes récupératrices, celle-ci étant discontinue du fait que le pas de ses spires va en augmentant de haut en bas. L'extré mité inférieure du tube 16 communique en 17 avec un réseau de tubes.
Ce réseau est divisé en trois régions re liées en séries; celle inférieure 18, dite de début de vaporisation, reçoit l'eau venant du tube 16; celle supérieure 19, dite de vapori sation, reçoit par un tube 20 l'eau et/ou la vapeur montant de la région 18, et celle intermédiaire 21, dite de surchauffe, reçoit par un tube 22 la vapeur sortant de la région 19. Les tubes de ce réseau sont divisés par dichotomies successives: 2, 4, 8, 16..., offrant ainsi une section de passage croissante au fur et à mesure que l'eau se vaporise, et que la. vapeur se dilate.
(Ces dichotomies n'ont pas été représentées au dessin pour le clari fier.) Les,<B>Y</B> de chaque dichotomie sont très allongés de manière à dévier le moins pos sible le fluide en circulation, en vue de ré duire les pertes de charge. Si nécessaire, le diamètre des tubes peut aller en augmentant entre chaque étage de dichotomies.
La région de surchauffe 21 aboutit à un collecteur de vapeur 23, dont la section est en réalité plus grande que représenté.
Un tube 24, disposé au haut du récipient 1, alimente l'appareil en eau par l'un des moyens indiqués ci-dessus. Ce tube forme un serpentin 25 constituant, lui aussi, une nappe de récupération dans la partie du corps cylindrique qui surmonte le réseau de tubes. Ce serpentin 25 est relié, par un tube 26, à la sole 3, laquelle est reliée, par un tube 27 calorifugé, à une circulation .d'eau 28 prévue à la base de l'enveloppe 11. L'eau ayant fait le tour de cette base est expédiée par un tube <B>9,</B> également calorifugé, au sommet du tube 22 hélicoïdal 16. Les tubes 27 et 29 traversent le magasin à combustible, dans une gaine 30 profilée en hauteur de manière à ne pas entraver la descente du combustible.
Deux autres gaines 31 semblables ,sont placées à 120 autour du corps cylindrique, pour main tenir celui-ci, vers sa partie inférieure, en place dans le récipient 1. Entre le tuyau .24 d'amenée d'eau et le collecteur de vapeur 23, l'eau et/ou la vapeur traversent les diffé rentes parties de l'appareil dans l'ordre sui vant: Le serpentin 25, le tube 26, la sole 3, le tube 27, l'anneau 28, le tube 29, le tube hélicoïdal 16, .la région 18, le tube 20, la région 19, le tube 22, la région 21, pour arri ver au collecteur de vapeur 23.
Le fonctionnement de l'appareil qui vient d'être décrit et qui permet la réalisation du procédé selon l'invention est le suivant: Le combustible 2 en morceaux se trouvant dans le récipient 1 descend par gravité, au fur et à mesure qu'il se consume, dans le foyer 32 et forme le talus d'éboulement l'0. Les cendres passent par le passage 4 sous l'effet des mouvements de la chaine 5 et peu vent être évacuées par l'ouverture 8.
L'air de balayage du talus d'éboulement 10 est insufflé, par le haut de l'appareil, dans l'espace 15 qu'il parcourt en descendant. Cet air pénètre ensuite dans les conduits 14 de la garniture réfractaire 13 suivant les flèches. 33, pour en sortir dans le foyer 32 où il balaye en tourbillonnant la surface du talus 10.
Cet air de balayage, progressivement ré chauffé en traversant l'espace 15, prend, dans :es conduits 14, une température élevée grâce à la chaleur abandonnée par les gaz de com bustion qui remontent à contre-courant, à l'intérieur de la chambre de combustion 9: la chaleur ainsi prélevée est ramenée dans le foyer 32 où elle élève la température de com bustion au bénéfice de la perfection de celle-ci.
L'expérience montre que, dans ces condi- tions, le combustible brûle entièrement en C0, et HO, de sorte que la chaleur dégagée est pratiquement proportionnée à la quantité d'air fournie.
Les gaz de la combustion quittant le foyer 32 remontent à travers la chambre de combustion 9, dont le volume est suffisant pour qu'ils aient le temps d'y parachever leurs réactions de combustion; continuant leur chemin dans le corps cylindrique 12, ils traversent ensuite, et dans l'ordre, la région 18 de début de vaporisation, la région de surchauffe 21, la région de vaporisation 19 et, - enfin, le serpentin 25 de réchauffage d'eau qui achève d'épuiser leur chaleur rési duelle.
L'eau d'alimentation de l'appareil arrive par le tube 24 sous un débit réglé. Elle passe en descendant dans le serpentin 25, puis dans la sole 3, gagne ensuite, par le tube 27, la circulation 28 où elle s'échauffe encore tout en refroidissant la partie de l'enveloppe 11 voisine du talus 10. Ayant remonté par le tube 29, elle passe ensuite en descendant dans le tube hélicoïdal 16 où elle parachève son réchauffage tout en protégeant l'enve loppe 12 contre une surchauffe par les gaz de la combustion.
Le pas -des spires de ce tube va en augmentant de haut en bas; la valeur de cette augmentation est déterminée selon le genre de combustible brûlé dans l'ap. pareil; elle sera d'autant moindre que le pou voir calorifique du combustible sera plus élevé, afin que l'air circulant dans l'espace 15 n'atteigne pas une température excessive.
La longueur du tube 16 est déterminée de manière que l'eau qui le parcourt reste à peu près complètement à l'état d'eau. Cette eau ainsi réchauffée passe en 17 dans le bas du réseau de tubes et monte à travers la région 18 où elle commence à se vaporiser; elle passe ensuite, par le tube 20, au bas de la région 19 qu'elle parcourt en montant, et en se vapo risant en majeure partie. La vapeur humide ainsi produite est, ramenée par le tube 22 au haut de la région 21, qu'elle parcourt en descendant en se séchant, puis en se surchauf fant.
Le fluide parcourant le réseau de tubes augmentant de volume au fur et à mesure qu'il se vaporise, il est nécessaire que le pas sage qui lui est offert aille en augmentant de section. C'est pourquoi il a été précédem ment indiqué que le tube originel au bas de la région 18 se divise ensuite par dichotomies successives. La, vapeur formée arrive finale ment au collecteur 23, schématiquement re présenté avec une section plus faible qu'en réalité.
La vitesse du fluide parcourant le réseau de tubes est partout prévue assez grande pour que l'eau et la vapeur demeu rent mélangées; toutefois, on voit que, dans le trajet suivi par l'eau et par la vapeur, la précaution a été prise que les parties parcou rues en descendant, à savoir<B>le</B> serpentin 25, le tube 26, la. partie descendante du tube 27., le tube hélicoïdal 16, ne soient parcourus que par de l'eau non encore vaporisée ou ne con tenant, vers le bas du tube 16, qu'une très faible portion de vapeur, la vitesse du cou rant suffisant à entraîner cette faible portion avec l'eau.
Les régions 18 et 19, où a proprement lieu la vaporisation, ainsi que le tube 20 qui les relie, sont au contraire parcourus en montant, afin qu'il ne puisse pas s'y former de poches de vapeur provocatrices de coups de feu.
La vaporisation étant pratiquement com plète au sommet de la région 19, il descend dans le tube 22 de la vapeur ne contenant qu'une suspension de gouttelettes d'eau; cette vapeur achève de se sécher et se surchauffe dans la région 21, également parcourue en descendant. Dans le collecteur 23, la vapeur est, non seulement sèche, mais surchauffée.
L'allumage et le réallumage de l'appareil peuvent être avantageusement réalisés au moyen d'une boîte 35 munie d'une grille 36 sur laquelle on a placé du bois 37 plus ou moins menu. Cette boîte étant introduite dans l'ouverture 8, on met la circulation gazeuse de l'appareil sous dépression et l'on ferme l'arrivée d'air à l'espace 15 afin d'obliger l'air comburant à entrer par un orifice 39 de la boîte 35; on allume le bois 37. Le feu se communique par un prolongement au com bustible reposant sur la sole 3; on peut alors retirer la boîte 35, fermer l'ouverture 8 et rétablir l'arrivée d'air normale, par l'espace 15. Simultanément à ces opérations, on met en marche la circulation de l'eau.
Lorsque le feu a pris son régime, la pression monte dans le réseau de tubes. Comme, au début de l'opé ration, de l'eau et non de la vapeur sera éva cuée par le collecteur 23, on dirigera cette eau non pas sur un appareil d'utilisation de vapeur (machine à piston, turbine, ete.), mais on la laissera s'échapper ou on la ramè nera à la pompe d'alimentation à travers un condenseur. On pourra, par exemple, à cet effet, disposer une ou plusieurs soupapes de sûreté (non représentées)
en court-circuit- entre la sortie de vapeur 23 et le condenseur. L'appareil d'utilisation étant mis hors cir cuit, l'eau et la vapeur parcourront un cycle fermé: appareil selon l'invention, soupapes de sûreté, condenseur, pompe d'alimentation et dit appareil. Une fois que ce dernier aura pris son régime de température, on mettra en circuit l'appareil d'utilisation.
La ou les soupapes de sûreté se fermeront automatique ment et ne fonctionneront plus qu7occasion- nellement pour court-circuiter le cycle de va peur au cas où la pression dépasserait la va leur normale de marche. Si l'appareil d'utili sation est à échappement libre, la ou les sou papes de sûreté déboucheront directement à l'air libre.
Le réglage des débits d'eau et d'air de combustion est tel qu'il doit àssurer d'abord un rapport pratiquement constant entre le débit d'eau et le débit d'air, rapport déter miné par les caractéristiques mêmes de chaque appareil considéré, et ensuite une quantité d'eau et d'air correspondant à la demande instantanée en vapeur.
En d'autres termes, les débits d'eau et d'air étant réglés l'un par rapport à l'autre, ces deux débits liés sont, à chaque instant, réglés en fonction de la puissance demandée, c'est-à-dire de là quantité de vapeur prélevée. Dans ce but, on peut utiliser une mem brane manométrique ou un tube métallique en accordéon qui recevra sur une de ses faces la pression prise au voisinage du collec teur 23.
Cette membrane ou ce tube agira sur une commande, par exemple un rhéostat électri que, qui agira à son tour sur la commande d'une transmission à variation progressive de vitesse entraînant simultanément la pompe à air et la pompe à eau, de manière à agir sur leurs débits, sans en changer, pratiquement. le rapport. L'action de cet ensemble de com mandes sera de diminuer les débits dans le cas d'une montée de la pression en 23 et de les augmenter dans le cas d'une baisse de pression. Toutes ces commandes peuvent être d'un type courant quelconque; elles seront agencées de telle manière que leur action s'ar rête dès que la pression au collecteur 23 re prend sa valeur normale, soit en remontant, soit en redescendant.
Comme on le comprend, l'appareil repré senté et décrit est d'un fonctionnement très souple, en ce sens qu'il peut fournir par unité de temps des quantités de vapeur variant dans de grandes limites. Il suffit de comman der le débit de l'air de combustion et le débit de l'eau pour obtenir le débit de vapeur dé siré à la température désirée et sous la pres sion désirée; cette commande peut avanta geusement être automatique.
En raison de sa construction entièrement tubulaire, cet appa reil pourra fournir de la vapeur à très haute pression (par exemple<B>100</B> kg/cm2) et fonc tionner avec une température d'ébullition très élevée (par exemple de l'ordre de .300 C), sans préjudice de la surchauffe de cette va peur, Diverses modifications peuvent être ap portées à l'appareil décrit, notamment en ce qui concerne la forme et la disposition du réseau de tubes, le nombre,
la longueur et la section de ceux-ci, etc. La forme d'exéqu- tion qui a été décrite se rapporte aux appli- cations où l'on dispose d'un grand espace en hauteur, comme c'est le cas dans les centrales thermiques, électriques et autres ou dans les grands navires.
En variante, on pourra prévoir un appa reil comprenant, d'une part, un ventilateur refoulant placé en amont du foyer et alimen tant le dispositif d'amenée d'air et, d'autre part, un ventilateur aspirant placé en aval du foyer, par exemple près de la sortie des gaz de combustion de l'appareil, de manière à aspirer les gaz. Cette disposition a l'avan tage de ne créer ni surpression ni dépression dans le foyer, mais d'y maintenir, au con traire, une pression très voisine de la pres sion ambiante.