Brevet FR2004164A1 — publié le 19691121

La présente invention concerne une chaudière pour moteur à vapeur. Les moteurs à vapeur exécutant un mouvement de va-et-vient présentent aujourd'hui un intérêt nouveau dans des applications variées parce que certaines de leurs caractéristiques prennent aujourd'hui une importance nouvelle. Par exemple, le fonctionnement sans pollution de l'air ambiant, des moteurs à-vapeur, fait contraste avec les problèmes que posent les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, qu'il s'agisse des moteurs à essence ou de moteurs Diesel. C'est une caractéristique à laquelle on accorde maintenant beaucoup d'importance. En outre, différents progrès techniques ont donné la possibilité d'amener le rendement du fonctionnement des moteurs à vapeur à se rapprocher du rendement des moteurs à combustion interne beaucoup plus que cela n'était possible il y a quelques années.Ces progrès comprennent le développement de matériaux nouveaux et de techniques nouvelles pour la fabrication de moteurs à vapeur, des sources de chaleur nouvelles, des parties constituantes auxiliaires de moteur perfectionnées et même des éléments aussi communs que la chaudière pour le moteur à vapeur. La présente invention concerne principalement ce dernier point, c'est-à-dire la chaudière pour le moteur à vapeur. Les moteurs à vapeur du type auquel s'applique la chaudière de la présente invention comprennent ceux qui sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique Nc 3.279.326 et NO 3.361.036. En outre, la chaudière suivant la présente invention trouve une utilisation dans les moteurs à vapeur du type décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N 713.984 du 18 tzars 1968 déposée par HARVEY et DCYIE. Toutefois, la présente invention a son utilité la plus grande dans les cas où il est fait usage d'une vapeur ou d'un fluide de travail qui peut être décomposé sous l'action de la chaleur. 3' une manière génrnle, le problème se concentre autour de l'uti- lisation de fluides organiques. Bien que beaucoup de tels fluides aient des caractéristiques thermodynamiques qui les rendent parti culièrement précieux dans les moteurs à vapeur, un excès de chaleur relut produire un craquas de ces fluides ayant pour résultant une cokéfaction qui aboutit en définitive à la destruction de la chaudière.Même quand on emploie des fluides plus classiques, tels que l'eau et le mercure, on peut rencontrer dans la chaudière des points chauds qui peuvent être dus à llune de plusieurs raisons telles que paroi mince du récipient à fluide de la chaudière ou concentration localisée de chaleur sur une zone particulière du récipient. Naturellement, de tels points chauds peuvent aboutir aussi à une destruction prématurée de la chaudière. En conséquence, l'objet principal de la présente invention est de perfectionner des chaudières pour moteurs à vapeur. D'autres objets de l'invention sont les suivants - donner la possibilité d'utiliser dans des moteurs à vapeur une gamme étendue de fluides de travail - rendre applicable l'utilisation de fluides organiques et d'autres fluides qui étaient considérés auparavant comme ne pouvant être utilisés en raison de leur tendance à se décomposer sous l'action de la chaleur. D'une manière générale, la présente invention est basée sur vidée de prévoir entre la source de chaleur et le récipient de fluide de travail dans une chaudière un tampon ayant un double rôle. Dans une chaudière spécifique, le fluide de travail est contenu dans un tube enroulé en serpentin. Un second tube concentrique au premier est enroulé d'une manière analogue et il est séparé du premier tube sur toute l'étendue de sa longueur afin que soit fournie autour du premier tube une chemise continue.La chemise contient de préférence de l'eau dans un système fermé. tes deux tubes peuvent être maintenus uniformément séparés par l'interposition d'un agent d'entretoisement tel gu'un fil métallique enroulé hélicoldalement. La chaleur nécessaire pour le fonctionnement de la chaudière peut etre fournie par la combustion d'un combustible qui peut être choisi dans une grande variété de combustibles. Dans une partie de la chaudière, les produits de la combustion sont reçus directement sur le tuyau extérieur ou chemise d'eau.Dans un second starie du fonctionnement de la chaudière, des gaz chauds sont projetés sur la meme chemise d'eau. Je fluide de travail dans la chaudière est, ainsi qu'on l'a fait remarquer, contenu à ltin- térieur du tuyau intérieur enroulé en serpentin et il n'est jamais expose directement à la chaleur provenant de la combustion du fluide. On peut obtenir com odément le fonctionnement de la chaudière an incorporant dans le système d'eau fermé un détecteur de pression Le détecteur peut, à son tour, commander l'écoulement du fluide vers la source de chaleur pour la chaudière. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif mais nullerient limitatif une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ces dessins - la figure 1 est une vue en élévation, partie schématique et partie en coupe, d'une chaudière suivant l'invention et ds parties constituantes qui lui sont associées pour 1 fonctionne- ment d'un moteur à vapeur - la figure 2 est une vue fragmentaire, avec coupe partielle, d'une partie de la tuyauterie concentrique de la chaudière - la figure 3 est une vue en coupe de la chaudière de la figure 1. Un mélange de combustible et d'air pour la combustion est introduit de la manière représentée sur la partie inférieure gauche de la figure 1. Le mélange passe à travers une vanne 12 commandée par la pression et un tuyau de raccordement 14 qui l'amène à un brûleur 15. Le brûleur 15 peut être classique ou il peut être analogue à ceux qui sont décrits dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique IX 594.74 du 29 Décembre 1967 déposée par Pierre J. BROSENS et Dov Z. GLUCE -Q5. On trouvera ci-dessous d'autres détails sur une forme préférée du brûleur 15. quel que soit le type de brûleur, il fournit de la chaleur qui est rayonnée vers la paroi extérieure d'un tube 18 disposé en hélice autour du brûleur 15 et au-dessus de ce dernier. On prévoit, à l'intérieur du tube 18 et concentriquement à ce dernier, un tube 16 plus petit. Entre ces deux tubes, on maintient un espacement uniforme au moyen d'une entretoise hélicoïdale 30, ainsi qu'on peut le voir mieux sur la figure 2. Bien que l'on puisse se servir d'éléments d'entretoisement autres que le fil métallique 20, enroulé hélicoïdalement, pour fournir le degré désiré d'espacement uniforme entre les éléments tubulaires, on donne la pref- rence au fil métallique hélicoïdal 20 parce qu'il fournit un moyen commode, fabriqué d'une manière relativement facile pour établir et pour maintenir l'espacement. Les serpentins de tubes concentriques 16 et 18 sont entourés par un récipient qui comprend de préférence une couche cylindrique d'isolement 22 qui est maintenue entre des enveloppes concentriques 24 et 26. On prévoit à la partie supérieure du récipient une ouverture qui est destinée à recevoir une sortie d'échappement 28. Des ouvertures supplémentaires sont prévues, à la partie inférieure du récipient, pour recevoir le tube de raccordement 14 et, dans les parois latérales, pour permettre le passage des extrémités des tubes 16 et 18, enroulés concentriquement. te tuyau extérieur 18 constitue une partie d'un système fermé qui comprend un raccord en té 30 ; à ce raccord, de l'eau pénètre dans le serpentin formé par le tube extérieur 18. La sôr- tie pour l'eau venant du tube extérieur 18 se trouve à un second raccord 32 d'où 11 eau passe vers un réservoir ou chambre d'expansion 34. Venant de la chambre d'expansion 34, l'eau passe à travers un tuyau 36 et revient ainsi au raccord 30, le circuit de l'eau se trouvant ainsi fermé. Il est prévu, en communication avec la chambre d'expansion 34 au moyen d'un tube 38, un élément 40 sensible à la pression, qui commande le fonctionnement de la vanne 12. Il existe pour la commande de la vanne en réponse à la pression différents dispositifs que lton peut se procurer dans'le commerce.Le dispositif utilisé dans la présente invention peut être l'un quelconque de plusieurs dispositifs tels que ceux qui sont fabriqués par la Société dite ROBERTSHAW CONTROLS Co. Pour des raisons de commodité, on peut incorporer, si on le désire, un manomètre 42 au système pour qu'il soit possible de contrôler la pression. te tube intérieur 16 peut constituer, lui aussi, une partie d'un système fermé. Un tel système est décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 713.643 du 18 Mars 1968 déposée par COv3AU, Robert J. IIARVEY et Thomas C. ROBINSON. Les détails des tuyauteries concentriques et de leur entretoisement sont représentés plus clairement sur la figure 2. Le tuyau intérieur 16 ou tuyau pour le fluide de travail est de préférence en un acier à faible teneur en carbone ou en un acier faiblement allié et son diamètre est égal à la moitié environ du tuyau concentrique extérieur 18. te tuyau extérieur 18 est lui aussi de préférence en un acier à faible teneur en carbone ou en un acier faiblement allié et son diamètre peut avoir une valeur comprise entre 16 mm et 25 mm ou plus. te fil métallique 20 d'entretoisement peut être lui aussi en un acier à faible teneur en carbone et il a de préfrence un diamètre tel qu'il glisse facilement entre la surface externe du tuyau intérieur 16 et la surface interne du tuyau extérieur 18.On peut enrouler le fil d'entretoisement 20 autour du tuyau 1s et faire glisser l'ensemble du tuyau 16 et du fil 20 dans le tuyau 18 avant de procéder à l'enroulement du serpentin. L'enroulement du serpentin peut être exécuté ensuite d'une manière classique et le serpentin peut alors être assemblé avec les autres parties constituantes de la chaudière. La figure 3 est une vue de certains détails de la chaudière et du brûleur. te tube d'entrée 14 du combustible est soudé ou scellé d'une autre manière étanche par l'intermédiaire d'une bride 44. Cette bride peut autre soudée à une plaque de base 46 qui forme la partie inférieure du récipient de la chaudière. Les enveloppes 24 et 26 qui entourent une couche de matière isolante 22 sont formées par deux manchons qui sont soudés ou brasés avec ia plaque de base 46. La sortie d'échappement 28 se termine par une bride 58 s'étendant vers l'extérieur, qui forme le dessus du récipient. Ces éléments (autres que la Couche isolante 22) peuvent être en t*le d'acier ou en un autre matériau approprié.On peut se servir, pour former la couche 22, de n'importe lequel de plusieurs matériaux isolants que l'on peut se procurer dans le commerce. tes tubes concentriques 16 et 18 péntrent dans le récipient à travers une ouverture appropriée, comme il est indiqué à la partie inférieure droite du dessin et ils sont enroulés en une hélice continue pour sortir de la manière indiquée à la partie supérieure galoche du dessin. L l'intérieur du serpentin hélicoïdal et au voisinage du fond du récipient, est disposé le brûleur 15 qui comprend un élément de combustion cylindrique 48.L'élément de combustion 48 peut etre constitué par un treillis métallique où il peut autre, si on le désire, en une matière céramique poreuse ou en une autre matière approprìée. Si l'on se sert d'un combustible gazeux, la eombustion s'effectue normalement sur la surface externe de l'-lément 48, de la manière indiquée sur le dessin. D'un autre coté, quand on se sert de combustibles liquides, la combustion s'effectue de préférence à l'intérieur de l'élément cylindrique 48.Une chicane 5 > , ayant un bord supérieur recourbe sur l'élément cylindrique (cette chicane étant suspendue eentralement sous la forme d'un cône qui pénètre à l'intérieur de l'élément 48 et vers le fond de cet élément) sert à dirioer le mélange combustible le long de la surface intérieure de l'élément 48 afin que soit évitée une turbulence qui n'est pas nécessaire et que la combustion soit concentrée à la périphérie de l'élément 48. En outre, on prévoit une seconde étape d'échange de chaleur du fait qu'il est prévu un organe 52 de formation de jets qui se trouve à l'intérieur de la partie supérieure du récipient. L'organe 52 se présente sous la forme d'une cuvette renversée, en tôle, dont le fond est orienté latéralement vers l'extérieur jusqu'à; rencontrer la surface interne de l'enveloppe intérieure 24. Plusieurs ouvertures 54 sont prévues dans les paroi latérales de l'organe de production de jets pour que les gaz chauds, s'levant de la partie inférieure de la chaudière, viennent frapper sous la forme de jets la surface du tube extérieur 18.L'action des jets est expliquée d'une manière détaillée dans le brevet des Ltats- Unis d'kmêrique i 3.416.011 ; cette action consiste à enlever les couches stagnantes de gaz qui gênent le bon échange de chaleur. Dans certains cas, il peut être souhaitable de prévoir des ouvcrtures de même type à travers l'élément 48, de manière que les produits de la combustion viennent frapper de manière analogue, sous forme de jets, les surfaces du tube adjacentes à l'élément inférieur 48. On comprendra mieux differentes caractéristiques de l'invention en se repérant à la figure -1. Po-r commencer, le tuyau intérieur 16 fonctionne d'une manière classique et il sert à remplir la fonction usuelle de disositifs coararables dans des moteurs à vapeur en ce sens qu'il amène le fluide de travail sous la forme d'un liquide à la chaudière et l'emmène le la chaudière, sous pression, sous la forme d'une vapeur pour l'amener au moteur. Toutefois, le système fermé qui comprend le tube extérieur 18 ést rempli d'eau ou d'un autre fluide tampon approprié qui ne se décompose pas à la température de fonctionnement de la chaudière. son seulement le fluide tampon sert à protéger le fluide de travail des effets nocifs d'une chaleur exagérée mais encore il a un autre rôle. Quand la température revient exa, rée la pression du fluide tampon augmente d'un bout à l'autre du système fermé qui comprend le tube extérieur concentrndrue 18, la chambre d'expansion 34 et le détecteur de pression 3O. Quand la pression augmente, le détecteur 4G actionne la vanne 12 pour réduire l'écoulement du mélange combustible à travers cette vanne jusqu'au brûleur 15. En raison de la diminution de l'écoulement du mélange combustible, la chaleur engendrée est moindre et la pression s'abaisse jusqu'à un point où la vanne est remise en position pour maintenir la consommation de combustible désirée et la production de chaleur désirée. Naturellement, il est possible de régler le générateur 40 sur une certaine gamme de valeurs afin de permettre que soit fournie la quantité de chaleur désirée. La seconde fonction du fluide tampon et peut-être sa fonction la plus importante, est de permettre l'utilisation dans un moteur à vapeur dlune gamme étendue de fluides de travail comprenant des fluides organiques et d'autres fluides pouvant être décomposés par la chaleur. Du fait que le fluide se trouvant dans le tube extérieur 18 impose une limite à la température pouvant tre atteinte par le tube concentrique intérieur, le fluide de travail ntest jamais exposé à des températures exagérées.En conséquence, les problèmes qui se posent en tant que résultat au craquage de fluides organique s avec la cokéfaction correspondante de la chaudière se trouvent supprimés. Ainsi donc, le stade tampon fourni par le tube concentrique 18 compense les points chauds qui, autrement, pourraient être nuisibles pour le fonctionnement de la chaudière ou même contribuer à la destruction de cette dernière. Dans certains cas, il peut être souhaitable de donner à la chemise de fluide tampon une forme autre que celle qui est représentée pour la réalisation préférée de l'invention. En outre et naturellement, il n'est pas essentiel dans la mise en pratique de l'invention que le fluide tampon soit de l'eau. La caractéristique éssentielle du fluide tampon est de n'être pas décomposable à la température de fonctionnement de la chaudière, température qui naturellement peut varier, en particulier avec le type de fluide de travail ou de vapeur qui est utilisé. Il va de soi que la présente invention a été décrite cidessus à titre explicatif mais nullement limitatif et que l'on pourra y apporter toutes variantes conformes à son esprit sans sortir de son cadre. Légende des dessins Figure 1 A = Echappement " B = Vapeur vers le moteur " C = Eau " D = Entrée de l'air et du combustible Figure 2 A - Echappement " D = Entrée de l'air et du combustible. REVE > w+DIC* DIONS 1. Chaudière pour un moteur à vapeur ayant une source de chaleur et un récipient de fluide de travail, caractérisée en ce qu'telle comprend une chemise prévue autour du récipient et dispo- sée au contact de la source de chaleur et un fluide tampon qui. se décompose seulement à des températures supérieures à la température de fonctionnement de la chaudière et qui est contenu à l'intérieur de la chemise. 2. Chaudière suivant la Revendication 1, caractérisée en ce que le récipient et la chemise comprennent un premier et un second tubes, ces tubes étant concentriques et convenablement espacés. 3. Chaudière suivant la Revendication 1, caractérisée en ce quelle comprend un détecteur de pression incorporé à ladite chemise dans un système fermé. Chaudière suivant la Revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend une entrée de combustible et une vanne, pour commander ltécoulement de combustible à partir de l'entrée vers la source de chaleur, cette vann-;; étant actionnée par le détecteur de pression. 5. Chaudière suivant la Revudication 2, caractérisée en ce que lesdits tubes concentriques sont enroulés sous forme d'hélices, essentiellement autour de la source de chaleur. 6. Chaudière suivant la Revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend une entrée de combustible, une vanne disposée entre l'entrée de co-mbustible et la source de chaleur, et un détecteur sensible à la pression du fluide dans le second tuyau concentrique, la vanne étant sensible au détecteur de pression et actionnée par ce dernier pour commander l'écoulement de fluide de l'entrée à la source de chaleur. 7. Chaudière suivant la Revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre d'ernansion incorporée au détecteur de pression et au second tube concentrique dans un système fermé. 8. Chaudière suivant la Revendication 1, caractériséeen ce qu'elle comprend une chicane pour la production de jets qui est disposée entre la source de chaleur et la chemise, de sorte que les gaz chauds provenant de la source de chaleur sont dirigés sous la forme de jets pour venir heurter la chemise. 9. Chaudière suivant la R.evendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un fil métallique enroulé en hélice, disposé entre le premier tube concentrique et le second pour maintenir entre eux un écartement uniforme. 10. Chaudière suivant la Revenlication 1, caractérisée en ce que la source de chaleur comprend un organe de combustion qui est disposé au voisinage immédiat d'une partie au moins de la chemise et en relation d'échange de chaleur avec ladite partie.