Brevet FR2007007A1 — publié le 19700102

i 2007007 La présente invention concerne un générateur autonome de vapeur et plus particulièrement un générateur de vapeur préfabriqué et de forme ramassée dont le rendement thermique est particulièrement élevé. Durant ces dernières années, la taille maximale des générateurs 5 de vapeur préfabriqués s'est accrue bien au-delà des prévisions les plus optimistes des fabricants de chaudières, Par exemple, il y a quinze ans la chaudière préfabriquée la plus grande avait une capacité d1évaporation d'environ 20 tonnes/heure alors qu'actuellement la capacité maximale tourne aux environs de 100 tonnes/heure, soit cinq fois plus. Il est vraisemblable 10 que cette expansion se poursuivra et que dans les dix années à venir l'industrie des chaudières produira des unités d'une capacité de 200 tonnes/ heure ou plus sous forme de générateur de vapeur préfabriqué. Pour les unités les plus puissantes l'expression " générateur préfabriqué " ne concerne pas une unité simplement déchargée d'un wagon, posée sur des fondations 15 et raccordée aux canalisations de vapeur, de combustible et d'eau mais plutôt un ensemble complexe comprenant plusieurs chaudières avec leurs propres canalisations, dispositifs de récupération de chaleur, ventilateurs, servitudes, etc...En fait le dénominateur commun de toutes ces chaudières est la réduction à un minimum du coût de la main-d'oeuvre de montage sur 20 chantier. Généralement, le prix du transport et du montage d'une chaudière préfabriquée est sensiblement inférieur à celui d'une unité de même capacité construite sur place. Cette constatation permet de prévoir un large marché pour ce type de chaudière. En fait, une analyse comparative des prix de revient des chaudières préfabriquées et des chaudières construites sur place 25 est difficile à faire car ces deux types de générateur de vapeur ne sont pas véritablement comparables. De plus, les différences de coût des chaudières préfabriquées entre elles peuvent atteindre jusqu'à 507» selon que l'unité fonctionne avec des marges classiques ou à la limite de ses possibilités. Avec l'augmentation de la capacité des chaudières, cette différence devient 30 un facteur prépondérant du coût total d'une installation et doit être examinée avec précaution. Un nouveau facteur récemment apparu peut en outre modifier de manière considérable l'aspect prix de revient des chaudières préfabriquées. Les chaudières fabriquées sur place, de la plus petite à la plus importante alimentant une centrale, sont construites selon le procédé 35 de la paroi soudée. Ce nouveau facteur a une incidence importante sur les coûts comparés des chaudières construites en atelier ou sur le chantier. Il est intéressant de noter que, d'une manière générale, les chaudières préfabriquées de ce type sont pratiquement inexistantes sur le marché. Ceci est dû au fait que ce mode de construction est très difficile à appliquer 69 13091 2 à ce type de chaudière. L'application des concepts classiques de construction des chaudières préfabriquées aux unités de grandes dimensions présente certaines difficultés car la préfabrication des chaudières implique généralement certains compromis vis-à-vis de la théorie. 5 Cependant, lorsque la taille des chaudières croît, le délai de mise en service devient un facteur de plus en plus important car l'installation représente un investissement considérable et de nombreux processus dépendent de la production de vapeur. La présente invention permet donc de pallier ces difficultés ainsi que d'autres des chaudières préfabriquées 10 classiques. La présente invention a pour objet un générateur de vapeur du type préfabriqué à rendement thermique élevé dont les éléments principaux peuvent être fabriqués en atelier avant d'être expédiés sur le chantier pour l'assemblage final. Ce type de générateur de vapeur se caractérise 15 par un délai de mise en service réduit. Les générateurs de vapeur selon l'invention peuvent atteindre des capacités importantes sans présenter les problèmes classiques d'écoulement gazeux. Le système de combustion et de circulation des gaz favorise un mélange excellent de ces derniers en l'absence de toute stratification de température. 20 Le générateur de vapeur selon la présente invention a pour carac téristique un foyer allongé verticalement et réalisé en paro.i soudée, une chaudière allongée verticalement et montée parallèlement à côté du foyer, des tubes d'alimentation reliant les parties basses de ces deux ensembles dont les parties hautes sont, reliées par des tubes d'échappement de vapeur. 25 L'ensemble du foyer est plus précisément à section polygonale dans laquelle les brûleurs sont montés sur les deux côtés adjacents à la paroi arrière. Le fond du foyer comprend une partie centrale plane et deux parties latérales en plan incliné vers le haut. Un collecteur est disposé transversalement par rapport au fond et comporte des parties horizontales et 30 inclinées respectivement parallèles aux parties correspondantes du fond. Le foyer comporte de plus une voûte ou "ciel" dont la partie centrale horizontale se termine de part et d'autre en une partie inclinée vers, le bas et en travers de laquelle est disposé un collecteur dont les parties horizontales et inclinées correspondent aux différentes zones du ciel. 35 Les différentes caractéristiques et avantages de 1'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent une forme non limitative d'exécutioû d'une chaudière selon l'invention. 69 13091 3 2007007 - La figure 1 est une vue en perspective d'un générateur de vapeur ; - la figure 2 est une coupe longitudinale ; - la figure 3 est une coupe le long de la ligne III-III de la figure 2 ; - la figure 4 est une coupe horizontale de l'appareil selon la ligne IV-IV de la figure 2 ; - la figure 5 est une coupe de la paroi soudée. Comme on peut le constater sur la figure 1, le générateur de vapeur est constitué par l'assemblage de l'élément foyer 11 et de l'élément chaudière 12. L'élément foyer 11 est construit selon le principe de la paroi soudée comme on peut le voir sur la section de la figure 5 et il est du type vertical allongé. L'élément chaudière 12 est également du type vertical allongé et il est monté parallèlement et contre l'élément foyer. Des tubes d'alimentation 13 réunissent les deux éléments à leurs parties inférieures et des tubes d'émission de vapeur les réunissent à leurs parties supérieures. Les dimensions de chacun des éléments permettent son transport sur un wagon plat dans les limites des gabarits ferroviaires classiques. La section de l'élément foyer 11 est octogonale et des brûleurs 15 et 16 sont disposés sur les deux côtés inclinés contigus à la paroi arrière 17. Le fond de l'élément foyer 11 comporte une portion centrale plane 19 prolongée de deux sections inclinées vers le haut 21 et 22 sur les côtés. Le collecteur 23 traverse le fond 18, présente également une partie horizontale prolongée par deux portions inclinées correspondant à la partie centrale 19 et aux portions inclinées 21 et 22. Des tubes d'alimentation 13 se prolongent vers l'arrière depuis le collecteur 23 et sont soudés aux tubes d'alimentation correspondant provenant de l'élément chaudière 12. Le ciel de l'élément foyer 11 est constitué par une portion centrale horizontale 25 qui se prolonge par deux portions'inclinées vers le bas 26 et 27 de chaque côté. Un "collecteur 28 traverse le ciel 24 et présente également une section horizontale prolongée de chaque côté par une portion inclinée correspondant respectivement aux portions 25, 26 et 27 du ciel. t Les tubes de passage de vapeur 14 reliés au collecteur 28 sont dirigés vers l'arrière et sont soudés aux tubes de vapeur correspondant qui arrivent de l'élément chaudière. La paroi arrière 17 de l'élément foyer et la paroi avant 29 de l'élément chaudière 12 sont disposées l'une contre l'autre. La paroi avant 29 de l'élément chaudière comporte deux panneaux 31 et 32 disposés dans un même plan transversal et séparés par un intervalle. 69 13091 4 2007007 La paroi arrière de l'élément foyer 11 est constituée par un panneau central 33 qui vient remplir cet intervalle et par deux panneaux inclinés 34 et 35 qui s'écartent selon un angle assez important des panneaux 31 et 32 de la paroi avant de l'élément chaudière. 5 . Chaque panneau 31 et 32 de la paroi avant 29 de l'élément chaudière 12 et les deux panneaux correspondants 34 et 35 inclinés vers l'avant, de la paroi de l'élément foyer, délimitent un espace de section triangulaire dans lequel sont ménagés les boîtiers qui reçoivent les brûleurs 15 et 16. En pratique plusieurs brûleurs sont montas alignés verticalement dans chaque 10 boîtier et traversent les panneaux inclinés 34 et 35. Chaque boîtier est muni individuellement de déflecteurs et de dispositifs de réglage de l'admission de l'air. L'intervalle ménagé dans le panneau avant de l'élément chaudière entre les panneaux 31 et 32, reçoit des tubes 36 écartés les uns des autres 15 et qui relient le collecteur supérieur 37 et le collecteur inférieur 38, ces tubes sont indépendants l'un de l'autre. Une partie des tubes constituant le panneau central 33 de la paroi arrière 17 de l'élément foyer 11 sont coudés pour s'écarter du plan général du panneau dans la partie haute de celui-ci et constituent une sortie pour les gaz. L'écartement de ces tubes 20 et leur position dans un plan vertical correspond à l'écartement et au plan des tubes écartés 36 disposés dans l'intervalle compris entre les panneaux 31 et 32 de l'élément chaudière. L'élément chaudière 12 est muni d'un cylindre supérieur 37 et d'un cylindre inférieur 38 réunis d'une façon classique par le faisceau de tubes 25 descendants 39. Les cylindres sont réunis par une paroi frontale et deux parois latérales constituées par des tubes jointifs réunis par des soudures longitudinales. Le volume délimité par les parois est divisé par un séparateur 41 qui descend verticalement depuis le cylindre supérieur 37. On obtient ainsi un passage avant dans lequel est disposé un surchauffeur 42 et un passage 30 arrière dans lequel est disposé le faisceau de tubes descendants 39. L'élément foyer 11 et l'élément chaudière 12 sont construits indépendamment l'un de l'autre dans un lieu éloigné de l'emplacement où ils doivent être montés. Comme on l'a vu ci-dessus, l'élément chaudière est livré muni à sa partie inférieure de tubes d'alimentation dirigés vers l'avant, et de ces tubes de 35 vapeur disposés à sa partie supérieure, tandis que l'élément foyer est livré muni à sa partie inférieure de ces tubes d'alimentation dirigé^ vers l'arriére et muni de ces tubes de vapeur à la partie supérieure. Les éléments sont transportés séparément jusqu'au lieu de "montage et après mise en place les tuyauteries d'alimentation et de vapeur sont rêtsniss &ar soudure. 69 13091 5 2007007 Les avantages d'une telle conception apparaissent clairement à l'examen. D'une part une bonne marge de sécurité dans la circulation de l'eau est obtenue grâce à la hauteur de la colonne d'eau qui permet de travailler à des taux d'absorption de chaleur élevés, caractéristiques des 5 chaudières préfabriquées. Etant donné que les deux éléments sont construits entièrement en parois soudées, leur rigidité autorise le transport dans la position horizontale ; les éléments sont couchés sur les wagons, leur grand axe parallèle à la longueur de celui-ci. L'installation sur le lieu d'emploi consiste simplement à les redresser verticalement et à les poser sur 10 quatre socles ou toute autre fondation convenable. Les soudures devant résister à de hautes pressions consistent simplement à réunir un nombre limité de tubes de chauffe et de vapeur, comme il a été décrit ci-dessus. Avec cette disposition, le diamètre des boîtes n'est pas un facteur de limitation de transport, car on peut employer à cet effet des cylindres d'un 15 diamètre de 1,40 à 1,50 m qui permettent l'installation de la séparation de vapeur. La dimension de ces boîtes est identique à celle utilisée actuellement dans la construction de chaudières sur place. Dans ces conditions, le taux de pureté de la vapeur peut être maintenu facilement en dépit des variations de charge importante et certainement avec de meilleurs résultats 20 que ceux obtenus jusqu'à présent avec les chaudières préfabriquées classiques. On sait depuis longtemps qu'un foyer de section rectangulaire n'est pas la forme idéale pour l'absorption uniforme de la chaleur radiante sur tout le périmètre. Théoriquement, l'idéal est de disposer d'une source de radiation au centre d'un cercle pour distribuer uniformément les calories 25 sur la circonférence. La figure 4 montre que la disposition adoptée permet de se rapprocher de ce cas idéal. Le combustible et l'air sont injectés à travers les brûleurs selon des diagonales opposées et leurs trajectoires se rencontrent approximativement au centre du foyer octogonal. Le produit de la combustion à haute intensité se présente sous la forme d'une masse enflammée 30 oblongue rayonnant sur toutes les parois d'une manière uniforme. La rencontre des jets animés d'une grande vitesse et provenant de deux directions différentes provoque une atomisation secondaire des combustibles liquides et un degré de turbulence très important. Dans une réalisation préférée, quatre brûleurs sont associés sur chacun des panneaux inclinés et l'expérience 35 montre que le rendement est beaucoup plus élevé qu'avec la plupart des chaudières classiques. Bien que la disposition des jets de combustible soit nécessaire pour provoquer une absorption de chaleur uniforme et un écoulement des gaz continu, lorsque la chaudière est utilisée sous faible charge et lors 69 13091 6 2007007 du nettoyage des gicleurs, les brûleurs peuvent être retirés individuellement sans affecter sensiblement la marche de l'appareil. La disposition choisie permet une accessibilité pour le contrôle des réparations ou le nettoyage d'une batterie entière de brûleurs, du surchauffeur et du foyer. Le résultat recherché est donc bien atteint par cette réalisation de chaudière préfabriquée qui présente tous les avantages d'une chaudière construite-sur place avec cependant un prix de revient inférieur. Il va de soi que la présente invention peut subir de légères modifications sans sortir de son cadre. 69 13091 7 2007007 REVEND I_C_A_T_I 0 N S 1 - Générateur de vapeur caractérisé en ce qu'il comprend un élément foyer du type à paroi tubulaire soudée et de forme allongée verticalement, un élément chaudière de forme allongée verticalement monté parai- 5 lèlement contre l'élément foyer, des tubes d'alimentation réunissant les deux éléments par leur base, et des tubes de passage de vapeur reliant les deux éléments à leur extrémité supérieure. 2 - Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des deux éléments qui le composent est d'une section 10 telle qu'il soit transportable sur un wagon plat dans la limite des gabarits ferroviaires classiques. 3 - Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément foyer est d'une section polygonale et en ce que les brûleurs sont disposés sur deux des côtés contigus à la paroi interne et 15 faisant un angle avec celle-ci. 4 - Générateur de vapeur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fond de l'élément foyer est composé d'une partie centrale plane prolongée de chaque côté par des portions inclinées vers le haut et en ce qu ' un collecteur présentant une portion horizontale prolongée par 20 deux portions inclinées traverse la section plane et les sections inclinées correspondantes du fond. 5 - Générateur de vapeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les tubes d'alimentation reliés au collecteur sont dirigés vers l'arrière et sont soudés aux tubes d'admission correspondants de l'élément 25 chaudière et dirigés vers l'avant. 6 - Un générateur de vapeur selon la revendication 13 caractérisé en ce que le ciel de l'élément foyer est constitué par une portion centrale horizontale prolongée de chaque côté par une portion inclinée vers le bas et en ce qu ' un collecteur traverse ladite voûte et présente une portion 30 horizontale prolongée des deux côtés par des portions inclinées correspondant aux portions centrales et inclinées du ciel. 7 - Générateur de vapeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les tubes de sortie de vapeur provenant du collecteur sont disposés vers l'arrière et sont soudés aux tubes de vapeur correspondant de l'élément 35 chaudière qui sont disposés vers l'avant. 8 - Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi arrière de l'élément foyer et la paroi avant de l'élément chaudière sont juxtaposées, en ce que la paroi avant de l'élément chaudière 69 13091 8 2007007 comporte deux panneaux latéraux disposés dans un plan transversal laissant entre eux un intervalle et en ce que le panneau central de la paroi arrière de l'élément foyer remplit ledit intervalle et les deux parois inclinées contiguës sont disposées angulairement par rapport auxdits panneaux latéraux 5 de la paroi avant de l'élément chaudière. 9 - Générateur de vapeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que chacun des panneaux latéraux de la paroi avant de l'élément chaudière et les parois inclinées vers l'avant de la paroi arrière de l'élément foyer déterminent un volume de section triangulaire, en ce que le boîtier 10 des brûleurs est disposé dans cet espace et en ce que plusieurs brûleurs espacés verticalement sont montés dans ledit boîtier, et traversent lesdites parois inclinées. 10 - Générateur de vapeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le boîtier des brûleurs est muni d'un déflecteur et de dispositifs 15 permettant d'alimenter en air chaque brûleur individuellement. 11 - Générateur de vapeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'intervalle ménagé sur la face avant de l'élément chaudière est pourvu de tubes largement écartés qui relient le cylindre supérieur et le cylindre inférieur et qui ne sont pas jointifs dans leurs portions 20 intermédiaires. 12 - Générateur de vapeur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'un certain nombre de tubes formant la paroi arrière de l'élément foyer sont coudés et écartés du plan dudit panneau à sa partie supérieure de manière à former une ouverture de sortie des gaz, et en ce que l'espa- 25 cernent et la position dans le plan longitudinal vertical est le même que l'espacement et la position des tubes largement écartés disposés dans ledit intervalle, 13 - Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément chaudière est muni d'un cylindre supérieur et d'un 30 cylindre inférieur reliés par un faisceau de tubes descendants, en ce que les cylindres sont reliés par une paroi avant, une paroi arrière, et deux parois latérales constituées par des tubes rapprochés soudés en bandes et en ce qu'un séparateur descendant solidaire du cylindre supérieur délimite une zone avant dans laquelle est disposé un surchauffeur, et une zone 35 arrière qui contient le faisceau de tube descendant. 14 - Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des éléments foyer et des éléments chaudière sont construits séparément en un lieu éloigné du lieu d'implantation, en ce que l'élément chaudière est muni de tubes 3'alimentation dirigés vers l'avant, et disposés dans la partie 69 13091 9 2007007 basse, et de tubes de passage de vapeur disposés à la partie supérieure, en ce que l'élément foyer est muni de tubes d'alimentation dirigés vers l'arrière et disposés à la partie inférieure, et de tubes de passage de vapeur à la partie supérieure, en ce que les éléments sont transportés 5 indépendamment jusqu'au lieu d'implantation pour y être montés parallèlement l'un contre l'autre,les tubuluresid'alimentation et de passage de vapeur étant reliées par soudage. 15 - Générateur de vapeur caractérisé en ce qu'il est constitué par un élément foyer du type à parois tubulaires soudées, de forme allongée 10 verticalement, la section transversale de cet élément étant polygonale, un élément chaudière vertical de forme allongée monté parallèlement contre l'élément foyer et des brûleurs disposés sur deux des côtés contigus à la paroi arrière et faisant un angle avec celle-ci, le fond de l'élément foyer est constitué par une partie centrale plane prolongée de chaque côté par 15 une partie inclinée vers le haut. 16 - Générateur de vapeur selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'un collecteur est disposé transversalement dans ledit fond et comporte une partie horizontale et des parties inclinées correspondant respectivement à la partie plane et aux parties inclinées dudit fond. 20 17 - Générateur de vapeur selon la revendication 16, caractérisé en ce que le ciel de l'élément foyer est composé d'une partie centrale horizontale prolongée de chaque côté par une partie inclinée vers le bas et en ce qu'un collecteur est disposé transversalement dans ladite voûte et comporte une partie horizontale par des parties inclinées corres-25 pondant respectivement à la partie horizontale et aux parties inclinées du ciel.