Brevet FR2007599A1 — publié le 19700109

i 2007599 La présente invention concerne vin foyer de construction entièrement soudée pour générateur de vapeur à passage direct et, en particulier, une construction entièrement soudée et de type nouveau de la partie inférieure de tels foyers. 5 L'appellation "construction entièrement soudée" dé signe dans le cas présent une construction dans laquelle les tubes d'eau, ou des ailettes longitudinales portées par ces tubes, sont soudés, en général sur toute leur longueur, de façon à former par eux-mêmes des surfaces étanches aux gaz sans qu'il 10 soit nécessaire de prévoir des plaques d'étanchéité et (ou) des revêtements réfractaires. L'expression "à passage direct" caractérise les générateurs de vapeur dont les tubes sont parcourus par une circulation forcée et sans recyclage. Dans les premières chaudières de 15 ce type construites, et qui étalent de faible capacité, cette circulation s'effectuait en général dans un seul et même faisceau tubulaire formant les parois du foyer du générateur, le fluide circulant passant ensuite dans un faisceau surchauffeur situé dans une zone de convexion du foyer avant d'être dirigé vers 20 le point d'utilisation. Mais, les dimensions des générateurs se sont progressivement augmentées et il est devenu évident que, dans les générateurs de vapeur actuels dont le foyer peut avoir une longueur et une largeur respectivement de l'ordre de 24m et I2m, il est devenu nécessaire de prendre des précautions spé-25 claies pour obtenir une répartition uniforme du débit du fluide circulant entre tous les tubes constituant les parois du foyer. Sinon, il peut arriver que, par exemple, les tubes situés: au centre d'une paroi absorbent une quantité de chaleur bien plus importante que ceux situés dans les angles du foyer, ce qui a 30 pour effet, de déséquilibrer les températures du fluide circulant et du métal des tubes et de créer des irrégularités dans la circulation désirée. Le Brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3.324.837 publié le 13 Juin 1967 et accordé à la présente Demanderesse dé-35 crit la construction d'un foyer de chaudière dont les parois sont divisées en une pluralité de faisceaux tubulaires verticaux et parallèles, ces faisceaux étant reliés"entre eux par des tubes de descente appropriés et de façon à être parcourus en série par 69 13860 2 2007599 le fluide circulant. Cette disposition particulière présente l'avantage important de diminuer- la fraction des parois du foyer refroidie par chacun de ces faisceaux, et, par suite, diminue les risques d'un deséquilibre de la circulation entre les 5 tubes d'un même faisceau. De plus, ces faisceaux sont disposés autour du foyer de façon que la température du métal et la température du fluide circulant soient les mimes dans deux tubes adjacents quelconques, ou suffisamment voisines pour que les différences de dilatations thermiques entre tubes adjacents ne puis-10 sent dépasser la limite de sécurité. L'étude et la construction de la partie inférieure et de la paroi de fond des foyers de ehaudièi'o, et particulièrement de ceux dont la pression intérieure est maintenue au-dessus de la pression atmosphérique, ont toujours posé un problème. Les 15 brûleurs du générateur étant placés à proximité de la paroi de fond du foyer, cette paroi est soumise à des températures élevées et,, de plus, est exposée à de sévères corrosions dues à la combustion elle-même, et ceci particulièrement si le combustible utilisé est un charbon pulvérisé dont les éléments non combus-20 tibles se déposent à l'état fondu sur la paroi de fond du foyer. Il a été essayé de rendre cette paroi de fond étanche à l'aide de plaques d'étanchéité, de revêtements rëfraetaires, ou par ces deux moyens combinés, mais ces essais n:ont pas donné des résultats entièrement satisfaisants. Bien qu'il ait été ainsi pos-25 s.ible de réduire considérablement les fuites de crasses diverses, l'action de ces crasses sur les revêtements réfractaires nécessite un travail d'entretien considérable de ces revêtements .. lorsqu'ils sont utilisés. L'emploi de plaques métalliques d'étanchéité exige pour leur mise en place et leur soudure une très 30 grande précision d'exécution quasi impossible à obtenir sur tin chantier de montage, et présente d'autre part des risques de brûlure ou de rupture de tubes qui seront soumis en marche normale à une pression intérieure élevée. L'étude et la construction des bas de foyers, lesquels constituent/une partie compliquée et coû~ 35 teuse des générateurs de vapeur, sont encore plus délicates lorsque le foyer du générateur comprend une pluralité de faisceaux tubulaires montés en série en raison des contraintes provoquées dans ce cas par les différences de. dilatation thermique 13860 3 2007599 entre faisceaux tubulaires adjacents. L'un des objets de la présente invention est la réalisation d'un foyer de générateur de vapeur à faisceaux tubulaires multiples et de construction entièrement soudée, y com-5 pris dans la partie inférieure de ce foyer. Un autre objet de l'invention est de diminuer le coût du montage et de la soudure des faisceaux tubulaires et de simplifier la construction de la partie inférieure des foyers de générateurs de vapeur. 10 L'invention est applicable aux foyers dont la paroi de fond est plane et à ceux munis d'un cendrier en forme de trémie, que ces foyers soient chauffés au charbon, à l'huile ou au gaz. Dans le cas du chauffage au charbon, le foyer doit être muni d'un tampon d'évacuation des crasses. 15 Conformément à la présente invention, l'enceinte pa- rallèlépipédique verticale pour foyer de générateur de vapeur et qui en fait l'un des objets comporte une paroi avant et une paroi arrière parallèles et réunies par deux parois latérales parallèles. Ces parois sont toutes formées par une pluralité de tubes 20 à ailettes, verticaux et soudés les uns aux autres par leurs ailettes. Une pluralité de conduits distributeurs alimentent chacun un groupe prédéterminé de ces tubes de façon à diviser l'enceinte du foyer en une pluralité de faisceaux tubulaires, des tubes de descente reliant ces faisceaux de façon qu'ils soient 25 parcourus en série par le fluide circulant. De préférence, les parois du foyer sont divisées en au moins trois faisceaux tubulaires, le premier et le troisième de ces faisceaux constituant respectivement la majeure partie de la paroi avant et de la paroi arrière du foyer, et les tubes formant les parois latérales 30 de celui-ci constituant le deuxième faisceau. Les conduits distributeurs et collecteurs et les connexions entre ces conduits et les tubes sont prévus de façon que le deuxième faisceau, ou faisceau intermédiaire, se prolonge au delà de chacun des angles verticaux du foyer de façon à venir occuper les parties d'extré-35 mité de la paroi avant et de la paroi, arrière non occupées par le premier et le troisième faisceau, les tubes formant les angles du foyer appartenant ainsi tous au même faisceau. Il s'en-suit qu'un tube quelconque est toujours adjacent sur toute sa 69 13860 h 2007599 longueur à des tubes appartenant à tin même faisceau ou au faisceau précédent ou au faisceau suivant. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention applicable à un générateur de vapeur dont la paroi de fond 4u 5 foyer est plane, les parties de cette paroi de fond adjacentes avec les parois latérales du foyer sont constituées par des tubes du deuxième faisceau de façon à éviter toute contrainte entre ces parties et ces faisceaux latéraux, de sorte que ïes faces des trièdres constitués par la paroi avant, la paroi 10 rière, les parois latérales et la paroi de fond du foyer s©a& constituées au voisinage de chacun des angles verticaux de ee foyer par des tubes qui sont tous à la même température. Be_jpré«-férence, la partie centrale restante de la paroi de fond ds yer est constituée par des tubes du premier faisceau qui remon-15 tent ensuite verticalement pour constituer la partie médiane, de la paroi avant du foyer. Cette disposition permet de réaliser à l'aide dm tubes à ailettes longitudinales une construction entièremefiâj soudée de la partie inférieure du foyer de la chaudière etM^ifes 20 ou diminue l'emploi de plaques d'étanchéité et de revêtemeafcs réfractaires et les inconvénients inhérents à cet emploi. La description qui va suivre, et les dessins snnesés donnés surtout à titre d'exemples non limitatifs, feront mtess:.:. comprendre comment la présente invention peut être réalisée, ~ 25 Sur les dessins annexés : - la figure I est une vue en perspective avec ajasg-? chements partiels représentant l'application de laprésente rlfi® vention à la construction d'un foyer à fond plat et chaufféaa gaz pour générateur de vapeur à passage direct ; t : 30 - la figure 2 est une coupe faite suivant le plsp 2-2 de la figure I ; et - la figure 3 est une vue en perspective avec arra» chements partiels de l'application de l'invention dans la cons» truction de la partie inférieure du foyer d'un générateur de va» 35 peur, ce foyer comportant un cendrier en forme de trémie e^ tm tampon d'évacuation des crasses. Les figures I et 2 des dessins annexés représentent une enceinte de foyer 12 constituée par une paroi avant 14, une 69 13860 5 2007599 paroi arrière 16, et deux parois latérales 18 et 20 réunissant ces parois avant et arrière. La paroi de fond 22 de cette enceinte est plane et il est prévu sur la partie médiane du foyer une cloison séparatrice verticale 2h, Ce foyer peut être chauffé 5 soit au charbon, et dans ce cas la paroi de fond du foyer doit être munie d'un tampon (non représenté) pour l'évacuation des crasses, soit au gaz ou à l'huile par des brûleurs appropriés (non représentés). La cloison séparatrice médiane n'est pas indispensable mais est prévue dans les générateurs de vapeur ac-10 tuels à grande capacité de vaporisation en vue d'accroître la surface de chauffe dans un foyer de dimensions données. Dans le foyer représenté, la paroi avant et la paroi arrière sont constituées par une pluralité de tubes verticaux, la paroi de fond est constitué par une pluralité de tubes hori-15 zontaux s'étendant parallèlement aux parois latérales entre la paroi avant et la paroi arrière, et la cloison séparatrice est constituée par une pluralité de tubes pénétrant horizontalement dans le foyer, tous placés dans un même plan vertical puis qui remontent verticalement au milieu du four de façon à constituer 20 un plan vertical parallèle aux parois latérales 18 et 20. Ainsi qu'on le voit sur la figure I, toutes ces parois y compris la paroi de fond et la cloison séparatrice,, sont divisées en faisceaux dont les tubes sont piqués par leur extrémité inférieure sur une pluralité de conduits distributeurs d'en-25 trée. Dans le mode de réalisation représenté, la cloison intermédiaire forme un premier faisceau "A" recevant l'eau en provenance de l'économiseur (non représenté) du générateur de vapeur et qui en sortant de ce faisceau passe dans un faisceau "I" formant partie de l'enceinte et constitué par des tubes de la pa~ 30 roi de fond 22 et de la paroi avant 14. Le fluide sortant du collecteur de tête de la paroi avant est dirigé vers le faisceau "2" constitué principalement par les tubes formant les parois latérales 18 et 20 du foyer. Finalement, ce fluide passe dans le faisceau "3" constitué par les tubes formant la majeure partie 35 de la surface de la paroi arrière 16 du foyer. Le circuit ainsi constitué peut être plus facilement compris si l'on considère les positions des conduits distributeurs et collecteurs des divers faisceaux. Le faisceau "A" cons- 13860 6 2007599. titué par la cloison séparatrice est alimenté par deux distributeurs d'entrée, 26 et 26', verticaux: et placés respectivement le long de la paroi arrière 16 et de la paroi avant 1k du foyer. L'eau en provenance de i'éconorniseur du générateur est répartie 5 également dans ces deux distributeurs,, de sorte qu'il est créé un débit égal dans tous les tubes du faisceau "A". En sortant de ce faisceau, le fluide circulant est dirigé par un tube de descente approprié vers m distributeur l'inique 28 alimentant le premier faisceau "I" constitué par une partie de l'enceinte du fo-10 yer. Ce distributeur 28 est horizontale placé sur l'extérieur de la paroi arrière 16 du foyer approximativement dans le plan de la paroi de fond 22 et alimente une section de tubes centrale 22a formée par les tubes de la paroi de fond 22 du foyer et occupant la majeure partie de cette paroi. Les tubes constituant 15 cette section du faisceau remontent ensuite verticalement pour former la partie I4a de la paroi avant I2!- et qui s'étend sur la majeure parti© de la surface de cette paroi„ A sa sortie de ce premier faisceau, le fluide circulant est- réparti uniformément dans une pluralité de conduits distributeurs 30, 32s 3^, 36, 38 20 et 40 qui alimentent les tubes constituant le faisceau "2", lequel forme la totalité des par-oîs latérales 18 et 20 du foyer (distributeurs 30 et 40}s les parties latérales I6b et 16c de la paroi arrière 16 (distributeurs 32 et 36) et les parties la» térales 22b et 22c de la paroi -de foad 22 fiu foyer (distribuas teurs 3"4 et 38). Les tubes constituant ces deux dernières par® ties latérales 22b et 22c remontent verticalement et respectivement de chaque cSté des tubes I4a du faisceau "I" formant la plus grande partie de la paroi avant 14 du four et viennent ainsi former les panneaux latéraux I4b et I^c de cette paroi. 30 Finalement, le fluide circulant est envoyé dans le distributeur 42 placé sur la paroi arrière 16 du foyer et qui alimente le faisceau "3" dont les tubes I6a forment la majeure partie de cette paroi arrière. La figure 2 représente la construction du foyer à 35 l'intersection des tubes du faisceau "I5' de fond de foyer et des tubes du faisceau vertical "3". Ces tubes du faisceau "3" sont soudés les uns aux autres par leurs ailettes et ceux du faisceau "I" traversent le plan du faisceau "3" entre ces tubes 69 13860 7 2007599 et sont réunis au passage à ce faisceau par des soudures étan-ches. Les tubes du faisceau "3" sont tous verticaux et contenus dans un même plan, et ceux du faisceau "I" sont contenus à l'intérieur du foyer dans un même plan horizontal sauf aux 5 abords de leur intersection avec le faisceau "3". Dans cette région, les tubes du faisceau "I" sont groupés par quatre, les tubes "a", "b", et "d" de chaque groupe étant coudés vers le bas et en direction du tube "c" de ce groupe de façon à traverser le faisceau "3" dans le m&ne plan vertical que le tube "c". Sur 10 l'extérieur de la paroi arrière du foyer, ces quatre tubes sont, comme représenté, piqués par groupes de deux sur le conduit distributeur 28. L'avantage principal de cette disposition est de réduire le nombre des passages au travers de la paroi arrière du four. Une plaque d'étanchéité 50, oblongue et comportant sur ses 15 bords longitudinaux des découpures appropriées épousant la forme des faisceaux "3" et "I", peut être rattachée à chacun de ces faisceaux par des soudures étanches et parfaire ainsi l'étan-chéité nécessaire sur la ligne de rencontre de la paroi arrière et de la paroi de fond du foyer. Cette disposition pré-20 sente l'avantage de faire absorber les différences de dilatation latérale entre les faisceaux 111" et "3" par la plaque 50 et non par les soudures reliant directement ces deux faisceaux. Sur les parois avant et arrière 14 et 16 du foyer, les tubes du faisceau "2" occupent une partie de la surface de 25 ces parois, constituée par exemple par me douzaine de tubes occupant me largeur égale ou supérieure à 30 cm à partir de la paroi latérale adjacente, suffisante pour que les différences de dilatation entre les faisceaux "I" et "3" et le faisceau "2" se répartissent sur m certain nombre de tubes avant d1 atteindre les 30 angles verticaux du foyer. Les contraintes dues aux différences de dilatation sont aussi minimisées le long des angles du fond du foyer. Les tubes constituant la paroi inférieure 22 et ceux constituant les parois latérales 18 et 20 sont à la même température. Entre les 35 tubes de la paroi de fond 22 et ceux de la paroi avant 14, aucune contrainte de dilatation ne peut prendre naissance du fait que ce sont les tubes de la paroi de fond eux-mêmes qui viennent former la paroi avant du foyer. Sur la paroi arrière 16, les 69 13860 8 2007599 tubes formant la paroi de fond du foyer sont réunis par groupes de quatre, dans un plan vertical commun à leur traversée de cette paroi arrière, et c'est la plaque 50 relativement longue et parachevant l'étanchéité nécessaire dans l'angle inférieur de la 5 paroi arrière qui absorbe les contraintes dues aux différences de températures existant entre les tubes constituant ces parois. Dans la zone critique constituée par les faces des trièdres formés au quatre coins de la paroi de fond du foyer, tous Iss.taa® bes sont à la mène température. 10 La figure I montre clairement que la présente inven tion permet de réduire à un minimum les contraintes prenant' . assis» sance dans la partie inférieure d'un foyer de chaudière, et. d# souder toutes les pièces constitutives des parois du foyer, v compris sa paroi de fond, les unes sur les autres, ce qui per*>-15 met de réaliser un foyer d'une plus grande rigidité et de sup» primer les plaques d'étanchéité et les opérations de montage @fc de soudure que leur emploi implique. Un autre avantage évident de la construction de i'às» vention consiste en ce que les faisceaux tubulaires sont diep©» 20 sés de façon que les tubes formant les côtés de l'un quelconque de ces faisceaux soient adjacents aux tubes du faisceau précê«= dent ou suivant. En d'autres termes, aucun des tubes du tais® ceau "I" n'est adjacent à aucun des tubes du faisceau "3" le loKg d'unem&ne soudure longitudinale. En ce qui concerne les parois 25 verticales du foyer, il est évident qu'aucun problème sérieras ne se pose à ce sujet. Sur la paroi avant 14 et le long de la paroi de fond 22, les tubes latéraux du faisceau "I" sont aâja» -cents à ceux du faisceau "2". Sur la paroi arrière 16, lcc p&h&s latéraux du faisceau "3" sont adjacents à ceux: du faisceau 30 La figure 3 représente l'application de 1 'invention, à un foyer comportant tin cendrier en forme de trémie. Les foyers de ce type sont en général chauffés au charbon, bien qu'ils puissent être aussi chauffés à l'huile. Le cendrier de ce foyer comporte en général un joint d'eau et les cendres tombent du 35 cendrier dans un réceptacle approprié placé au-dessous. Dans le mode de réalisation représenté sur la figar-e 3, les tubes du faisceau "i" forment la plus grande partie de la surface de la paroi avant 60 du foyer et ceux du faisceau "3" 69 13860 9 2007599 forment la plus grande partie de- la surface de sa paroi arrière 62. Le faisceau 111" est monté en série avec un faisceau "2" dont les tubes forment les parois latérales 64 et 66 du foyer et deux petites parties latérales 60b et 60c et 62b et 62c de la paroi 5 avant 60 et de la paroi arrière 62 du foyer. On voit donc que les quatre angles verticaux du foyer, y compris ceux formés par son cendrier sont constitués par des tubes du faisceau "2" qui sont tous à la même température, ce qui élimine dans ces angles les contraintes dues aux différences de dilatation. Comme dans 10 le mode de réalisation précédent, le faisceau "2" forme une partie suffisante de la paroi avant et de la paroi arrière du foyer de façon que les contraintes dues aux différences de dilatation soient réparties surpassez longue distance avant d'atteindre les angles verticaux du foyer. 15 Si désiré, le four de la figure 3 peut comporter une cloison séparatrice 70 de façon à constituer un faisceau "A" au milieu du foyer. Les tubes constituant cette cloison traversent les parties inclinées des parois avant et arrière du foyer qui forment son cendrier, puis se redressent verticalement dans un 20 même plan vertical parallèle aux deux parois latérales du foyer et également distant de celles-ci. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais s'étend à toutes les variantes conformes à son esprit. 69 13860 10 - REVENDICATIONS « I.- Foyer de construction entièrement soudée comprenant une enceinte de section rectangulaire constituée par une première et une deuxième paroi parallèles réunies par deux pa-5 rois latérales ; une pluralité de tubes à ailettes longitudinales, verticaux, soudés les uns aux autres et constituant les-dites parois de l'enceinte du foyer ; une pluralité de conduite distributeurs et collecteurs connectés à des groupes prédéterminés de ces tubes de façon à diviser 1'enceinte du foyer en une 10 pluralité de faisceaux tubulaires s et des conduits de connexion reliant entre eux les conduits distributeurs et collecteurs de ces divers faisceaux tubulaires de façon que ceux-ci soient parcourus en série par un fluide circulant ; la disposition des conduits de connexion et des conduits distributeurs et collec-15 teurs de chacun des faisceaux étant telle que les tubes placés de part et d'autre le long de chacun des angles verticaux du foyer fassent tous partie du même faisceau tubulaire. 2„- Foyer selon la revendication I dont l'enceinte est divisée au moins en trois faisceaux tubulaires montés en sé-20 rie, la première paroi du foyer étant constituée en majeure partie par des tubes du premier faisceau, sa deuxième paroi étant constituée en majeure partie par des tubes du troisième faisceau et ses deux parois latérales et les parties latérales de sa première et de sa deuxième paroi étant constituées par des tubes du 25 deuxième faisceau. 3.- Foyer selon la revendication I ou la revendication 2 dont l'enceinte comprend en outre une paroi de fond, constituée en majeure partie par les tubes du premier faisceau qui remontent ensuite verticalement dans le plan de la première paroi de 30 l'enceinte. Les parties latérales de cette paroi de fond adjacentes aux parois latérales de l'enceinte étant constituées par des tubes du deuxième faisceau qui remontent aussi ensuite dans le plan de la première paroi pour en former les parties latérales adjacentes aux parois latérales de l'enceinte. 35 4.- Foyer selon la revendication 3 dont les parties latérales de la paroi de fond et de la première paroi de l'enceinte constituées par des tubes du deuxième faisceau ont sensiblement la même largeur. 69 13860 ii 2007599 5.- Foyer selon la revendication 4 dans lequel les parties latérales de la deuxième paroi constituées par des tubes du deuxième faisceau ont sensiblement la même largeur que les parties latérales de la paroi de fond et de la première paroi 5 de l'enceinte constituées par des tubes de ce deuxième faisceau. 6.- Foyer selon la revendication I et comportant un cendrier en forme de trémie. 7.- Foyer de construction entièrement soudée et selon la revendication I dont l'enceinte rectangulaire comporte 10 une troisième et une quatrième paroi médiane reliant sa première et sa deuxième paroi et comportant : une pluralité de tubes horizontaux parallèles s'étendant entre la première et la deuxième paroi de l'enceinte et formant la paroi de fond du foyer ; des dispositifs reliant ces tubes de fond de foyer aux tubes consti-15 tuant lesdites première et deuxième paroi de façon à réaliser des jonctions étanches aux gaz ; des soudures étanches réunissant les tubes de fond de foyer auxdites troisième et quatrième parois ; les conduits distributeurs et collecteurs étant connectés aux tubes constituant l'enceinte du foyer, y compris sa pa-20 roi de fond, de façon que cette enceinte, paroi de fond comprise, soit divisée en une pluralité de faisceaux tubulaires, des tubes de connexion reliant en série les divers faisceaux tubulaires ainsi constitués de façon que ces faisceaux soient parcourus par un même fluide à des températures différentes j les conduits des 25 troisième et quatrième parois fournissant aussi un fluide refroi-disseur à un petit nombre des tubes constituant la paroi de fond du foyer et à un petit nombre des tubes constituant lesdites première et deuxième parois adjacents à la troisième et à la quatrième paroi, de sorte que les trièdres formés par le fond et 30 par les quatre parois du foyer sont formés par dés tubes portés à la même température. 8.- Foyer de construction entièrement soudée et selon la revendication I dont l'enceinte de section rectangulaire comporte une troisième et une quatrième paroi reliant ladite pre- 35 liiière et ladite deuxième paroi ; cette première et cette deuxième paroi s'infléchissant sur la partie inférieure du foyer et convergeant l'une vers l'autre de façon à constituer un cendrier en forme de trémie ; des soudures étanches réunissant les parties 69 13860 12 2007599 inclinées de la première et de la deuxième paroi du foyer à sa troisième et à sa quatrième paroi ; les conduits distributeurs et collecteurs du foyer étant disposés de façon que ses parois soient divisées en une pluralité de faisceaux tubulaires; 5 des tubes connecteurs réunissant ces faisceaux tubulaires en série de façon que le fluide qui y circule soit à des températures différentes j les conduits collecteurs des tubes constituant la deuxième et quatrième paroi du foyer fournissant aussi un fluide refroidisseur à un petit nombre des tubes formant les parties 10 inférieures inclinées de la première et de la deuxième paroi du foyer et adjacents à sa troisième et à sa quatrième paroi, de sorte que les angles du cendrier du foyer sont formés par des tubes qui sont tous à la même température.