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BREVET D'INVENTION
Perfectionnements à l'extraction de matières étrangères contenues dans des fluides ou gaz.
La présente invention concerne des sépara- teurs tels que ceux' qui sont utilisés pour extraire des matières étrangères contenues dans des fluides ou gaz et elle concerne également une méthode perfectionnée pour l'extraction de matières étrangères contenues dans des fluidesou gaz.
L'un des buts de l'invention consiste à réa- liser une méthode plus simple et plus efficace que celles qui ont été utilisées jusqu'ici pour enlever les matières étrangères contenues dans un fluide ou un gaz, ainsi qu'à réaliser, pour atteindre ce résultat, un appareil plus simple et plus efficace que ceux qui ont été utilisés jusqu'ici.
On a pu jusqu'ici extraire une partie des matières étrangères contenues dans un courant de fluide
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gazeux ou entrainées par ce courant, nais même lorsque les conditions étaient le plus favorables, il a été trop onéreux, au point de vue des frais de premier établisse- ment et des dépenses de fonctionnement, et en fait même impossible, de réaliser et de faire fonctionner un appa- reil capable dtéliminer sensiblement la totalité des ma- tières étrangères contenues dans le fluide, il a été pos- sible par exemple d'éliminer une partie de l'eau contenue dans un courant de vapeur, mais il a été impossible jus- qu'ici de réaliser un séparateur à vapeur ou une méthode de séparation de l'humidité contenue dans la vapeur se mouvant à des vitesses élevées et variables,
qui soit ca- pable dtéliminer sensiblement toute l'humidité entraînée par la vapeur et de fournir de la vapeur ayant approxima- tivement les caractéristiques de la vapeur "sèche et saturée". lorsque la vapeur traitée ou envoyée à travers le séparateur contient primitivement une grande proportion d'humidité.
'Suivant l'invention, il est possible de séparer l'humidité étrangère et les autres matières étrangères contenues dans la vapeur fournie par une chaudière ou un générateur de vapeur même lorsque le générateur crache fortement et d'obtenir de la vapeur sèche à peu près propre sans recourir à un chauffage secondaire ou à des surchauffeurs et sans soumettre la vapeur à l'action de pièces tournantes ou mobiles.
Un autre but de l'invention consiste par consé- quent à réaliser un séparateur à vapeur simple et effica- ce fournissant de la vapeur ayant approximativement les caractéristiques de la vapeur "sèche et saturée", même lorsque la vapeur fournie au séparateur contient une for- te proportion d'humidité et même lorsque la vapeur qui traverse le séparateur se meut à des vitesses élevées et
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variables.
On comprendra mieux ces buts de l'invention ainsi que d'autres en se reportant à la description qui va suivre, ainsi qu'aux dessins annexés, qui représen- tent les dispositifs au moyen desquels ces buts sont at- teints.
La fige 1 des dessins est une coupe verticale d'un séparateur construit suivant l'invention et pouvant être utilisé pour la mise en pratique do la méthode qui constitue une caractéristique de cette invention;
La fig. 2 est un plan de l'appareil représenté par la fig. 1 , en coupe par la ligne 2-2 de la fig. 1;
La fig. 3 est une coupe partielle montrant un détail de l'invention, et
La fig. 4 est une vue schématique d'une chau- dière et montre une façon d'installer le séparateur per- fectionné qui fait l'objet de l'invention.
La méthode qui constitue une partie de l'objet de l'invention consiste à soumettre un courant tourbillon- naire de fluide se mouvant à une grande vitesse linéaire à l'action d'une surface collectrice primaire, puis à changer brusquement la direction linéaire de l'écoulement et à consolider le courant sans réduire notablement sa vitesse tourbillonnante. Le courant est ensuite soumis à l'action collectrice d'une surface collectrice secondaire, mais dans des conditions telles que l'action d'entraîne- ment et de récurage de la vapeur sur la surface ne soit pas seulement réduite au minimum, mais aille en diminuant progressivement le long de la surface dans le sens de l'écoulement linéaire jusqu'à ce qu'elle soit sensiblement nulle.
Dans ces conditions, les matières étrangères tel- les que l'humidité, recueillies sur la surface, peuvent obéir et obéissent effectivement à l'action de la gravité
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et sfécouler le long de la surface en opposition avec la force entraînante du fluide.
Une autre caractéristique importante de l'inven. tion, c'est que la matière étrangère qui s'accumule sur la surface est enlevée continuellement et obligatoirement de la surface par l'action entraînante de la partie de courant de fluide avant l'inversion et qu'elle est ensui- te soumise à l'action de cette partie du courant et éva- cuée par elle hors du séparateur sous l'action de la for- ce centrifuge.
En vue de la réalisation des buts de l'inven- tion, l'appareil qui fait l'objet de celle-ci est simple tant sous le rapport de la construction que sous celui du fonctionnement, mais il est construit et agencé de façon à être capable de réaliser et mettre en pratique la métho- de exposée ci-dessous.
Les dessins représentent un séparateur destiné en premier lieu à séparer des matières étrangères telles que l'humidité contenue dans de la vapeur, mais il est évident pour l'homme de l'art quia l'appareil peut être utilisé pour élininer des matières étrangères analogues contenues dans d'autres fluides gazeux.
Comme le montrent les dessins, le séparateur est constitué par une chambre de séparation a sensible- ment cylindrique renfermée dans une enveloppe comportant une paroi b sensiblement cylindrique et une paroi d'ex- trémité c représentée sous forme de fond sensiblement plat. Le fluide est introduit dans la chambre à travers un orifice d'entrée de forme annulaire d qui se trouve en face de la paroi d'extrémité c et de préférence immédiatement auprès de la paroi cylindrique b. Une rangée annulaire de lames radiales inclinées e est combinée avec l'orifice d'entrée et ces lames sont
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agencées de façon que le fluide passant à travers l'ori fice soit dirigé vers la paroi d'extrémité c, mais qu'une grande vitesse de rotation ou de tourbillonnement lui soit imprimée en même temps.
Un collecteur tubulai- re f est logé entre la chambre a et un orifice g pour l'écoulement du fluide. Le collecteur f comporte une surface collectrice h sensiblement cylindrique) qui est entourée par l'orifice d'entrée d et qui va de cet orifice vers l'orifice de sortie g. La surface inté- rieure j du collecteur a un diamètre inférieur à ce- lui de l'orifice d'entrée d, mais 'supérieur à celui de l'orifice de sortie ± et elle est sensiblement co-axia- le avec les deux orifices. En outre, elle est placée de préférence, par rapport à la paroi d'extrémité c, de façon que son axe longitudinal (projection) fasse un an- gle droit avec la paroi d'extrémité c.
L'orifice de sortie g comporte un rebord annulaire rentrant k sen- siblement concentrique à la surface h et s'engageant entre une partie de cette surface et l'orifice g. Comme le montre le dessin, le rebord k se trouve sur le col- lecteur tubulaire f et il est placé par rapport à la surface intérieure h de façon à former une poche annu- laire 1 dans laquelle se termine la surface h, poche qui est complètement recouverte par le rebord k.
Au point de jonction ou près du point de jonc* tion de la paroi b avec la paroi d'extrémité c se trouve un orifice m pour l'écoulement du liquide. Cet orifice est placé de préférence tangentiellement et il communique avec un tuyau d'évacuation n. Lorsque le séparateur sert de séparateur à vapeur, il est monté de préférence à l'intérieur du tambour de vapeur.ou de.la chambre de vapeur de la chaudière, et le tuyau n des- cend de préférence jusqu'en un point un peu au-dessous
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du niveau normal de l'eau dans la chaudière. Dans les installations de ce genre, le séparateur est combiné avec l'orifice par lequel la vapeur sort de la chaudière, de la façon représentée par la fig. l, dans laquelle l'enve- loppe p de la chaudière est représentée en coupe par- tielle.
Pour les commodités de l'assemblage et de la fabrication, le séparateur est fait de préférence en deux pièces dont la ligne de partage passe à travers le col- lecteur tubulaire f, ces pièces étant fixées l'une à l'autre au moyen de pattes ou oreilles appropriées r et de boulons s. Le rebord est également fait de pré- férence de façon qu'il puisse être vissé sur un coussinet t monté à l'intérieur de l'orifice de sortie de la chau- dière et constituant l'orifice de sortie pour le sépara- teur Ce coussinet est naturellement fixé rigidement à l'enveloppe de la chaudière.
Pour protéger l'orifice d'entrée d de tout excès d'humidité pouvant être entraîné par la vapeur lors- que la chaudière crache ou écume, on utilise de préférence un écran annulaire u monté sur la paroi cylindrique b de la chambre de séparation et s'étendant jusqu'au dehors de cette chambre tout en s'inclinant légèrement vers le bas de façon que son bord extérieur soit un peu au-des- sous du bord supérieur de la paroi b. Cet écran est re- présenté brisé dans les fig. 1 et 2.
Dans la mise en pratique de la méthode qui constitue une partie de l'objet de l'invention, on fait arriver la vapeur dont il s'agit d'extraire l'humidité étrangère, dans la chambre de séparation a à travers l'orifice d'entrée annulaire d à une grande-vitesse linéaire. Cette vitesse est variable, car elle dépend de la chute de pression dans le fluide à son passage dans
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le séparateur et de la chute de pression à l'orifice de sortie au-dessous de la pression à l'erifice d'en- trée d. Les palettes e impriment une grande vitesse tourbillonnaire ou de rotation au courant qui entre et dirigent ce courant vers le fond de la chambre de sépara- tion a,.
La relation entre l'orifice d'entrée annulaire d et la paroi cylindrique b de la chambre de sépara- tion a est telle que le courant annulaire de vapeur en- tre dans la chambre immédiatement près de la surface in- térieure de la paroi b et que cette surface non seule- ment confine le courant annulaire tourbillonnaire, mais soit effectivement en contact avec la partie extérieure au moins de ce courant.
L'action centrifuge causée par la vitesse de rotation du courant de fluide a pour résultat que la ma- tière étrangère, qui est plus lourde, est rejetée vers l'extérieur sur ia paroi b. Cette paroi est de préféren- ce en matière telle qu'elle soit facilement mouillée par le liquide étranger et elle n'est pas perforée et sa forme est telle qu'elle n'empêche pas l'écoulement uniforme à travers sa surface, mais qu'elle exerce simplement une action délimitante et directrice sur la matière étrangère qui s'y amasse. La matière recueillie sur cette paroi tend à s'écouler vers le fond de la chambre a et cette tendance est notablement accentuée, et l'écoulement est accéléré, par l'action d'entrainement et de récurage du courant de vapeur sur la surface intérieure de la paroi b.
Il en résulte que le liquide étranger extrait de la vapeur est refoulé avec une vitesse considérable suivant un chemin en spirale le long de la surface intérieure de la paroi b jusqu'au fond de la chambre de séparation a.
Le liquide ainsi recueilli au fond de la chambre a est également soumis à l'action d'entraînement du courant
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tourbillonnant de fluide et il est par conséquent main- tenu extérieurement par la force centrifuge produite par sa vitesse de rotation, ce qui fait qu'il est expulsé à travers l'orifice n. On conçoit que la force centri- fuge fera monter la pression du liquide extrait du cou- rant de fluide et recueilli, un peu au-dessus de la pression du fluide à l'intérieur de la chambre de sépa- ration a et que le liquide peut par conséquent être expulsé à travers l'orifice n, même dans une zone de pression un peu supérieure à celle qui existe dans la chambre a.
Le courant annulaire de vapeur est consolidé èt la direction de son écoulement linéaire est renversée par l'action combinée du fond ± de la chambre de sépa- ration a et de la position de l'orifice de sortie d par rapport au fond c. Toutefois l'inversion de la direction linéaire se fait sans réduction notable de la vitesse de rotation du courant de fluide, ce qui a pour résultat que la partie annulaire entrante du courant entoure la partie sortante consolidée, mais se déplace sensiblement avec la même vitesse de rotation que la partie consolidée. Cette humidité étrangère qui est extraite du courant consolidé, immédiatement après le renversement de sa direction linéaire, est recueillie par la partie annulaire entrante du courant de fluide et elle est rejetée par cette partie sur la surface collectrice de la paroi b.
Pour assurer l'élimination de sensiblement toute l'humidité étrangère contenue dans le fluide, on fait en sorte que le courant consolidé traverse le col- lecteur tubulaire f dont la surface h est en matiè- re telle qu'elle soit facilement mouillée par le liqui- de étranger; en cutre cette surface n'est pas perforée
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et elle est sensiblement lisse de façon à n'offrir que peu ou pas de résistance à l'éccilement du liquide sur cette surface.
Ainsi qu'on l'a déjà dit, la surface h du collecteur est de préférence concentrique à l'orifice de sortie d, mais son diamètre est un peu plus grand que celui de cet orifice. La consolidation du courant et la durée du renversement de la direction linéaire de son écoulement sont le résultat de l'action tourbillonnante du courant lui-même., ainsi que de la position de l'orifi- ce µ par rapport au fond de la chambre de séparation a.
L'action tourbillonnante tend à comprimer le courant ren- versé, naturellement aux dépens d'une partie de l'énergie de rotation ou de la vitesse du courant. En se déplaçant vers le haut pour s'écarter de la zone où l'influence touroilloanaire est maxima, le courant tend à augmenter légèrement de diamètre, mais cette tendance est annulée par le fait que le diamètre de l'orifice de sertie est inférieur au diamètre moyen de la chambre de séparation a et aussi par le fait que la partie consolidée du cou- rant est soumise à l'action dàlimitante de la partie an- nulaire du courant.
Il en résulte qu'alors que le courant consolidé peut se détendre de façon à remplir sensiblement l'extré- mité intérieure ou inférieure du collecteur tubulaire f, l'action indirecte de l'orifice de sortie plus petit g tendra à écarter le courant de la surface collectrice h, ce qui aura pour effet que l'extrémité inférieure de cette surface ne sera pas soumise à un récurage et à une action d'entraînement du fluide aussi intenses, et qu'en outre l'action d'entraînement et de récurage du courant tour- billonnaire diminuera progressivement le long de la sur- face h dans la direction de l'écoulement linéaire du
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courant jusqu'à ce qu'elle soit sensiblement nulle.
Cet- te diminution progressive de l'action d'entraînement est également accentuée par le fait que le rebord k sur- plombe une partie de la surface h et écarte par consé- quent de cette surface le courant de fluide sortant. Le rebord protège aussi effectivement une partie de la sur- face h et empêche ainsi obligatoirement l'effet de l'action d'entraînement du fluide de se manifester à l'intérieur de ce qu'on appelle la poche 1.
Le liquide étranger rejeté au dehors par le courant tourbillonnaire qui traverse le collecteur tubu- laire f est recueilli sur la surface h et, par suite de l'affinité de cette surface pour le liquide, il s'éta- le sous forme de pellicule mince qui est maintenue sur la surface par la force d'adhérence entre la surface et le liquide. Dans les parties inférieures de la surface cette pellicule est soumise à une légère action d'entrai- nement et elle tend à se mouvoir suivant une circonfé- rence tout autour de la surface.
A mesure que la vitesse d'arrivée du liquide sur la surface augmente,l'épais- séur de la pellicule augmente également et la force de cohésion étant inférieure à la force d'adhérence, le li- quide en excès roule effectivement sur la pellicule adhérente de liquide et se meut en spirale sur cette surface, de façon à former ainsi rapidement l'épaisseur de la partie supérieure de la pellicule.
Toutefois l'action de propulsion du fluide diminue vers l'orifice de sortie g, ce qui a pour ef- fet que le liquide recueilli sur la surface h s'amasse en globules ou sous forme de pellicule plus épaisse vers l'orifice de sortie, et dans ces conditions la gravité agissant sur les globules plus gros ou la pellicule plus épaisse est telle qu'elle oblige le liquide à s'écouler
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vers le bas sur la surface h jusqu'à son bord infé- rieur.
Ce mouvement du liquide n'est pas sensiblement empêché par l'action d'entraînement du fluide, sauf que le liquide descend effectivement suivant une spirale, ce qui indique que l'action d'entraînement du fluide, même à l'extrémité inférieure de la surface h, n'est pas capa- ble de compenser complètement la gravité qui agit sur les globules plus gros ou la pellicule plus épaisse, et ce particulièrement lorsqu'un moavement des globules ou de la pellicule vers le bas a commencé en un point de la surface h où la force d'entraînement et de récurage ost notablement moins efficace.
Le liquide qui descend sur la surface h entre dans une zone qui est soumise à l'action d'entraînement de la partie annulaire entrante du courant de fluide et il est effectivement entrain6 par le courant qui entre, abandonnant la surface h sous forme d'un rideau de brouillard qui est immédiatement incorporé à la partie annulaire tourbillonnante du courant et rejeté vers l'ex- térieur sur la surface de la paroi b par la force cen- trifuge produite par la grande vitesse qui lui est donnée par la partie entrante du courant.
Lorsque 1'écoulement du liquide est très pro- noncé, on constate effectivement que le rideau de brouil- lard tend à se concentrer pour former plusieurs jets plus ou moins nettement définis dont l'écartement correspond à l'écartement entre les lames e, ces jets étant dirigés dans le sens de la vitesse tourbillonnaire du courant de fluide.
On conçoit naturellement que la majeure partie du liquide introduit avec le fluide gazeux, de la vapeur par exemple, est rejetée sur la surface de la parie b de la chambre de séparation a. aussitôt après l'entrée
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dans cette chambre, mais qu'une certaine partie de l'humi- dité est entraînée avec le fluide dans son passage à tra- vers le fond c et qu'elle est captée par l'action tour- billonnante du courant au moment de l'inversion du sens de l'écoulement linéaire du fluide, Une partie de ce liquide, et tout autre liquide qui aurait pu passer sur la paroi b, sont évacués directement, par le courant tourbillonnaire.
consolidé, dans le courant annulaire entrant, et, comme on lta déjà dit plus haut, rejetés sur la surface collectrice h.
Il est évident qu'il est extrêmement important que la surface collectrice h soit placée, par rapport aux lignes d'écoulement du fluide à travers le séparateur, de façon à ne pas être exposée à une action de récurage et d'entraînement intense de la part du fluide. Il est éga- lement évident que la surface h doit être placée de façon que l'effet d'entraînement produit par le fluide diminue progressivement jusqu'en un point où il soit sensiblement nul.
Par exemple, si la surface h a une forme correspon- dant sensiblement aux lignes d'écoulement du fluide à tra- vers le séparateur, il est évident que toute humidité re- cueillie sur cette surface se déplacera ou tendra à se dé- placer sur cette surface sous .l'action de la force d'en- traînement du fluide et qu'elle sortira avec le fluide par l'orifice g, car il n'y aurait aucune tendance à empêcher l'écoulement par entraînement et par conséquent à permettre au fluide de s'accumuler ou de s'amasser à un degré tel que la gravité ait une action efficace en déplaçant le liquide accumulé sur la surface h en opposition avec l'action d ' entraînement.
L'observation réelle du séparateur en marche montre qu'il ne passe que peu ou pas d'humidité sur la sur- face cylindrique b, sauf lorsque de grandes quantités de
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liquide, en comparaison du fluide gazeux qui passe à travers le séparateur, sont introduites dans le sépara- teur. Lorsque le débit du liquide augmente, l'action. collectrice de la surface b se manifeste d'abord en ac- cumulant une mince couche de liquide près de son extrémi- té inférieure.
Lorsque la quantité de liquide introduite augmenté, cette couche ou pellicule s'élargit et commence à s'épaissir sur son bord supérieur en formant des globu- les de liquide plus ou moins bien définis qui descendent en spirale sur la surface h vers le bord inférieur de celle-ci. Il est donc évident que lorsque la pellicule s'est accumulée jusqu'à une épaisseur telle que l'action d'adhésion de la surface mouillée h est inefficace pour résister à l'action d'entraînement exercée par la gravité sur le liquide, l'écoulement vers le bas commence à se produire et qu'après que cet écoulement a commencé Inaction d'entraînement du fluide, même dans les parties inférieures de la surface h,
ntest pas suffisante pour l'emporter sur l'action de la gravité ou pour empêcher l'écoulement, et le liquide s'écoule continuellement sur le bord inférieur de la surface, comme cela a été décrit ci-dessuso
Cet écoulement sur le bord inférieur de la sur- face h est dû au fait que le courant annulaire de flui- de entrant dans l'accumulateur se détend légèrement aus- sitôt après avoir passé sur les surfaces de délimitation de l'orifice d'entrée d et qu'il exerce par conséquent une action de balayage ou de récurage sur le bord infé- rieur de la surface b qui, comme le montrent les des- sins, est taillée en biseau sur son bord inférieur, de façon à augmenter son diamètre.
Il en résulte que le liquide qui se déplace vers le bas sur la surface h est évacué hors de cette surface par l'effet combiné de
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cette action de balayage ou de récurage et de l'effet de cohésion du liquide même. La gravité joue naturellement un rôle très important, mais lteffet de cohésion accentue l'effet de la gravité en ce que chaque particule de liqui- de enlevée ou arrachée du bord inférieur de la surface h tend à rester en arrière avec son liquide adjacent qui nia pas encore atteint la zone où l'effet d'entraînement du courant annulaire de liquide entrant est maximum.
En outre la rotation du liquide entrant et du liquide sor- tant se fait dans le même sens et par conséquent tout li- quide est soumis, sous l'influence du bord inférieur de la surface h, à l'effet d'arrachement dû à cette vitesse de rotation et aussitôt qu'il est arraché il se meut aus- sitôt vers l'extérieur en s'écartant du courant sortant pour se mêler au courant entrant sous un angle;
Il est également évident que la contraction du courant consolidé, contraction cccasionnée par le rebord surplombant k de diamètre inférieur à celui de la sur- face collectrice h aide aussi à l'évacuation de toute humidité ou de tout liquide étranger hors du courant.. lorsque celui-ci traverse le séparateur.
La matière étrangère telle que le liquide ou l'humidité est sensi- blement plus lourde que le fluide entraînant lui-même et . en conséquence, alors que le fluide qui s'écoule se plie- ra lui-même facilement aux diamètres variables du courant, la matière étrangère plus lourde résistera à ces varia- tions sur le trajet de son écoulement et elle tendra tou- jours à s'écarter du centre de rotation du courant, ce qui aura pour effet que sensiblement toute la matière étrangère entraînée par la partie consolidée du courant sera évacuée hors de cette partie avant que le courant niait complété son passage à travers le collecteur tubu- laire f.
Il est également évident que la partie @
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supérieure de la surface collectrice f, protégée comme elle l'est par le rebord k, assurera l'accumulation de liquide recueilli en quantités telles que la force due à la gravité qui agit sur ce liquide sera suffisante pour faire commencer et continuer son écoulement vers le bas jusqu'au bord inférieur du collecteur.
Il est également évident que la poche protégée 1 empêche absolument le liquide recueilli sur la surfa- ce h de suivre les surfaces des différents passages et par suite de sortirpar l'orifice de sortie g avec le fluide, parce que la partie supérieure de la surface h n'est pas soumise à l'effet entraînant du fluide et qu'en conséquence les seules forces agissant sur le li- quide qui se trouve sur cette partie de la surface h sont la force de cohésion entre le liquide et les surfa- ces, et la force due à la gravité.
On conçoit que l'invention peut être appliquée pour éliminer une matière étrangère telle que de la poussière contenue dans des fluides gazeux tels que le gaz de hauts-fourneaux par exemple. Lorsque le sépara- teur est utilisé dans un pareil but, il sera utile d'in- troduire de l'humidité avec le fluide gazeux, de façon que l'humidité puisse jouer le r8le de véhicule pour recueillir et entraîner cette laitière étrangère. On peut introduire cette humidite en utilisant un ou plu- sieurs jets d'eau agencés autour de l'orifice d'entrée d et se déversant à travers l'orifice avec le fluide gazeux qui entre. Dans ces conditions l'humidité sera recueillie par l'action centrifuge et elle mouillera la surface de la paroi b ainsi qu'une certaine partie de la surface h.
Elle recueillera aussi la poussière mé- caniquement à mesure qu'elle se déplacera à travers le courant de fluide et les surfaces mouillées mentionnëes
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ci-dessus recueilleront et évacueront la poussière avec l'eau recueillie par elles, ce résultat étant obtenu de la façon indiquée plus haut.
Dans les installations de chaudières à vapeur, lorsque l'eau d'alimentation contient une quantité anorma- le d'impuretés en suspension, ou lorsqu'on introduit des produits chimiques pour le traitement de l'eau de la chau- dière, ce qui augmente la quantité de matières insolubles contenues dans l'eau, il peut être utile d'utiliser des dispositifs pour évacuer toute matière solide pouvant être recueillie par le séparateur sans la renvoyer dans l'eau de la chaudière.
La fig. 4 montre l'agencement d'un appareil pou- vant être utilisé dans ce but.
Comme le montre cette figure, le tuyau d'évacua- tion du séparateur traverse l'enveloppe de la chaudière et pénètre à l'intérieur d'un réservoir extérieur v compor- tant à son extrémité inférieure une soupape de vidange, tandis que son extrémité supérieure communique avec la chambre à eau de la chaudière au moyen d'un tuyau w. Le réservoir constitue effectivement un tambour de dépôt et sa capacité dcit être d'environ 150 à 160 litres par 1000 CV développés par la chaudière avec laquelle il est com- biné. On peut vidanger ce réservoir de temps à autre et éjecter ainsi la matière solide recueillie par le sépara- teur.
Lorsque la chaudière est munie d'un collecteur de boues, le tuyau!. peut communiquer directement avec le collecteur de boues ou bien le réservoir y, peut être supprimé et le tuyau n peut être relié au collecteur de boues.
Bien que la description ci-dessus concerne un seul type d'appareil construit suivant l'invention et ca- pable de servir peur la mise en pratique de la méthode
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exposée, il est évident qu'on peut apporter différents changements ou modifications et qu'on peut modifier la Mé- thode exposée sahs sortir du cadre et sans écarter de l'es- prit de l'invention.
A indique le niveau normal de 11 eau dans la chaudière.
- : REVENDICATIONS : -
1.- La méthode d'extraction de matière étran- gère contenue dans un courant tourbillonnaire de fluide gazeux se mouvant avec une grande vitesse linéaire, méthode consis- tant à faire passer le courant à travers une surface collec- trice cylindrique afin de recueillir sur cette surface la matière étrangère rejetée hors de ce courant vers l'extérieur en raison des efforts centrifuges produits par le tourbil- lonnement du courante et à faire en sorte que le courant se contracte en passant sur cette surface, de façon à diminuer progressivement l'effet de récurage et d'entraînement de ce courant sur cette surface dans le sens du trajet linéaire du courant,puis à évacuer la matière étrangère retenue sur cette surface.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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PATENT
Improvements in the extraction of foreign matter contained in fluids or gases.
The present invention relates to separators such as those which are used to extract foreign material from fluids or gases and also relates to an improved method for the removal of foreign material from fluids or gases.
One of the objects of the invention is to achieve a simpler and more efficient method than those which have been used heretofore for removing foreign matter contained in a fluid or a gas, as well as to achieve, for achieve this result, a simpler and more efficient device than those which have been used so far.
It has so far been possible to extract part of the foreign matter contained in a fluid stream
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gaseous or entrained by this current, but even when the conditions were the most favorable, it was too expensive, from the point of view of the expenses of the first establishment and the operating expenses, and in fact even impossible, to realize and to operate an apparatus capable of eliminating substantially all of the foreign matter contained in the fluid, it has been possible, for example, to eliminate part of the water contained in a stream of steam, but it has been impossible hitherto to realize a steam separator or a method of separating the moisture contained in the steam moving at high and variable speeds,
which is capable of removing substantially all of the moisture entrained by the steam and of providing steam having approximately the characteristics of "dry saturated" steam. when the vapor treated or sent through the separator initially contains a large proportion of moisture.
According to the invention, it is possible to separate the extraneous moisture and other foreign matter contained in the steam supplied by a boiler or a steam generator even when the generator spits strongly and obtain roughly dry steam. clean without resorting to secondary heating or superheaters and without subjecting the steam to the action of rotating or moving parts.
Another object of the invention is therefore to provide a simple and efficient steam separator providing steam having approximately the characteristics of "dry saturated" steam, even when the steam supplied to the separator contains a strength. - the proportion of humidity and even when the vapor passing through the separator moves at high speeds and
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variables.
These and other objects of the invention will be better understood by reference to the description which follows, as well as to the accompanying drawings, which represent the devices by means of which these objects are achieved.
Fig. 1 of the drawings is a vertical section of a separator constructed in accordance with the invention and which may be used for practicing the method which constitutes a feature of this invention;
Fig. 2 is a plan of the apparatus shown in FIG. 1, in section through line 2-2 of FIG. 1;
Fig. 3 is a partial section showing a detail of the invention, and
Fig. 4 is a schematic view of a boiler and shows one way of installing the improved separator which is the object of the invention.
The method which forms part of the object of the invention consists in subjecting a vortex stream of fluid moving at a high linear speed to the action of a primary collecting surface, and then suddenly changing the linear direction of the fluid. flow and consolidate the current without significantly reducing its swirl speed. The stream is then subjected to the collecting action of a secondary collecting surface, but under conditions such that the driving and scouring action of the steam on the surface is not only minimized, but also goes. gradually decreasing along the surface in the direction of linear flow until it is substantially zero.
Under these conditions, foreign matter such as moisture, collected on the surface, can and do obey the action of gravity.
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and flow along the surface in opposition to the driving force of the fluid.
Another important feature of the invention. tion is that the foreign matter which accumulates on the surface is continuously and compulsorily removed from the surface by the entraining action of the part of the fluid stream before the inversion and is subsequently subjected to the action of this part of the current and evacuated by it out of the separator under the action of centrifugal force.
With a view to achieving the objects of the invention, the apparatus which forms the subject thereof is simple both in construction and in operation, but it is constructed and arranged so as to be able to carry out and put into practice the method set out below.
The drawings show a separator intended primarily for separating foreign matter such as moisture contained in steam, but it is obvious to those skilled in the art that the apparatus can be used to remove like foreign matter. contained in other gaseous fluids.
As shown in the drawings, the separator consists of a substantially cylindrical separation chamber a enclosed in a casing having a substantially cylindrical wall b and an end wall c shown as a substantially flat bottom. The fluid is introduced into the chamber through an annular-shaped inlet port d which faces the end wall c and preferably immediately adjacent to the cylindrical wall b. An annular row of inclined radial blades e is combined with the inlet orifice and these blades are
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arranged so that the fluid passing through the orifice is directed towards the end wall c, but that a high rotational or swirl speed is imparted to it at the same time.
A tubular manifold f is housed between chamber a and an orifice g for the flow of fluid. The collector f has a substantially cylindrical collecting surface h) which is surrounded by the inlet orifice d and which goes from this orifice towards the outlet orifice g. The interior surface j of the manifold has a diameter smaller than that of the inlet port d, but greater than that of the outlet port ± and is substantially coaxial with the two ports. . In addition, it is preferably placed, relative to the end wall c, so that its longitudinal axis (projection) forms a right angle with the end wall c.
The outlet orifice g comprises an annular rim entering k substantially concentric with the surface h and engaging between a part of this surface and the orifice g. As shown in the drawing, the rim k is on the tubular collector f and is placed relative to the inner surface h so as to form an annular pocket 1 in which the surface h ends, which pocket is completely covered by the rim k.
At the junction point or near the junction point of the wall b with the end wall c is an orifice m for the flow of liquid. This orifice is preferably placed tangentially and it communicates with an evacuation pipe n. When the separator serves as a steam separator, it is preferably mounted inside the steam drum. Or the steam chamber of the boiler, and the pipe preferably descends to a point a little. below
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the normal water level in the boiler. In installations of this kind, the separator is combined with the orifice through which the steam leaves the boiler, as shown in fig. 1, in which the casing p of the boiler is shown in part section.
For convenience of assembly and manufacture, the separator is preferably made in two parts, the parting of which passes through the tubular collector f, these parts being fixed to each other by means of appropriate lugs or ears r and bolts s. The rim is also preferably made in such a way that it can be screwed onto a bearing t mounted inside the outlet of the boiler and constituting the outlet for the separator Ce. pad is naturally rigidly fixed to the boiler casing.
To protect the inlet port d from any excess moisture which may be entrained by the steam when the boiler spits or foams, an annular screen u mounted on the cylindrical wall b of the separation chamber is preferably used and extending to the outside of this chamber while tilting slightly downwards so that its outer edge is a little below the upper edge of the wall b. This screen is shown broken in fig. 1 and 2.
In the practice of the method which forms part of the object of the invention, the vapor from which it is a question of extracting the extraneous moisture is made to arrive in the separation chamber a through the orifice annular inlet d at a high linear speed. This speed is variable, because it depends on the pressure drop in the fluid as it passes through
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the separator and the pressure drop at the outlet port below the pressure at the inlet port d. The paddles e impart a high vortex or rotational speed to the incoming stream and direct this stream to the bottom of the separation chamber a ,.
The relationship between the annular inlet port d and the cylindrical wall b of the separation chamber a is such that the annular stream of vapor enters the chamber immediately near the inner surface of the wall b and that this surface not only confines the annular eddy current, but is effectively in contact with at least the outer part of this current.
The centrifugal action caused by the rotational speed of the fluid stream results in the foreign material, which is heavier, being thrown out onto the wall b. This wall is preferably of a material such that it is easily wetted by the foreign liquid and is not perforated and its shape is such that it does not prevent uniform flow through its surface, but that 'it simply exerts a delimiting and directing action on the foreign matter which accumulates there. The material collected on this wall tends to flow towards the bottom of the chamber a and this tendency is markedly accentuated, and the flow is accelerated, by the entraining and scouring action of the vapor stream on the interior surface. from the wall b.
As a result, the foreign liquid extracted from the vapor is discharged with considerable speed following a spiral path along the inner surface of the wall b to the bottom of the separation chamber a.
The liquid thus collected at the bottom of the chamber a is also subjected to the driving action of the current
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swirling with fluid and is therefore held externally by the centrifugal force produced by its speed of rotation, so that it is expelled through the orifice n. It will be understood that the centrifugal force will cause the pressure of the liquid extracted from the fluid stream and collected to rise, a little above the pressure of the fluid inside the separation chamber a and that the liquid can therefore be expelled through the orifice n, even in a pressure zone a little higher than that which exists in the chamber a.
The annular vapor stream is consolidated and the direction of its linear flow is reversed by the combined action of the bottom ± of the separation chamber a and the position of the outlet port d relative to the bottom c. However, the reversal of the linear direction takes place without a noticeable reduction in the rotational speed of the fluid stream, which results in the incoming annular part of the stream surrounding the consolidated outgoing part, but moves with substantially the same speed of rotation as the consolidated part. This extraneous moisture which is extracted from the consolidated stream, immediately after reversing its linear direction, is collected by the incoming annular part of the fluid stream and it is rejected by this part on the collecting surface of the wall b.
To ensure the removal of substantially all of the extraneous moisture contained in the fluid, the consolidated stream is made to pass through the tubular collector f, the surface h of which is of a material such that it is easily wetted by the fluid. foreign liquid; in addition this surface is not perforated
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and it is substantially smooth so as to offer little or no resistance to the flow of liquid on that surface.
As has already been said, the surface h of the collector is preferably concentric with the outlet orifice d, but its diameter is a little larger than that of this orifice. The consolidation of the current and the duration of the reversal of the linear direction of its flow are the result of the swirling action of the current itself., As well as the position of the orifice µ relative to the bottom of the chamber. separation a.
The swirling action tends to compress the reverse current, naturally at the expense of some of the rotational energy or speed of the current. By moving upwards to move away from the zone where the turoilloanar influence is maximum, the current tends to increase slightly in diameter, but this tendency is canceled out by the fact that the diameter of the crimp hole is less than mean diameter of the separation chamber a and also by the fact that the consolidated part of the stream is subjected to the limiting action of the annular part of the stream.
As a result, while the consolidated stream can expand so as to substantially fill the inner or lower end of the tubular header f, the indirect action of the smaller outlet g will tend to move the stream away from it. the collecting surface h, which will have the effect that the lower end of this surface will not be subjected to such intense scouring and to such an intense scouring action of the fluid, and that in addition to the driving action and scouring the vortex current will gradually decrease along the surface h in the direction of the linear flow of the
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current until it is substantially zero.
This gradual decrease in the driving action is also accentuated by the fact that the rim k overhangs a part of the surface h and therefore separates the outgoing stream of fluid from this surface. The rim also effectively protects part of the surface h and thus necessarily prevents the effect of the driving action of the fluid from appearing inside what is called the pocket 1.
The foreign liquid expelled out by the vortex current which passes through the tubular collector f is collected on the surface h and, owing to the affinity of this surface for the liquid, it spreads out as a thin film. which is held on the surface by the adhesive force between the surface and the liquid. In the lower parts of the surface this film is subjected to a slight dragging action and tends to move in a circumference all around the surface.
As the rate of arrival of liquid on the surface increases, the thickness of the film also increases and the cohesive force being less than the adhesion force, the excess liquid effectively rolls on the film. adherent with liquid and moves in a spiral on this surface, so as to rapidly form the thickness of the upper part of the film.
However, the propelling action of the fluid decreases towards the outlet port g, which has the effect that the liquid collected on the surface h collects in globules or in the form of a thicker film towards the outlet port. , and under these conditions gravity acting on the larger blood cells or the thicker film is such that it forces the liquid to flow
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down on the surface h to its lower edge.
This movement of the liquid is not substantially prevented by the driving action of the fluid, except that the liquid actually descends in a spiral, indicating that the driving action of the fluid, even at the lower end of the surface h, is not able to fully compensate for the gravity acting on the larger blood cells or the thicker film, especially when a downward movement of the blood cells or film has started at a point of the surface h where the driving and scrubbing force is notably less effective.
The liquid which descends on the surface h enters an area which is subjected to the driving action of the incoming annular part of the fluid stream and is effectively carried away by the incoming stream, leaving the surface h as a liquid. a curtain of fog which is immediately incorporated into the swirling annular part of the current and thrown outwards onto the surface of the wall b by the centrifugal force produced by the high speed given to it by the entering part of the current.
When the flow of the liquid is very pronounced, it is indeed observed that the mist curtain tends to concentrate to form several more or less clearly defined jets, the spacing of which corresponds to the spacing between the blades e. jets being directed in the direction of the vortex velocity of the fluid stream.
It will naturally be understood that the major part of the liquid introduced with the gaseous fluid, steam for example, is rejected on the surface of the part b of the separation chamber a. immediately after entering
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in this chamber, but that a certain part of the moisture is entrained with the fluid in its passage through the bottom c and that it is captured by the swirling action of the current at the time of l 'reversal of the direction of the linear flow of the fluid, A part of this liquid, and any other liquid which could have passed on the wall b, are evacuated directly, by the vortex current.
consolidated, in the incoming annular current, and, as we have already said above, rejected on the collecting surface h.
It is evident that it is extremely important that the collecting surface h be placed, relative to the lines of flow of the fluid through the separator, so as not to be exposed to intense scrubbing and dragging action of the separator. part of the fluid. It is also evident that the surface h must be placed so that the driving effect produced by the fluid gradually decreases to a point where it is substantially zero.
For example, if the surface has a shape substantially corresponding to the lines of flow of the fluid through the separator, it is obvious that any moisture collected on that surface will move or tend to move over that. surface under the action of the driving force of the fluid and that it will exit with the fluid through the orifice g, since there would be no tendency to prevent the flow by entrainment and therefore to allow allowing the fluid to accumulate or collect to such an extent that gravity has an effective action in moving the accumulated liquid on the surface h in opposition to the driving action.
Actual observation of the separator in operation shows that little or no moisture passes over the cylindrical surface b, except when large quantities of
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liquid, in comparison to the gaseous fluid which passes through the separator, are introduced into the separator. When the flow of liquid increases, the action. collecting surface b first manifests itself by accumulating a thin layer of liquid near its lower end.
When the quantity of liquid introduced increases, this layer or film widens and begins to thicken on its upper edge, forming more or less well defined globules of liquid which descend in a spiral on the surface h towards the lower edge. of it. It is therefore evident that when the film has accumulated to a thickness such that the adhesion action of the wetted surface h is ineffective in resisting the driving action exerted by gravity on the liquid, l downward flow begins to occur and after this flow has begun Inaction of entrainment of the fluid, even in the lower parts of the surface h,
is not sufficient to outweigh the action of gravity or to prevent flow, and the liquid continuously flows over the lower edge of the surface, as described above o
This flow on the lower edge of the surface h is due to the fact that the annular flow of fluid entering the accumulator relaxes slightly immediately after passing over the boundary surfaces of the inlet orifice. d and therefore exerts a sweeping or scouring action on the lower edge of the surface b which, as the drawings show, is bevelled on its lower edge, so as to increase its diameter .
As a result, the liquid which moves downward on the surface h is evacuated out of this surface by the combined effect of
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this sweeping or scrubbing action and the cohesive effect of the liquid itself. Gravity naturally plays a very important role, but the cohesive effect accentuates the effect of gravity in that each particle of liquid removed or torn from the lower edge of the surface h tends to stay behind with its adjacent liquid which negates the effect of gravity. not yet reached the zone where the entrainment effect of the annular stream of incoming liquid is maximum.
In addition, the rotation of the entering liquid and the exiting liquid takes place in the same direction and consequently any liquid is subjected, under the influence of the lower edge of the surface h, to the tearing effect due to this speed of rotation and as soon as it is torn it immediately moves outward, moving away from the outgoing current to mix with the incoming current at an angle;
It is also evident that the contraction of the consolidated stream, contraction caused by the overhanging rim k of diameter smaller than that of the collecting surface h also assists in the evacuation of any moisture or any foreign liquid out of the stream .. when this passes through the separator.
Foreign matter such as liquid or moisture is significantly heavier than the entraining fluid itself and. accordingly, while the flowing fluid will bend itself easily to varying diameters of the stream, the heavier foreign matter will resist these variations in the path of its flow and will always tend to s 'move away from the center of rotation of the stream, whereby substantially all of the foreign matter entrained by the consolidated portion of the stream will be flushed out of this portion before the stream has completed its passage through the tubular collector f.
It is also evident that the @ part
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of the collecting surface f, protected as it is by the rim k, will ensure the accumulation of liquid collected in quantities such that the force due to gravity acting on this liquid will be sufficient to start and continue its flow towards down to the lower edge of the manifold.
It is also evident that the protected pocket 1 absolutely prevents the liquid collected on the surface h from following the surfaces of the different passages and consequently from leaving through the outlet opening g with the fluid, because the upper part of the surface h is not subjected to the driving effect of the fluid and that consequently the only forces acting on the liquid which is on this part of the surface h are the force of cohesion between the liquid and the surfaces , and the force due to gravity.
It is understood that the invention can be applied to remove foreign matter such as dust contained in gaseous fluids such as blast furnace gas for example. When the separator is used for such a purpose, it will be useful to introduce moisture with the gaseous fluid, so that the moisture can act as a vehicle for collecting and entraining this extraneous milk. This moisture can be introduced by using one or more jets of water arranged around the inlet port d and flowing through the port with the gaseous fluid entering. Under these conditions the humidity will be collected by the centrifugal action and it will wet the surface of the wall b as well as a certain part of the surface h.
It will also collect dust mechanically as it moves through the fluid stream and the wet surfaces mentioned.
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above will collect and evacuate the dust with the water collected by them, this result being obtained in the manner indicated above.
In steam boiler installations, when the feed water contains an abnormal amount of suspended impurities, or when chemicals are introduced for the treatment of the boiler water, which increases the amount of insoluble matter contained in the water, it may be useful to use devices to remove any solid matter which may be collected by the separator without returning it to the boiler water.
Fig. 4 shows the arrangement of an apparatus which can be used for this purpose.
As shown in this figure, the drain pipe of the separator passes through the casing of the boiler and enters the interior of an external tank v having at its lower end a drain valve, while its end upper communicates with the water chamber of the boiler by means of a pipe w. The tank effectively constitutes a deposit drum and its capacity is said to be around 150 to 160 liters per 1000 HP developed by the boiler with which it is combined. This tank can be emptied from time to time and thus ejected the solid material collected by the separator.
When the boiler is fitted with a sludge collector, the pipe !. can communicate directly with the sludge collector or the tank y, can be omitted and the pipe n can be connected to the sludge collector.
Although the above description relates to only one type of apparatus constructed in accordance with the invention and capable of being used for the practice of the method.
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disclosed, it is evident that various changes or modifications can be made and that the disclosed Method can be modified without departing from the scope and without departing from the spirit of the invention.
A indicates the normal water level in the boiler.
-: CLAIMS: -
1.- The method of extracting foreign matter contained in a vortex stream of gaseous fluid moving with a high linear speed, method consisting in passing the current through a cylindrical collecting surface in order to collect on this surface the foreign matter thrown out of this current to the outside due to the centrifugal forces produced by the vortex of the current and to cause the current to contract while passing over this surface, so as to gradually decrease the effect of scouring and entraining this current on this surface in the direction of the linear path of the current, then to remove the foreign material retained on this surface.
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