Brevet FR2067319A1 — publié le 19710820

La présente invention a pour objet ua diapositif de transmission de chaleur pour la récupération de la chaleur de gaz d'échappement. Dans l'industrie thermique se pose souvent le problème de la réeupération de la chaleur de gaz chaudes, moyennant un dispositif peu onéreux et facilement réglable, en vue du réchauffage ou de l'évaporation d'ua fluide quelconque absorbant la chaleur (généralement de l'eau). Des problèmes particuliers se posent dans les cas od la production des gaz chauds ne se fait pas en fonction des besoins en fluide absorbant la chaleur. Ce cas se présente, par exemple, lorsque les gaz chauds sont des gaz d'échappement et lorsque le fluide absorbant la chaleur est de l'eau servant au chauffage. I1 arrive, par exemple, fréquemment que l'on ne soutire pas de chaleur à un système de chauffage, tandis que les gaz d'échappement sont produits malgré tout. Dans de tels cas, les modes de régulation connus jusqu'ici sont en partie irréalisables ou exigent la mise en oeuvre des dispositifs onéreux. En ce qui concerne cette régulation, oa connatt un procédé suivant lequel on règle l'absorption de chaleur par le fluide absorbant la chaleur en faisant varier la quantité et/ou la température des gaz d'échappement. De même, on connais un procédé suivant lequel on règle la quantité de vapeur produite en fonction du degré d'inondation (dans de tels cas, on évapore le fluide absorbant la chaleur dans un appareil à grand volume d'eau, ohauffée directement par les gaz chauds). a régulation par modification de la quantité de gaz peut, dans le cas mentionné, se faire par déviation, mais cela uniquement en principe, car les organes d'arrêt ne ferment jamais parfaitement et les gaz chauds passant ainsi malgré tout par les organes d'arrêt provoquent une montée inadmissible de la pression sur le côté secondaire ou un chauffage excessif de l'eau ou une évaporation de cette dernière. Par ailleurs, les organes servant à la déviation du gaz sont très onéreux. Ea cas de régulation par variation du degré dti- nondation des surfaces, les surfaces d'échange de chaleur entrent directement en contact avec les gaz de fumée chauds lorsque l'ensemble du fluide absorbant la chaleur se trouvant initialement n contact avec ces surfaces de chauffe, s'évapore, c'est-b~dire lorsque ces surfaces ne sont plus balayées par ce fluide, ce qwi fait que cea surfaces deviennent elles-memes très chaudes et qu'il s'y dépose très rapidement du calcaire. Par suite de l'altération rapide de la transmission de chaleur qui en résulte, il faut utiliser des surfaces de très grande étendue et également nettoyer fréquemment ces surfaces. les tubes se trouvent, en outre, souvent endommagés. De plus, on connaît un procédé suivant lequel le gaz chaud fait évaporer un fluide intermédiaire on de transfert quelconque, tandis que le fluide absorbant la chaleur, destiné à etre chauffé ou à être évaporé, absorbe la chaleur de ce fluide de transfert dans le condenseur. Dans ce cas, le mode de régulation connu jusqu'ici consiste dans le fait que le fluide absorbant la chaleur absorbe toujours l'ensemble de la chaleur susceptible autre récupérée à partir des gaz chauds, tandis qu'un troisième fluide auxiliaire soutire directement l'excès de chaleur, sur une surface d'échange de chaleur supplémentaire, au fluide absorbant la chaleur. Ce procédé a été mis au point an vue de remé- dier aux inconvénients des procédés déjà décrits, connus depuis longtemps et pouvant Qtre considérés pour ainsi dire comme classiques, et il donne des résultats meilleurs que ces procédés. Toutefois, ce procédé présente également un grave inconvénient, i sawoir que sa mise en oeuvre exige l'utilisation dgg trois me fluide, est compliquée et onéreuse et impliques l'utilisation d'un échangeur de chaleur triple. Un fluide de transfert est utilisé également pour la transmission de chaleur dans des chaudières, à savoir dans les chaudières du type Schmidt-Hardtmann, généralement con nues. Cependant, du fait que ces chaudières comportent leur pro pre foyer, la régulation s'effectue évidemment en passant par la régulation du foyer. I1 faut noter que pour des raisons de sécu- rité fondamentales, on impose une condition fondamentale à ce type de chaudières à savoir que le circuit du fluide de trans- fert ne do-it comporter aucun organe limitant l'écoulement.En effet, dans le cas où la circulation tombe en cours de fonction nement en dessous d'une valeur déterminée, les surfaces de chauf- fe de la chaudibre brûlent et la chaudière tout entière se trou- te détruite. La présente invention vise à remédier aux ia- convénients énumérés ci-dessus et se rapporte à un dispositif de transmission de chaleur servant à la récupération de la chaleur de gaz d'échappement, dispositif dans lequel la production de vapeur peut Btre réglée à l'aide de moyens très simples, sans qu'il soit nécessaire, en vue d'arrêter la production de vapeur, d'arrêter également l'écoulement des gaz d'échappement. L'inven- tion est basée sur la constatation que l'on peut obtenir le résultat mis en évidence ci-dessus si la chaleur des gaz dléchap- pement est récupérée au moyen d'un fluide de transfert et si le eircuit du fluide de transfert renferme un organe spécial, limitant ou arrêtant l'écoulement du liquide. Par conséquent, l'invention a pour objet un dispositif de transmission de chaleur pour la récupération de la chaleur de gaz d'échappement, ce dispositif étant caractérisé par le fait que dans le trajet des gaz d'échappement est monté un échangeur de chaleur servant à l'évaporation d'un fluide de transfert, échangeur auquel est raccordé, en circuit fermé, un échangeur de chaleur muni d'un organe de décharge conforme à l'in- vention et condensant la vapeur du fluide de transfert, et par le fait qu'un organe particulier, susceptible dlassurer la limitation et l'arrêt de l'écoulement du liquide, est monté dans la os- nalisation de liquide se trouvant entre les deux échangeurs de chaleur. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'organe de décharge est un réservoir de gaz à chauffage naturel ou artificiel, relié à l'échangeur-condenseur, d'une part directement et d'autre part en passant par un organe d'arrêt de liquide. Pour la description plus détaillée de l'objet de l'invention, on va se référer au dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente le schéma d'un exemple de réalisation du dispositif conforme à l'invention ; la 4.'gure 2 représente le schéma d'une première variante de ce dispositif ; les figures 3 et 4 représentent le schéma d'autres variantes du dispositif conforme à l'invention ; la figure 5 représente le schéma d'une combinaison de plusieurs dispositifs confermes à l'invention. Le dispositif selon la figure @ se compose @@@@ échangeur de chaleur-évaporateur 11 renfer@@@@ @@@@ de transfert en circuit fermé, et d'un échangeur de chaleur-@@@ seur 9. A l'échangeur-condenseur 9 est relié un organede de- charge 5, tandis qui un organe l limitant ou arrêtant l'éGoule- ment du liquide est monté entre l'échangeur-condenseur 9 et l!échangeur-évaporateur 10.Des exemples de réalisation de cet organe 1 sont représentés sur les figures 3 et 4 et seront dé; crits en rapport avec ces figures, Dans l'exemple de réalisation selon la figure 1, les gaz d'échappement 12 font évaporer le fluide de transfert dans l'échangeur 11, fluide dont la vapeur 2 passe par la canalisation 22 dans l'échangeur-condenseur 9 dans lequel le fluide 3 absorbant la chaleur et traversant cet échangeur est chauffé ou évaporé. Compte tenu du fait que le fluide de transfert est absolument pur, une formation de calcaire apparaissant-par suite de l'inondation n'est pas à craindre, de sorte que les pro- blêmes résultant de la variation du degré d'inondation sont inexistants. Dans le cas oW il n'est pas nécessaire de chauffer ou d'évaporer le fluide de transfert 3, on peut arrenter ltécou- lement du fluide de transfert à l'aide de l'organe 1, de sorte que le remplacement du liquide échangeur de chaleur évaporé se trouve interrompu et que la transmission de chaleur par le fluide de transfert cesse. Pour le fonctionnement correct du dispositif, il faut que l'échangeur-condenseur 9 soit déchargé. Cette décharge peut être réalisée de façon connue en soi par l'organe de décharge 5, au début du fonctionnement, lorsque la pression du fluide de transfert dépasse encore la pression atmosphérique. Cela présente l'inconvénient, du fait que l'organe de décharge est un simple robinet de décharge, que l'actionnement de ce dernier exige une manette particulière et, en outre, que lors de l'extraction de l'air, une partie de la vapeur du fluide de transfert s'échappe également du système, ce qui fait qu'un remplissage fréquent est indispensable (restitution du fluide per- du). Selon l'invention, la décharge peut être réalisée avantageusement suivant exemple représenté sur la figure 2+ Ici, la décharge est réalisée par le réservoir de gaz 4, a chauffage naturel ou artificiel 6, dont la partie supérieure est reliée au point de décharge @@ condenseur 9 par une canalisatòn7 et dont la partie inférieure est reliée à l'échangeur-condensens 9 par un organe d'arrdt de liquide. La pression régnant dans le dispositif se trouvant hors de fonctionnement est faible et il existe partout des gaz non condensés.Cependant, dès que la production de vapeur commence, c'est-à-dire dès que le fluide ab sortant la chaleur commence à passer dans ltéchangeur-condenseur, la pression dans l'espace renfermant le fluide de transfert augmente et la condensation du fluide de transfert commence. La condensation du fluide de transfert s'arre- te cependant dans le réservoir de gaz 4 refroidi. Ce dernier re çoit un mélange vapeur-gaz, tandis qu'on obtient à sa sortie uniquement du liquide, ce qui fait que tout le gaz non condensé, apparaissant pendant le fonctionnement, est recueilli à cet endroit, c'est-à-dire que l'échangeur-condenseur se décharge. L'alimentation en liquide de la surface de l'échangeur, chauffée par les gaz de fumée chauds, peut être réglée de façon connue par une vanne. Un inconvénient de ce mode de réalisation réside dans le fait qu'après un certain temps, n'importe quelle vanne présente des fuites et que la surface de chauffe reçoit ainsi du liquide, même lorsque la vanne est fermée. I1 en résulte qu'en l'absence de refroidissement, la pression du fluide de transfert augmente rapidement jusqu'à des valeurs inadfissibles. La vanne ou le robinet d'arrdt exige donc un entretien permanent, ce qui est déjà un inconvénient auquel s'ajoute encore que chaque opération de montage provoque une perte de fluide de transfert, ce qui exige un remplissage permanent (restitution dg fluide perdu). L'utilisation du mode de réalisation décrit ciaprès permet de remédier à tous ces inconvénients. Un exemple de réalisation de l'organe servant à la limitation et à l'arrdt de l'écoulement du liquide est représenté sur la figure 3. Cet organe est un tube 14, 15 en forme de U renversé, dont la partie supérieure est réalisée sous la forme d'une chambre renfermant une chicane 21, reliée par une canalisation 18 à l'échangeur-condenseur 9. La chicane 21 et le tube en U sont réalisés de manière que le fluide de transfert liquide ne puisse pas passer par-dessus la chicane 21 à l'état normal. La branche 14 du tube 14, 17 en U comporte un dispositif de chauf- fsge 16. Pour commencer l'évaporation du fluide 3, on set en service le dispositif de chauffage 16, ce qui fait que des bulles d'air se forment dans le tube 14, que le niveau du liquide monte et que le liquide parvient, en se déversant pardessus la chicane 21, dans 1'échangeur-évaporateur 11. Ici, le liquide s'évapore, de sorte que la circulation du fluide de transfert commence ou est entretenue tant que le chauffage 16 est en service. La canalisation 18 est destinée au passage de la vapeur produite par le dispositif de l'échangeur-condenseur 9. Un autre mode de réalisation de l'organe 1 conforme à l'invention est représenté sur la figure 4. ici, la branche montante 14 du tube 14 17 en U est suivie d'un récipient 23 équipé d'un dispositif de chauffage 25 et/ou d'un dispositif de refroidissement 26, ce récipient étant également relié à l'échangeur-condenseur 9 en passant par l'organe d'étranglement 24. Dans cet exemple de réalisation, l'organe 1 fonctionne de la ma- nièce suivante : lorsque le récipient 23 est chauffé a l'aide du dispositif de chauffage 25, la vapeur ainsi formée refoule le liquide, ce qui fait que la quantité de liquide contenue dans la branche 14 du tube en U augmente, atteint le sommet du tube en U, se déverse par-dessus le sommet et commence à pénétrer dans 1'é- changeur-évaporateur. Lorsque le récipient 23 est refroidi, ce qui peut également se faire par refroidissement naturel, la vapeur est condensée et le récipient se remplit de liquide, De ce fait, le niveau dellquide dans la branche 14 du tube en U baisse et l'écoulement du fluide de transfert vers l'échangeur-évaporateur cesse. Le dispositif peut également titre réalisé de telle manière qu'une partie de la vapeur produite par le disposi tif de chauffage 25 quitte en permanence le récipient 23 en pas sant par l'organe d'étranglement 24. Cependant, lorsque le diepositif de chauffage 25 est mis en service, une partie~de la vapeur produite ne peut pas s'échapper, par suite de la présence de l'organe d'étranglement 24, et c'est la raison pour laquelle le liquide est refoulé du récipient 23 contre la branche 14 du tube en U. Lorsque le dispositif de chauffage 25 est arrêt6, la vapeur s'échappe en passant par l'organe d'étranglement 24 et il ne se forme plus de vapeur, de sorte que le récipient 23 se remplit de nouveau de liquide. L'agencement particulier du dispositif conforme à l'invention assure non seulement les caractéristiques avanta- geuses déjà décrites, mais également des possibilités de montage qui sont à la base d'autres avantages. Dans le cas de puissance telles que l'énergie nécessaire pour le chauffage de l'organe limitant l'écoulement du liquide est considérable, on peut réaliser un dispositif combiné décrit ci-dessous (?il. 5). La partie essentielle de ce dispositif combiné est un dispositif selon la figure 4. A ce dernier est relié un dispositif conforme à l'invention, sensiblement plus petit, récupérant également l'énergie calorifique de gaz d'échappement, de telle manière que le dispositif de chauffage 25 du dispositif de transmission de grande puissance et le condenseur du dispositif de transmission de petite puissance soient formés par un seul et me- me dispositif de transmission de chaleur. D'un cbté de la surface de transmission de chaleur, la vapeur du fluide de transfert du dispositif de faible puissance se condense et, du c8té opposé, se produit ltébullition nécessaire pour l'actionnement de l'organe de la limitation de l'écoulement du liquide du dispositif de grande puissance. La régulation de ce dispositif combiné a lieu de la méme façon que celui du dispositif simple. -Lorsque le chauffage de l'organe de limitation de l'écoulement du liquide du dispositif de faible puissance est mis en service, ce chauffage fournit l'énergie nécessaire pour le chauffage de l'organe de limitation de l'écoulement du liquide du dispositif de grande puis- sance, et ce dispositif entre alors en service. la mise à l'arrêt s'effectue de façon analogue par la mise hors service du chauffage du dispositif de faible puissance. la figure 5 représente, à titre exemple, une telle combinaison dans laquelle tant le dispositif de faible puis- sance que le dispositif de grande puissance sont réalisés selon la figure 4. Toutefois, rien ne s'oppose à ce que ce dispositif combiné soit réalisé suivant l'un quelconque des exemples précédents, par exemple selon l'exemple de la figure 3. L'avantage du dispositif conforme à l'invention est évident. La régulation et la mise à l'arrêt, décrites précédemment, sont assurées dans les mêmes conditions avantageuses, mais moyennant des énergies auxiliaires sensiblement plus faibles, ce qui est avantageux dans les cas de puissances importantai R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif de transmission de chaleur pour la récupération de la chaleur de gaz d'échappement, caractérisé par le fait qu'un échangeur de chaleur évaporant un fluide de transfert est monté dans le trajet des gaz d'échappement et qu'un échangeur de chaleur condensant la vapeur du fluide de transfert et comportant un organe de décharge est relié en circuit fermé au premier échangeur de chaleur, et par le fait qu'un organe us ceptible-de limiter ou d'arrêter l'écoulement du liquide est mon- té dans la canalisation reliant les deux échangeurs de chaleur 2.Dispositif suivant la revendication l, caractérisé par le fait que l'organe de décharge est un récipient de gaz à chauffage naturel ou artificiel, relié à l'échangeur- condenseur, d'une part directement et d'autre part en passant leur un organe d'arrêt de liquide. 3. Dispositif suivant la revendication 1, ca- ractérisé par le fait que l'organe susceptible de limiter et d'ar- roter l'écoulement du liquide est un tube en forme de U renversé. 4. Dispositif suivant la revendication 3, earactérisé par le fait que la branche montante du tube en U renversé comporte un dispositif de chauffage et qu'à son sommet, le tube en U est relié à l'échangeur-condenseur. 5. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé par le fait qu'un récipient susceptible autre chauffé et/ou d'être refroidi est relié à la branche montante du tube en U, ce récipient étant relié par un organe d'étranglement à l'é- changeur-condenseur. 6. Dispositif suivant la revendication 4 u 5 caractérisé par le fait que le dispositif de chauffage assuaut le chauffage du récipient susceptible d'être chauffée, est l'é changeur-condenseur d'un dispositif supplémentaire, conforme a l'invention.