Brevet FR2108158A1 — publié le 19720519

La présente invention est relative à un échangeur de chaleur dans lequel la quantité de chaleur à transférer à un certain gaz est accumulée, dans une première phase du transfert, dans des éléments solides, tels que des galets ou des billes mobiles. La réalisation décrite en exemple est l'application d'un tel échangeur au chauffage du gaz. On doit cependant noter que les dispositions décrites dans le cas du chauffage sont très sensiblement les mêmes que celles qui conv:endrai: our la réfrigération dudit gaz, à la différence près, bien entendu, que le brûleur de combustible serait à remplacer, dans le deuxième cas, ar un générateur de fluide frigorigène. Un échangeur connu, destiné au chauffage d'un gaz, se compose essentiellement de deax enceintes situées à la verticale l'une de l'autre et communiquant par un conduit intermédiaire. Les billes ou galets pénétrant par l'ouverture au sommet de l'enceinte supérieure sont graduellement chauffées par les gaz chauds de combustion pénétrant à la base de cette enceinte. Ils descendent ensuite par gravité dans l'enceinte inférieure, où ils cèdent leur chaleur à un gaz ascendant pénétrant par le fond de cette deuxième cnceinte et éventuellement préchauffé. Ce dernier gaz est celui qui doft être utilisé à chaud pour divers besoins (air secondaire de combustion à haute température, gaz neutres chauds, etc...).L'enceinte supérieure est dite "à gaz chauffant", celle qui lui sl-cède est dite "à gaz chauffé". Un exemple non limitatif d'un tel échangeur est celui où des gaz de combustion (fossiles) chauffant la charge de billes ou de galets dans lten- ceinte supérieure, alors que dans l'enceinte irf rieure, cette charge mobile chauffe de l'air destiné à servir de gaz secondaire de combustion pour une source de combustî.1e fossile de grande énergie thermique. Pour fixer les idées, une charge totale de six tonnes de billes d'alumine est susceptible de fournir de l'air chaud à mille quatre cents degrés centigrades à l'aide de brûleurs auxiliaires de quatre cents kilowatts au total pour un brûleur de cinq mégawatts de puissance thermique. Mais un tel ensemble n'est pratiqueme-t en=-isageable, que si le combustible fossile est dégagé d'impuretés (cendres, Ni, V, S, etc...) et si la pression différentielle entre les enceintes supérieure et inférieure est négligeable. il n'est de ce fait valable qu'avec un combustible choisi pmi le gaz naturel, le propane, le kérosène et pour une fourniture d'air chaud sous uro pression n'excédant pas treize décibars.Dans tous les autres cas, où il faut éliminer et/ou recueillir des cendres et des impuretés et assurer une fourniture de gaz chauffés propres sous une pression élevée (quatre à cinq bars), il est nécessaire de concevoir des ensembles où l'enceinte à gaz chauffé est dégagée des résidus solides ou condensables indésirables et est maintenue étanche de manière rigoureuse par rapport à l'espace extérieur. Pour cela il faut, d'une part, éviter que les gaz chauffants traversent la masse de billes ou de galets et y déposent ou condensent des dépits néfastes pour la matière dont sont constitués lesdites billes ou galets, et/ou pour le gaz chauffé dans l'enceinte inféricure, d'autre part, faire en sorte que le passage des billes de l'enceinte supérieure à l'enceinte inférieure soit effectué de manière à assurer une étanchéité rigoureuse de cette dernière enceinte, aux impuretés et aux gaz de l'enceinte chauffante et de l'espace extérieur. L'invention propose précisément un échangeur de chaleur d'un type nouveau, par utilisation duquel est obtenu le fonctionnement recherché. A cet effet, l'invention a donc pour objet un échangeur de chaleur constitué par une première enceinte comportant un générateur de fluide, véhicule de la quantité de chaleur à échanger, par une deuxième enceinte reliée à la première par un conduit et comportant en outre une canalisation d'entrée d'un gaz et une canalisation de sortie dudit gaz, par un dispositif d'alimentation d ia première enceinte en éléments solides possédant, chacun, un calibre inférieur à celui du conduit, et par un dispositif de reprise des éléments solides introduits dans la deuxième enceinte, relié à l'entrée du dispositif d'alimentation. Dans cet échangeur, un premier organe d'étanchéité, connu en soi, est disposé sur le conduit, un deuxième organe d'étanchéité , également connu en soi, étant éventuellement interposé entre la deuxième enceinte et le dispositif de reprise. Quand le gaz susceptible d'être contenu dans la deuxième enceinte est à une pression supérieure à celle de celui susceptible d'être contenu dans la première enceinte, le prenz organe d'étanchéité est constitué par au moins un sas susceptible d'être étanche. En outre, un organe de dosage des éléments solides, connu en soi, est avantageusement disposé sur le conduit. Par ailleurs, le générateur de fluide comporte un injecter dudit fluide dans la première enceinte, dont les orifices sont orientés uniquement vers les parois de ladite première enceinte, qui ne sont pas susceptibles d'être au contact des éléments solides. De plus, la paroi inférieure de la première enceinte est préférez~ tiellement reliée, par au moins une canalisation de transfert, à une chambre d'évacuation des résidus indésirables du fluide. Il est également avantageux que l'une au moins des première et deuxième enceintes et/ou le conduit les reliant, soient thermiquement isolés de l'espace extérieur à l'échangeur par une enveloppe sensiblement étanche, qui délimite avec l'organe enveloppé un espace interne, cependant que la canalisation d'entrée de gaz est constituée par une première branche reliant le réservoir de gaz à l'espace interne et par une deuxième branche reliant l'es- pace interne à la deuxième enceinte, et éventuellement à l'entrée du générateur de fluide. On indiquera encore qu'un tambour rotatif d'axe incliné sur l'horiD zontale est généralement interposé entre l'entrée des éléments solides dans la première enceinte et la sortie du dispositif d'alimentation de ladite première enceinte en éléments solides. Enfin, selon ce qui a déjà été précisé, le générateur de fluide qui sera cité en exemple est en fait un brûleur de combustible. L'invention sera mieux comprise et des caractéristiques secondaires, ainsi que leurs avantages, apparaîtront au cours de la description d'une réalisation donnée ci-dessous à titre d'exemple. Il est entendu que la description et le dessin ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatif. Il sera fait référence au dessin annexé, dans lequel la figure unique est une coupe en élévation d'un échangeur thermique conforme à l'invention. L'échangeur représenté comporte donc une première enceinte 1 et une deuxième enceinte 2 disposée en dessous de l'enceinte 1. Un conduit 3 relie les enceintes 1 et 2. L'enceinte supérieure 1 est munie d'un brûleur à combustible fossile 4 qui, en fonctionnement, émet une flamme 5, qui lèche les parois latéraies et la paroi supérieure 6 de l'enceinte 1. On notera par ailleurs que la paroi inférieure 7 de cette enceinte supérieure 1 est constituée par des gradins, qui aboutissent, en leur point bas, à l'entrée du conduit 3. L'enceinte 1 est en outre en communication avec une chambre d'évacuation 8 des cendres, et résidus pulvérulents et/ou liquides de la combustion du combustible fossile, par des canalisationsde transfert 9. Un brûleur auxiliaire 10 peut éventuellement etre disposé dans la chambre d'évacuation 8 pour maintenir à ltétat liquide les résidus précités. Cette chambre 8 est munie d'un orifice dtex traction 11 des résidus. L'enceinte inférieure 2 est entourée par une enveloppe 12 étanche, qui délimite avec la paroi externe de cette enceinte 2 un espace interne 13. L'enveloppe 12 isole donc thermiquement l'enceinte inférieure 2 de l'espace extérieur à l'échangeur. Une canalisation 14 relie le-réservoir du gaz à chauffer, en l'espèce l'air, de l'espace extérieur à l'espace interne 13, cependant qu'une canalisation 15 relie cet espace interne 13 à l'enceinte inférieure 2, dans laquelle elle débouche par des évents 16 situés à la base de ladite enceinte 2. L'enceinte 2 est par ailleurs munie d'une canalisation de sortie 17 du gaz chauffé. Par ailleurs, deux dispositifs étanches de transfert 18 et 19, décrits dans une autre demande de brevet déposée ce jour par le demandeur pour " Dispositif étanche de transfert dosé d'un matériau d'une première dans une deuxième enceinte ", sont disposés pour permettre l'introduction dans, puis la reprise hors de l'enceinte 2, de billes 20 utilisées pour le transfert de la chaleur libérée par la flamme 5 au gaz introduit dans l'enceinte 2 par des évents 16. Il n'est pas nécessaire ici de reprendre la description détaillée des dispositifs 18 et 19. On rappellera seulement qu'ils comportent chacun un organe de dosage 21, 22 et deux organes d'étanchéité 23, 24 et 25, 26, un sas susceptible d'être étanche 27, 28 étant constitué entre les organes d'étanchéité, 23 et 25 du dispositif 18, et 24 et 26 du dispositif 19.Les rideaux de gaz chauds 29 et 30 des dispositifs de transfert 18 et 19 sont par ailleurs reliés, respectivement par les conduits 31 et 32, à l'espace interne 13. On précisera que le dispositif de transfert 13 est disposé sur le conduit 3 alors que le dispositif de transfert 19 est interposé entre l'enceinte 2 et un dispositif de reprise 33 des billes 20 contenues dans l'enceinte inférieure 2. Le dispositif de reprise 33 est constitué par un convoyeur classique à balancelles 34, qui reprend les billes au droit de l'orifice de sortie 35 du dispositif de transfert 19 pour les conduire selon les flèches F à l'orifice d'entrée 36 d'un tambour rotatif 37, ici cylindrique, dont l'axe est incliné sur l'horizontale. Le tambour 37 débouche, par sa sortie 38, située à son point bas, à la partie haute de l'enceinte supérieure 1, de telle manière que les billes 20 puissent dévaler par simple gravité depuis l'orifice d'entrée 36 jusqu'à l'entrée du conduit 3. On notera qu'alors le dispose tif de reprise 33 constitue concomitamment le dispositif d'alimentation de l'enceinte supérieure 1 en billes 20 à chauffer. Une cheminée 39 est disposée approximativement à l'aplomb de l'orifice d'entrée 36. Le fonctionnement de l'échangeur qui vient d'etre décrit est le suivant. Le brûleur 4, à fuel-oil lourd par exemple, émet la flamme 5, qui lèche les parois de l'enceinte supérieure 1, sauf la paroi inférieure 7. Les parois ainsi chauffées rayonnent la chaleur reçue qu'elles transmettent proprement,puisque précisément par rayonnement, aux billes 20 contenues dans l'enceinte 1. La flamme elle-même, chargée des impuretés du fuel-oil, participe au chauffage par rayonnements. Quant aux résidus indésirables de la combustion, leur évacuation est assurée, à travers les canalisations de transfert 9, dans la chambre d'évacuation 8, puis de cette chambre à l'extérieur par l'orifice d'extraction 11. Après que les billes 20 aient été chauffées dans l'enceinte supérieure 1, une quantité donnée est prélevée par l'organe de dosage 21 et est introduite dans le conduit 3 en amont de l'organe d'étanchéité 23. Le sas 27 étant vide, on ouvre l'organe d'étanchéité 23 en maintenant fermé l'organe d'étanchéité 25. Les billes 20 tombent dans le sas 27. On ferme alors l'organe d'étanchéité 23 pour ouvrir l'organe d'étanchéité 25. De la sorte, les billes 20 peuvent être introduites dans l'enceinte inférieure 2. On notera à ce sujet que, Si des poussières indésirables avaient pénétré dans le sas 27, elles ne seraient pas introduites pour autant dans l'enceinte inférieure 2.En effet, la pression régnant dans cette enceinte 2 les maintiendrait dans le sas 3, dN: > , toujours par différence de pression, elles seraient refoulées dans l'organe de dosage 21 à la prochaine ouverture de l'organe d'étanchéité 23. Les billes 20 qui ont été introduites dans l'enceinte inférieure 2 sont donc propres. Le gaz, l'air en ltevpèce! introduit par la canalisation 14 se réchauffe dans l'espace interne 13, au contact de la paroi chaude de l'enceinte inférieure 2. Ce gaz est alors introduit dans l'enceinte 2 par les évents 16 et se réchauffe en traversant le lit de billes 20 contenues dans cette enceinte 2. Ce gaz conserve sa pureté, tout en accroissant sa tempéra~ ture, sous pression de 4 à 8 bars. Il sort de l'enceinte 2 par la canalisation 17 vers l'utilisation spécifique à laquelle il est destiné. La reprise des billes 20 refroidies et contenues dans l'enceinte inférieure 2 pourrait être effectuée par le même dispositif de transfert 18, que celui ayant déjà servi à l'introduction des mêmes billes 20. Cependant, par raison de simplicité, il a été prévu un second dispositif de transfert 19, destiné exclusivement à la reprise des-billes 20. Le fonctionnement de ce dernier dispositif 19 est rigoureusement analogue à celui du dispositif de transfert 18, déjà exposé. Il n'est donc pas repris ici. On précisera seulement que la charge de billes 20 extraite de l'enceinte inférieure 2 est déversée dans une balancelle 34, précisément disposé en regard de l'orifice de sortie 35 au moment où l'organe d'étanchéité 26 est ouvert. Les billes 20 sont, froides, alors dirigées vers l'orifice 36 du tambour 37p dans lequel elles commencent à se réchauffer, avant d'être chauffées proprement dit dans l'enceinte supérieure 1. Le tambour 37 est rotatif pour éviter une usure et un échauffement exagérés, localisés à la génératrice inférieure. Les fumées de la combustion peuvent s'échapper de l'enceinte 1, par le tambour 37 puis dans la cheminée 39. On notera que le réchauffage du gaz introduit par la canalisation 14 dans l'espace interne 15, ainsi d'ailleurs que le réchauffage éventuel de l'air de combustion introduit au niveau du brûleur 4, permet de récupérer une quantité de chaleur qui, sans cela, serait perdue. En sus de cette simple récupération, ce réchauffage apporte une quantité de chaleur dans une phase d'un cycle thermodynamique telle , qu'il permet d'obtenir un fonctionnement selon le cycle le meilleur. De plus, la pression du gaz dans l'enceinte 2 refoule les résidus, lès impuretés et les gaz de combustion vers l'extérieur de l'enceinte, les sas étant en surpression, On comprend également bien maintenant pourquoi un échangeur conforme à l'invention est également apte à effectuer une réfrigération à un gaz pur comprime au lieu de transmettre des calories comme dans l'exemple de réalisation i a été décrit, à l'adapr:ionprès du générateur de fluide, dans un cas frigorigène, dans l'autre cas calorifère. L'invention n'est pas limitée à la réalisation qui vient d'être décrit mais en couvre au contraire toutes les variantes qui pourraient lui être apportées sans sortir de son cadre, ni de son esprit. REVENDICATIONS I.- Echangeur de chaleur constitué par une première enceinte comportant un générateur de fluide, véhicule de la quantité de chaleur à échanger, par une deuxième enceinte reliée à la première par un conduit et comportant en outre une canalisation d'entrée d'un gaz et une canalisation de sortie dudit gaz, par un dispositif d'alimentation de la première enceinte en éléments solides possédant, chacun, un calibre inférieur à celui du conduit, et par un dispositif de reprise des éléments solides introduits dans la deuxième enceinte, relié à l'entrée du dispositif d'alimentation, un premier organe d'étanchéité, connu en soi, étant disposé sur le conduit et un deuxième organe d' étanchéité, également couru en soi, étant éventuellement interposé entre la deuxième enceinte et le dispositif de reprise, caractérisé en ce que le générateur de fluide comporte un injecteur dudit fluide dans la première enceinte, dont les orifices sont orientés uniquement vers les parois de ladite première enceinte, qui ne sont pas susceptibles d'être au contact des éléments solides, le chauffage ayant lieu essentiellement par rayonnements. 2.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en outre, la paroi inférieure de la première enceinte forme des gradins successifs pour l'écoulement des éléments solides et est reliée par au moins une canalisation de transfert à une chambre d'évacuation des residus indésirables du fluide. 3.- Echangeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz susceptible d'être contenu dans la deuxième enceinte étant à une pression supérieure à celle de celui susceptible d'être contenu dans la première enceinte, le premier organe d'étanchéité est constitué par au moins un sas susceptible d:être étanche. 4.- Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en outre un organe de dosage des éléments solides, connu en soi, est dispose sur le conduit. 5.- Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en outre, l'une au moins des première et deuxième enceintes et/ou le conduit les reliant, sont thermiquement isolés de l'espace extérieur à l'échangeur par -e enveloppe sensiblement étanche, qui délimite avec l'organe enveloppé un espace interne, cependant que la canalisation d'entrée de gaz est constituée par une première branche reliant le réservoir de gaz à espace interne et par une deuxième branche reliant l'espace interne à la deuxième enceinte, et éventuellement à l'entrée du générateur de fluide. 6.- Echangeur selon l'une quel.conque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en outre un tambour rotatif d'axe incliné sur l'hori- zontale est interposé entre l'entrée des éléments solides dans la première enceinte et la sortie du dispositif d'alimentation de ladite première enceinte en éléments solides. 7.- Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de fluide est constitué par un brûleur de combustible