Brevet FR2181570A1 — publié le 19731207

L'invention est relative à un échangeur thermique en forme de tour, destiné aux échanges thermiques entre deux gaz de températures différentes, échangeur utilisant un milieu d'échange thermique sous forme de particules relativement petites descendant dans la tour sous l'influence de la gravité, cet échangeur comportant une tour généralement verticale avec une chambre supérieure, traversée par les particules d'échange thermique et recevant l'un des deux gaz, de préférence dans le sens radial, et avec une chambre inférieure, traversée par l'autre gaz, dans le sens radial de préférence. Les échangeurs connus de ce type, dans lesquels la chaleur est transmise entre les gaz de tempesatures différentes par l'intermédiaire d'une masse d'échange thermique, souffrent de nombreux désavantages qui restreignent leur utilité pratique. Parmi ces désavantages, peuvent être mentionnés les difficultés pour empêcher le contact entre les gaz, dans le but d'éviter la contamination; pour maintenir des pressions de valeur différente dans les zones de tour où les calories sont cédées et celles où elles sont absorbées, cela sans nuire à l'efficacité de l'ensemble; et surtout pour maintenir un mouvement uniforme des particules traversant verticalement ces différentes zones, cette uniformité du mouvement des particules étant importante pour le bon rendement de l'ensemble d'échange thermique. Le but de l'invention est de créer un ensemble d'échange thermique, du type décrit ci-dessus, efficace et sûr, dans lequel les inconvénients mentionnés plus haut soient éliminés, et dont la construction soit économique. A cet effet, l'invention concerne un échangeur thermique en forme de tour, destiné aux échanges entre des gaz de températures différentes , avec un milieu d'échange thermique constitué de particules de taille relativement faible descendant dans la tour sous l'action de la gravité, échangeur comportant une tour essentiellement verticale, avec une chambre supérieure alimentée avec les particules d'échange thermique et traversée par l'un des deux gaz, et avec une chambre inférieure traverse par l'autre gaz, échangeur caractérisé en ce qu'il comporte une chambre intermédiaire entre la chambre supérieure et la chambre inférieure, cette chambre intermédiaire contenant une multiplicité de tubes s'étendant verticalement, les extrémités supérieures de ces tubes étant à l'aplomb d'ouvertures pratiquées dans le fond de la chambre supérieure et leurs extrémités inférieures dépassant dans la chambre inférieure, les ouvertures dans le fond de la chambre supérieure étant prévues de façon telle que les particules d'échange thermiques forment des cônes d'éboulis à l'entrée et à la sortie des tubes, ce qui permet de régler la pression dans la chambre intermédiaire. L'échangeur selon l'invention est susceptible d'être utilisé avec des gaz d'une température extérieurement élevée, la limite supérieure i température étant uniquement fonction des matériaux réfractaires utilisés dans la construction de l'échangeur. Un mode de réalisation de l'invention est représenté, à titre d'exemple non limitatif, sur les dessins ci-joints, dans lesquels - la figure 1 est une coupe verticale de l'échangeur selon l'invention, - la ligure 2 est une coupe horizontale suivant la ligne II-II de la figure i, - la figure 3 est une coupe horizontale suivant la ligne III-III de la figure 1, - la figure 4 est une coupe horizontale suivant la ligne IV-IV de la figure L'ensemble d'échange thermique représenté sur les dessins comporte une tour 1 construite en matériaux réfractaires et comportant une chambre supérieure 2 sur la surface du fond de laquelle sont disposées des ouvertures 4 prévues pour recevoir des buses creuses 5 munies de collerettes. Au voisinage de la chambre 2 se trouve un espace 6 avec un fond 7 sur la surface duquel sont prévues des ouvertures 8, à travers lesquelles passent les parties inférieures de tubes 10, les parties supérieures de ces tubes comportant les collerettes il et se terminant à courte distance de la face inférieure du fond 3. Au voisinage de l'espace 6 est disposée une chambre inférieure 12 avec un fond 13 d'où partent des conduits 14 communiquant avec la chambre collectrice de distribution 15, par l'intermédiaire d'un moyen de régulation du débit Ce meyen comporte une structure fixe avec des bras en Y support t des plaques 16 dont le niveau peut être réglé dans le sens vertical au moyen de vis, de cales, etc... Ces plaques lb sont disposées concentriquement aux ouvertures des conduits 14 Immédiatement au dessus d'elles sont prévus des racleurs tournants sous la forme de racloirs 17 s'étendant à partir d'un moyeu Ce dispositif de raclage est entraîné par un moteur 18 à vitesse variable. En communication avec la chambre supérieure 2 est prévu un moyen d'alimentation comportant une trémie 19 avec une partie tubulaire allongée 20 s'étendant à travers la partie supérieure d'un réservoir 21 et aboutissant immédiatement au dessus du fond de celui-ci, à partir duquel un prolongement tubulaire 23 est aligné avec la partie 20. La chambre supérieure 2 est entourée par une enveloppe annulaire 24 avec un canal annulaire 25, qui, par l'intermédiaire d'une Série d'ouvertures 26, communique avec l'intérieur de la chambre. Les ouvertures 26 sont immédiatement voisines de structures 27 en forme de V renversé qui s'étendent radialement à partir de la paroi intérieure de la chambre, comme le montre la figure 2. Ces structures en V servent de passage d'entrée pour les gaz et servent également à la distribution des corps d'échange thermique lors de leur passage à travers la chambre. En liaison avec le canal circulaire 25 est une conduite 28 qui dans l'exemple représenté, est raccordée à un cyclone 29. Ce cyclone sert à épurer le flux de gaz passant du tour 30 à l;ensemble d'échange thermique selon l'invention par exemple par l'intermédiaire d'une chambre de post-combustion 31, pour céder son potentiel thermique aux corps d'échane thermique traversant cet ensemble Au moyen de dispositions analogues à celles decri t e ci dessus notamment au moyen de la chambre annula ire 32, des ouvertures 33 et des structures 34 n forme de ' renversé de l'air frais est introduit par la conduite 35 prévue sur la sortie d un ventilateur centrifuge 36 Cet air, échauffe par la chaleur cédée par les gaz chauds dans l'échangeur thermique, pour être envoyé par le conduit 37 au tour ou bien à la chambre de postcombustion 31 qui lui est associée, de la manière décrite ci-après Dans le but d'obtenir un débit continu des corps d'échange thermique, la chambre de distribution 15 communique avec un convoyeur à vis 38, lui-même connecté avec un élévateur 39, grâce auquel les corps d'échange thermique peuvent être transportés jusqu'à une goulotte 40 alimentant la trémie 19. Un aspect important de l'invention est que la pression entre les différentes zones de l'échangeur de chaleur est équilibrée, et que la tendance des corpuscules d'échange thermique à former des cônes dits d'éboulis, lorsqu'ils tombent à travers des passages étroits sur des surfaces ménagées à la sortie de ces passages,est utilisé- pour obtenir cet équilibre. Une telle disposition, qui a pour but d'empêcher l'entrée de l'air extérieur froid dans l'échangeur, est notamment prise en liai-son avec le réservoir 21, dans lequel un premier cône d'éboulis 41 est formé. La partie du réservoir 21 située au dessus du cône 41 communique avec l'aspiration d'un ventilateur 4 par une conduite 42. La partie supérieure de la chambre supérieure 2 communique également, par un conduit 44, avec l'aspiration d'un ventilateur 45, grâce auquel la pression dans la partie supérieure de la chambre peut être réglée. En ajustant le réglage de façon que la pression dans le réservoir 21 soit un peu plus basse que la pression dans - chambre 2, on empêche l'air froid de pénétrer dans le dispositif. Dans le but d'empêcher le mélange du gaz qui céde sa chaleur avec le gaz qui absorbe cette chaleur, les tubes 10 forment également des cônes d'éboulis 46 et, par l'intermédiaire du conduit 4z reliant la partie supérieure de l'espace 6 à l'aspiration du ventilateur 48, la pression dans l'espace 6 peut être ajustée à celles ré s---- 'sans la chambre superieure et dans la chambre inférieure, façon à obtenir l'effet désiré n prevoyant de s dispositifs ' traìglement dans les différentes conduites, le réglage désiré peut être atteint. La poussière entamée avec les petits corps d'échange thermique peut être séparée dans un appareil spécialement prévu à cet effet. Le fonctionnement de l'échangeur de chaleur ainsi décrit est le suivant Après avoir traversé la chambre de postcombustion 31 et avoir été épuré dans le cyclone 29, le flux de gaz en provenance du four 30 est envoyé par la conduite 28 au canal de distribution annulaire 25, d'où il pénètre dans la chambre 2 par les ouvertures 26 et les structures 27 en forme de V renverse. Les gaz s'écoulent vers le haut à travers la chambre 2 en cédant sa chaleur à ure masse constituée avantageusement de corpuscules d'un matériau résistant, tel que la pierre, l'acier, etc... ayant,de préférence,un diamètre de 5 à 10 mm. Les gaz sont alors évacués par le ventilateur 45 dans l'atmosphère ou dans un appareil pour récupérer la chaleur résiduelle. Les corpuscules alimentés en continu par l'élévateur 39 dans la trémie 19 tombent uniformément à travers le tube 20 et pénètrent dans la chambre 2 d'où ils continuent à tomber uniformèment à travers la tour. Le ventilateur 43 crée dans le réservoir 21 une dépression qui compense la dispersion dans la chambre 2, créée par le ventilateur 45. Pendant leur passage à travers la tour, les corpuscules d'échange thermique forment un grand nombre de nappes de ruissellement entre les structures 27, chaque nappe étant traversée par le courant de gaz ascendant, introduit par les structures 27. Puis ces corpuscules tombent par les orifices des buses 5 dans les tubes 10, dont l'orifice libre est muni d'une collerette et est situé à une distance telle de la sortie des buses que les corpuscules d'échange thermique forment des cônes d'éboulis sur ces collerettes Comme le cône d'éboulis est perméable aux gaz et se trouve situé dans une chambre essentiellement close, le ventilateur 48 crée un équilibre de pression, de sorte que les gaz sont dans l'impossibilité de descendre et l'air dans l'impossibilité de monter à travers les buses 5. Les corpuscules d'échange thermique, qui ont maintenant fait leur plein de calories, tombent dans l'espace 6 à travers les tubes 10. De façon similaire à ce qui s'est passé dans la chambre 2, les corpuscules d'échange thermique sont traversés par le gaz, l'air en l'occurence, qui absorbe la chaleur emmagasinée par les corpuscules durant leur passage à travers la tour. Les corpuscules d'échange thermique, qui, lors de leur entrée dans la chambre.,présentent un potentiel thermique élevé, cèdent la majeure partie de ce+',t,e chaleur à l'air et tombent entre les structures distributrices d'air 34 pour sortir de la chambre par les passages 14, dont deux seulement sont représentés sur la figure. Là, ils sont momentanément arrêtés par les plaques 16 situées à faible distance de l'orifice inférieur des passages 14 et forment des cônes d'éboulis. L'air à réchauffer est forcé par le ventilateur 36 à l'intérieur de la conduite 32, d'où ils'écoule par les ouvertures 33 et les structures distributrices 34 à l'intérieur de la masse des corpuscules d'échange thermique, puis monte vers l'échappement 37 par lequel il sort de la chambre. Les corpuscules d'échange thermique restant sur les plaques 16 sont continuellement enlevés par les racloirs 17 dont la vitesse de rotation est réglable. Ainsi,les corpuscules tombent dans la partie collectrice 15, d'où ils sont extraits par le convoyeur 38 en direction de l'élévateur 39 qui amène les corpuscules à la trémie 9. Après quoi les opérations se répétent de la façon décrite ci-dessus. Si l'air est introduit par le ventilateur 36 à une pression relativement élevée dans la masse des corpuscules d'échange thermique, une petite partie de cet air arrive à passer par les orifices 14 dans la partie collectrice 15, mais est alors recyclé dans l'aspiration du ventilateur 36 à travers la conduite 49. La régulation des écarts de pression ou d'autres paramètres peut être effectuée manuellement ou par l'in.ermédiaire de dispositifs automatiques appropriés. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée a l'exemile de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D T C A T T C 1 ) Echangeur thermique en forme de tour, destiné aux échanges thermiques entre des gaz de températ; -s différentes, avec un milieu d'échange thermique constitué de particules de taille relativement faible descendant dans la tour sous l^action de la gravité, échangeur compo-- taxi une tour essentiellement verticale, avec une chambre supér-;eu-re alimentée avec les particules d'échange thermique et trav-::-sée par l'un des deux gaz, et avec une chambre inférieure traversée par l'autre gaz, échangeur caractérisé en ce qu'il compor une chambre intermédiaire entre la chambre supérieure et ,- chambre inférieure cette chambre intermédiaire contenant une multiplicité de tubes s'étendant verticalement, les extrémités supérieures de ces tubes étant à l'aplomb d'ouler- tures pratiquées dans le fond de la chambre supérieure et leurs extrémités inférieures dépassant dans la chambre inférieure, les ouvertures dans le fond de la chambre supérieure étant prévues de façon telle que les particules d'échange thermiques forment des cônes d'éboulis à l'entrée et à la sortie des tubes, ce qui permet de régler la pression dans la chambre intermédiaire. 20) Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre inférieure a un fond relativement épais comportant des passages verticaux dont la longueur est grande par rapport à leur diamètre, des surfaces de captage des particules d'échange thermique étant disposéc- sous les orifices de ces passages, l'aire de ces surface leur distance aux orifices des passages et la section de ceux-ci étant dans une relation telle que les surfaces captent la totalité des particules traversant les passage des racleurs étant prévus entre les orifices des passages et les surfares de captage pour faire tomber les particule. captées par les plaques dans une cavité inférieure d'où elles sont évacuées par un moyen approprié, tel qu'un con - à vis. 30) Echangeur selon la revendication 2, caractérise en ce que les surfaces de captage sont consti par des plaques fixées sur des bras porteurs s'étendant à partir d'un moyeu fixe des moyens étant prévus pour aju verticalement le niveau des plaques. 40) Echangeur selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les racleurs sont constitués par des bras s'étendant à partir d'un moyeu tournant. 50) Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que,dans la paroi périphérique de la tour,sont disposées des ouvertures, des structures radiales en forme de V renversé faisant saillie sur la face interne de la paroi périphérique de la tour immédiatement au dessus de chacune de ces ouvertures, formant ainsi des passages d'alimentation tournés vers le bas pour le gaz introduit dans la tour par les ouvertures, et constituant, d'autre part, des moyens pour ralentir et distribuer les particules. 60) Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les particules d'échange thermique sont introduites dans la chambre supérieure par un canal relativement étroit, qui, sous la forme de l'extrémité d'un tube, pénètre dans une cavité située au dessus de cette chambre, cette cavité s'étendant dans la cambre par l'extrémité d'un tube, la cavité , d'une part, la partie supérieure de la chambre supérieure, d'autre part, étant séparément reliées aux aspirations de deux ventilateurs distincts. 70) Echangeur selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la cavité inférieure de la tour, placée en dessous de la chambre inférieure, communique avec l'aspiration du ventilateur prévu pour amener l'air destiné à être réchauffé par les gaz.