Brevet FR2284851A1 — publié le 19760409

a présente invention concerne un échangeur de chaleur destiné au refroidissement de gaz chauds. Elle concerne également un procédé de refroidissement de gaz chauds, en particulier des gaz chauds produits par la combustion partielle d'hydrocarbures, utilisant cet échangeur de chaleur. Les échangeurs de chaleur servant à refroidir des gaz chauds doivent très fréquemment, pour des raisons économiques, être exploités à une pression différentielle très élevée entre les gaz chauds qui sont refroidis et le réfrigérant. Un tel fonctionnement est utilisé, par exemple, lorsqu'un échangeur de chaleur utilisant de 11 eau comme réfrigérant doit, pour des raisons de rendement, produire de la vapeur ayant une pression beaucoup plus élevée que celle des gaz qui sont refroidis. Compte tenu des conditions de température élevées et de pression différentielle élevée, dans lesquelles un tel échangeur de chaleur fonctionne, les tensions et contraintes mécaniques auxquelles l'échangeur de chaleur est soumis sont très élevées. L'élaboration d1 un échangeur de chaleur approprié pour fonctionner dans ces conditions présente de ce fait des difficultés techniques importantes. Par conséquent, l'un des buts de la présente invention est de réaliser un type d'échangeur de chaleur qui résoud ces difficultés. Une difficulté technique particulière concerne la réalisation de la plaque d'admission des gaz de lléchan- geur de chaleur étant donné que ctest cette pièce qui est soumise aux conditions les plus dures. Dans le cas des échangeurs de chaleur de petit diamètre, il a été possible en choisissant une épaisseur convenable du métal de la plaque d'admission des gaz de réaliser une plaque d'aamission des gaz ayant une résistance suffisante pour permettre un fonctionnement à haute température et sous une pression différentielle élevée étant donné que la force totale agissant sur la plaque est, dans ce cas, relativement faible.Cependant avec des échangeurs de chaleur de grand diamètre, dans lesquels la force totale appliquée à la plaque d'admission des gaz du fait de la pression différentielle élevée devient très élevée, il n1 est pas auasi satisfaisant de réaliser une plaque d'admission des gaz en métal trous épais étant donné que plus le métal est épais plus la température moyenne du métal stelève ce qui réauit ainsi la résistance du métal. Un autre but de la présente invention est, par conséquent, de réaliser un échangeur de chaleur de grand diamètre dont la plaque d'admission des gaz est capable de fonctionner en toute sécurité dans des conditions de températures et de pressions différentielles très élevées. La présente invention a, par conséquent, pour objet un échangeur de chaleur pour refroidir des gaz chauds qui comprend une chambre d'admission des gaz munie d'un ou plusieurs orifices d'admission des gaz, une chambre de refroidissement munie d'un ou de plusieurs orifices de sortie des gaz, une plaque d'admission des gaz qui sépare la chambre d'admission des gaz de la chambre de refroidissement et à laquelle un ou plusieurs tubes à gaz qui s'étendent à travers l'intérieur de la chambre de refroidissement sont raccordés, au moins la partie de la plaque d'admission des gaz qui est située entre les tubes à gaz ayant une forme convexe, un ou plusieurs conduits pour amener un réfrigérant à la chambre de refroidissement et pour évacuer le réfrigérant de la chambre de refroidissement et une paroi formant, avec la surface de la plaque d'admission des gaz qui délimite la chambre de refroidissement, un canal de refroidissement séparé, ce verrier étant muni de raccords pour l'amenée et l'évacuation de réfrigérant. En fonctionnement, un réfrigérant ayant une température relativement basse, de préférence de l'eau d'alimentation des chaudières, circule dans le canal de refroidissement, et s'écoule sur la surface intérieure de la plaque d'admission des gaz. La température moyenne du métal de la plaque d'admission des gaz est ainsi maintenue à un bas niveau d'où il résulte que la pression différentielle à laquelle l'échangeur de chaleur peut résister est accrue de façon significative. La température moyenne du métal de la plaque d'admission des gaz est définie comme étant la moyenne des températures existant sur la surface métallique située du c8té des gaz et sur la surface métallique située du côté du réfrigérant de la plaque d'admission des gaz. Une caractéristique importante de la présente invention réside en ce au'au moins la partie de la plaque dtad 1' son des gaz qui est située entre les tubes à gaz a une forme convexe. Le but de cette disposition est d'accroitre la résistance de cette partie de la chaudière à chaleur perdue compte tenu du fait que la température de la plaque d'admission des gaz à ce point est la plus élevée. Pour des raisons de construction, il est préféré de réaliser la plaque d'admission des gaz de telle sorte-que sa partie convexe fasse saillie dans la chambre d'admission des gaz sous forme d'une calotte bien qu'il soit possible de réaliser la plaque d'admission des gaz de telle sorte que sa partie convexe fasse saillie dans la chambre de refroidissement. La construction de la plaque d'admission des gaz sous forme d'une calotte comme mentionné ci-dessus, en traRne cependant un problème technique en ce qui concerne l'écouliement du réfrigérant dans le canal de refroidissement. I1 n1 est pas satisfaisant d'introduire le réfrigérant dans le canal de refroidissement d'un côté et de l'évacuer de 11 autre côté étant donné qu'il en résulte une mauvaise répartition de l'écoulement du réfrigérant sur la surface intérieure de la plaque d'admission des gaz. Ceci entraîne l'apparition de points chauds sur la plaque d'admission des gaz qui constituent des régions potentielles de défaillance du métal.La demanderesse a maintenant trouvé qu'-il était particulièrement avantageux de réaliser le canal de refroidissement de telle sorte que le raccord d'amenée (ou d'évacuation) du réfrigérant soit situé au centre du canal de refroidissement et qu'un ou plusieurs mccords d'évacuation (ou d'amenée) du réfrigérant soient situés à la périphérie du canal. De préfé- rence, plusieurs raccords à réfrigérant sont situés sur la péri périe du canal de refroidissement afin de favoriser une répartition régulière de l'écoulement du réfrigérant sur la plaque d'admission des gaz. Les raccords à réfrigérant sont de préférence positionnés symétriquement autour de la circonférence de la chambre de refroidissement. Le réfrigérant entre, de préférence, dans le canal de refroidissement par le raccord prévu en son centre, étant donné que ceci assure que le réfrigérant le plus froid vient en contact avec la partie la plus chaude de la plaque d'admission des gaz (c'est-à-dire la calotte convexe) produisant ainsi l'effet de refroidissement maximal, et il quitte le canal par les raccords prévus à la périphérie du canal. Cependant, un écoulement dans le sens inverse est également possible. Dans les deux cas, une excellente répartition de l'écoulement du réfrigérant sur la surface intérieure de la plaque d'admission des gaz est obtenue et la formation de points chauds est ainsi évitée. Suivant un mode de réalisation préférentiel de l'invention, au moins la partie de la plaque d'admission des gaz qui est située entre les tubes à gaz est de forme sphérique. Cette forme est préférée étant donné qu'elle donne la construction la plus résistante. Le rayon du segment sphérique formé par la plaque d'admission des gaz entre les tubes à gaz peut varier dans des proportions importantes bien qu'un rayon compris entre 1,5 et 20 fois le diamètre extérieur d'un tube à gaz soit préféré Afin de favoriser l'obtention d'une bonne répartition d'écoulement du réfrigérant sur la surface intérieure de la plaque d'admission des gaz, il est désirable, bien que ceci ne soit pas essentiel, de construire la paroi, qui forme le canal de refroidissement en combinaison avec la surface de la plaque d'admission des ga qui délimite la chambre de refroidissement, sous la même forme que la plaque d'admission des gaz. Cela signifie que la largeur du canal de refroidissement est uniforme sur la totalité de la calotte de l'échangeur de chaleur. Un resultat important de cette uniformité est que la section d'écoulement pour le réfrigérant au centre de la calotte de l'échangeur de chaleur est plus petite que la section d'écoulement a sa périphérie, par conséquent, la vitesse d'écoulement du réfrigérant au centre de la calotte est plus élevée qu'à la périphérie. Ceci est important du. fait que le taux de refroidissement s'accroit avec la vitesse d'écoulement du réfrigérant. De ce fait, l'effet de refroidissement de l'écoulement du réfrigérant au centre de la calotte, qui est la partie de la calotte qui devient la plus chaude et qui par conséquent nécessite le refroidissement le plus intense, est extrtmement bon. La largeur du canal de refroidissement peut varier dans des proportions importantes mais elle est comprise, de préférence, entre 5 et 250 mm. Une largeur comprise entre 5 et 50 mm est encore plus ppéférable. La paroi peut avoir une éps s- seur appropriée mais, dans un mode de réalisation préférentiel de llinvention, elle est relativement mince par rapport à l'épaisseur de la plaque d'admission des gaz étant donné que la pression du réfrigérant dans la chambre de refroidissement et celle du réfrigérant dans le canal de refroidissement sont sensiblement les mimes et que la différence de pression supportée par la paroi est faible.La pression différentielle plus élevée qui existe entre la chambre d'admission des gaz et le canal de refroidissement est supportée par la plaque d'admission des gaz plus épaisse. Suivant un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le canal de refroidissement est muni d'un dispositif d'étranglement de l'écoulement du réfrigérant. Un dispositif simple mais convenable est un étranglement formé par un anneau plat en métal situé sur la circonférence du canal de refroidissement, cet anneau étant perforé d'un certain nombre d'orifices à travers lesquels le réfrigérant doit s'écouler. L'effet de cette disposition est de créer une forte différence de pression entre les c8tés opposés des orifices en comparaison de laquelle les petites différences de pression se produisent à d'autres emplacements du canal de refroidissement, qui autrement pourraient provoquer un écoulement non uniforme du réfrigérant, sont insignifiantes.De cette manière, une répartition d'écoulement uniforme du réfrigérant dans le canal de refroidissement est favorisée. Comme on l'a déjà mentionné, la plaque d'admission des gaz entre les tubes à gaz a une forme convexe afin d'accroitre sa résistance au maximum. En plus de cette caractéristique, il est plus particulièrement préféré, du point de vue de l'accroissement au maximum de la résistance de l'échangeur de chaleur, de raccorder les tubes à gaz à la plaque d'admission des gaz de telle sorte qui aucune partie des tubes ne fasse saillie dans la chambre d'admission des gaz. De cette manière, il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens de réfroidissement compli qués pour des parties des tubes à gaz faisant saillie dans la chambre d'admission des gaz comme ceux qui ont été proposés à de nombreuses reprises dans le cas de modèles d'échangeur de chaleur de la technique antérieure. Comme on l'a déjà mentionné, l'échangeur de chaleur selon la présente invention est très avan-Fsbeusement réalisé en grandes dimensions et peut avoir un diamètre important par rapport aux normes courantes. Ainsi, des échangeurs e chaleur réalisés conformément à la présente invention peuvent avoir des diamètres supérieurs à 4 mètres et être capables néanmoins de fonctionner à des températures élevées et à des pressons diffé- rentielles élevées sans risque de 4éfaillance de la plaque a'admission des gaz ou des tubes à gaz. Les diamètres des échangeurs de chaleur selon la présente invention sont, cependant, compris de préférence entre 1,5 et 3 m.Le nombre des tubes à gaz et le diamètre intérieur des tubes à gaz peuvent varier considérablement mais, de préférence, le nombre de tubes est compris entre 4 et 20 et le diamètre d'intérieur des tubes est compris--entre 7G et 200 mm. La présente invention a également pour objet un procédé de refroidissement de gaz chauds utilisant un cneur de chaleur tel que décrit ci-dessus. es procédés particuliPrement appropriés sont ceux qui nécessitent que I1 échangeur de chaleur fonctionne à des températures élevées et à des pressions différentielles élevées. De telles températures sont comprises, par exemple, entre 7000C et 16000C ou même davantage.Les différences de pression sont habituellement supérieures à 25 bars et de préférence comprises entre 35 et 150 bars. mout réfrigérant convenable peut être utilisé dans la chambre de reiroidissement de l'é- changeur de chaleur bien que l'eau soit, en général, le réfrigérant préféré. Comme on l'a précédemment expliqué, le réfrigérant circule dans le canal de refroidissement de l'échangeur de chaleur au cours du fonctionnement afin de refroidir la surace de la pla que d'admission des gaz. Ceci a pour effet de réduire la température moyenne de la plaque d'admission des gaz et ainsi d'accroitre sa ré sistance, afin d'accroitre au maximum l'effet de refroidissement il est en conséquence, désirable d'introduire -du réfrigérant froid dans le canal de refroidissement.Par conséquent, le réfrigérant qui entre dans la chambre de refroidissement a de préférence une température comprise entre O C et 200 C, La quantité de réfrigé rant qui passe dans le canal de refroidissement par unité de temps peut varier considéraolement en quelle ne doivent pas être si faible qu'elle permette au réfrigérant d'être chauffé d'ure ma nière importante au cours de son écoulement dans le canal de refroidissement.La température du réfrigérant qui quitte le canal de refroidissement ne doit pas être de préférence supérieure à 250 C. La température moyenne du métal de la plaque d'admission des gaz est maintenue basse au moyen de l'écoulement du réfrigérant dans la chambre de refroidissement et de préférence cette température est inférieure à 5000 C. Un réfrigérant particulièrement convenable est Liteau d'alimentation des chaudières. Dans un mode de réalisation preférentiel de ltin- vention, la pression du réfrigérant dans le canal de refroidissement est à peu près la même que la pression du réfrigérant dans la chambre de refroidissement. Ceci présente l'avantage que la paroi du canal de refroidissement, qui forme le canal de refroidissement en combinaison avec la surface de la plaque d'admission des gaz n'a pas besoin d'être très épaisse, comme expliqué cidessus. Suivant un autre mode de réalisation, un dispositif d'é trcnglement du courant de réfrigérant est contenu à l'intérieur du canal de refroidissement et la forte pression différentielle entre les côtés opposés de ce dispositif produit une répartition uniforme de l'écoulement du réfrigérant sur la surface intérieure de la plaque d'admission des gaz.Comme précédemment expliqué, la formation de points chauds est de ce fait évitée. Le présent échangeur de chaleur est particulièrement approprié pour être utilisé comme cnaudière à chaleur perdue pour refroidir des gaz chauds contenant de la suie et des cendres produits par la combustion partielle d'hydrocarbures et pour produire simultanément de la vapeur à haute pression. Dans ce cas, la pression des gaz chauds est comprise, de préférence, entre 10 et 100 bars et la pression de la vapeur produite est comprise de préférence entre 40 et 160 bars. La température des gaz qui entrent dans les tubes à gaz est comprise de préférence entre 800 et I5000C et la température de l'eau qui entre dans la chambre de refroidissement est comprise entre 20 et 360 C. L'invention sera main-enant plus complètement décrite en se référant au dessin donné à titre d t exemple non limitatif et dans lequel: La figure unique représente un mode de réalisation préférentielle de 11 invention. La figure représente un échangeur de chaleur cylindrique qui comprend une chambre d'admission des gaz 1 et une chambre de refroidissement 2. L'enveloppe en métal de la chambre d'admission des gaz est désignée par la référence 3 et celle de la chambre de refroidissement par la référence 4. La chambre de refroidissement est disposée verticalement au-dessus de la chambre d'admission des gaz, les deux enveloppes métalliques des chambres étant réunies entre elles par une bride 5. La chambre d'admission des gaz qui est revêtue de briques réfractaires 6 est munie d'un orifice d'admission des gaz 7. La chambre de refroidissement est munie de deux orifices de sortie des gaz 8, d'un orifice d'admission de réfrigérant 9, d'un orifice de sortie du réfrigérant 10 et d'une plaque d'admission des gaz convexe 11 dont le centre est de forme sensiblement sphérique et à laquelle deux tubes à gaz 12 s1éten- dant à travers l'intérieur de la chambre de refroidissement sont raccordés. Â l'intérieur de la chambre de refroidissement est disposée une paroi 13 qui a la meme forme que la plaque d)admission des gaz convexe et qui forme un canal de refroidissement séparé 14 en combinaison avec la surface de la plaque d'admission des gaz.Le canal de refroidissement est muni d'un raccord à réfrigérant situé centralement 15 et de quatre raccords à réfrigérant disposés symétriquement à la périphérie du canal de refroidissement dont deux sont visibles sur le dessin et sont désignés par la référence 16* Le réfrigérant entre dans l'échangeur de chaleur par un orifice d'entrée 17, passe dans un conduit 18 et dans le raccord 15 pour parvenir au canal de refroidissement, s'écoule dans le canal de refroidissement et le quitte par les quatre raccords 16, quatre conduits 19 et quatre orifices de sortie 20, deux seulement des conduits et des orifices de sortie étant représentés sur le dessin.Un dispositif d'étranglement de l'écoulement du réfrigérant réalisé sous forme d'un anneau plat en métal perforé d'un certain nombre d'orifices dont deux sont représentés et sont désignés par la référence 21 est positionné le long de la périphérie du canal de refroidissement afin de favoriser une répartition d'écoulement uniforme dans la- totalité du canal de refroidissement. l'écoulement du réfrigérant dans le canal de refroidissement assure que la température moyenne de la plaque d'admission des gaz est maintenue à un bas niveau au cours du passage des gaz chauds à travers l'échangeur de chaleur. La plaque d'adrission des gaz est par conséquent renforcée et l'échangeur de chaleur est capable de fonctionner en toute sécurité à des pressions différentielles très élevées entre les gaz chauds et le réfrigérant, Grecs à l'invention, un échangeur de chaleur ayant un diamètre supérieur à 1,5 m-peut être facilement utilisé en toute sécurité à une pression différentielle de 50 à 100 bars ou plus. REVENDICATIONS 10) - Un échangeur de chaleur pour refroidir des gaz chauds, comprenant une chambre d'admission des gaz munie d'un ou plusieurs orifices d'admission des gaz, une chambre de refroidissement munie d'un ou plusieurs orifices de sortie des gaz, une plaque d'admission des gaz qui sépare la chambre d'admission des gaz de la chambre de refroidissement et à laquelle un ou plusieurs tubes à gaz qui s'étendent à travers l'interieur de la chambre de refroidissement sont raccordés, au moins la partie de la plaque d'admission des gaz qui est située entre les tunes à gaz ayant une forme convexe, un ou plusieurs conduits pour amener un réfri;;érant à la chambre de refroidissement et pour évacuer le réfrigérant de la chambre de refroidissement et une paroi formant avec la surface de la plaque d'admission des gaz qui délimite la chambre de refroidissement un canal de refroidissement séparé, ce dernier étant muni de raccords pour l'amenée et l'évacuation de réfrigérant. 20) - Echangeur de chaleur selon la revendication 1, c ractarisé en ce qu'un raccord à réfrigérant est situé au centre du canal de refroidissement et un ou plusieurs raccords à réfrigérant sont situés à la périphérie du canal. 30) - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins la partie de la plaque d'admission des gaz qui est située entre les tubes à gaz est de forme sensiblement sphérique. 4 ) - échangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce -ue le segment sphérique formé par la plaque d'admission des gaz entre les tubes à gaz a un rayon compris entre 1, àt 20 fois le diamètre extérieur 'un tube à gaz. 50) - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la largeur du canal de refroidissement est comprise entre 5 et 50 n. 60) - Echangeur de chaleur selon l'uhe des revendications 1 à 5, caractérisé en ce cue le canal de refroidissement est muni dlun dispositif d'étranglement du courant de réfrigérant. 170) - Echangeur de chaleur selon l'une des revendlcatioer1s I a 6, caractérisé en ce que les tubes à gaz sont raccordes a lS z~aoue d'ac-X-ission des gaz de telle sorte qu'aucune tartie des tubes ne fasse saillie dans la chambre d'admission des gaz. 80) - Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le diamètre de l'échangeur de chaleur est compris entre 1.500 et 3.000 mm. 90) - En procédé de refroidissement de gaz chauds utilisant un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 9 8, caracrérisé en ce que la différence de pression entre la pression des gaz dans la chambre d'admission des gaz et celle du réfrigérant dans la chambre de refroidissement est d'au moins 25 bars. 100) - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la différence de pression precitée est comprise entre 35 et 150 bars. 110) - Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le réfrigérant entrant dans le canal de refroidissement séparé est de l'eau à une température comprise entre OOC et 2000C. 120) - Procédé de refroidissement selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la température moyenne du métal de la plaque d'admission des gaz ne dépasse par 500 C. 130) - Procédé selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que la pression du réfrigérant dans le canal de refroidissement est approximativement la même que la pression du réfrigérant dans la chambre de refroidissement. 140) - Procédé selon ltune des revendications 9 à 13, caractérisé en ce qu'un dispositif d'étranglement du courant de réfrigérant est contenu dans le canal de refroidissement et en ce que la différence de pression relativement élevée entre les côtés opposés du dispositif produit une répartition uniforme de 11 écoulement du réfrigérant sur la surface intérieure de la plaque d'admission des gaz. 150) - Procédé selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que la pression des gaz entrant dans les tubes à gaz est comprise entre 10 et 100 bars et la pression du réfrigérant dans la chambre de refroidissement est comprise entre 40 et 160 bars, 160) - Procédé selon l'une des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que la température des gaz entrant dans les tubes à gaz est comprise entre 8000C et 1.5000C et la température de réfrigérant entrant dans la chambre de refroidissement est comprise entre 200C et 3600C. 170) - Procédé selon l'une des revendications 9 à 16, caractérisé en ce que les gaz chauds sont produits par la combustion partielle de combustibles carbonés.