Brevet FR2273231A1 — publié le 19751226

L'invention concerne les chaudières de récupération qui récupèrent une partie de la chaleur latente de gaz chauds soit dans le but d'augmenter le rendement global d'une installation soit par néceSsité de refroidissement des gaz dans un processus. Le niveau de température des gaz dans ces chaudières est habituellement assez faible par co;paraîson avec les chaudières classiques0 Il en résulte que les débits de gaz sont grands par rapport au débit de vapeur produit. D'autre part, ces débits de gaz, contrairement à ceux d'une chaudière classique, n'ont en général aucune proportionalité ou liaison avec le débit de vapeur produite Si ces particularités ne posent pas de problèmes au niveau du surchauffeur et du vaporisateur, il n'en est pas de même pour l'economiseur ou réchauffeur de l'eau d'alimcntation de la chaudière. Cc réchauffeur d'eau est placé à la sortie des gaz du vaporisateur. La température des gaz à cet endroit ne dépend principalexent que de- la tespérature de saturation, celle-ci étant constante pour une installation fonctionnant à pression fixe, La variation de la tespérature des gaz à l'entrée de l'éconoiiseur est d'autant plus faible que l'écart entre les telpératures de saturation et de sortie des gaz du vaporisateur dit "pinch point" est réduit, ce qui est généra le.eat le cas pour les chaudières de récupération, Il apparatt que, généralement, les conditions dé fonctionnement de 1 'écono- viseur sont caractérisées par une température d'entrée des gaz fixe à quelques degrés près et par l'absence de proportionalite entre les débits de gaz chauds et d'eau froide à récbauffer. Il en résulte que, en l'absence de dispositions spéciales, le réchauffage de l'eau dans l'économiseur sera très variable et que l'on atteindra une vaporisation plus ou soins isportante dans cet appareil suivant les conditions de arche. La vaporisation dans l'économiseur n'est pas souhaitée car elle entratne de nombreux inconvénients : dépits et incrustations dans les tubes, fonctionnenent instable, mauvaise repattition du débit entre les tubes, déséquilibre, vibrations ... La présente invention se propose d'empêcher cette vaporisation et, en même temps, de réduire la corrosion de l'économiseur par les gaz chauds. Elle a pour objet une chaudière de récupération dans laquelle des gaz chauds parcourent sucessivement un vaporisateur et un économiseur qui reçoit de l'eau froide d'alimentation et qui fournit de l'eau réchauffée à un réservoir de la chaudière et elle se caractérise en ce que l'économiseur comporte, outre un échangeur de chaleur principal, un petit échangeur de chaleur recevant directement l'eau froide d'alimentation et se trouvant placéii-iédiatement à la sortie du vaporisateur sur le parcours des gaz chauds. Ce petit échangeur de chaleur travaille ainsi avec un écart de température élevé entre gaz et eau qui permet d'abaisser la la température des gaz suffisamnent pour qu'aucune vaporisation ne soit à craindre dans I'échangeur de chaleur principal placé en aval du petit échangeur de chaleur sur le parcours des gaz chauds.Comme d'autre part ce petit échangeur reçoit de l'eau froide, celle-ci ne peut pas être portee à la vaporisation dans les cas habituels de fonctionnement0 Une vaporisation ne pourrait se produire que dans des régimes transitoires exceptionnels ; elle ne concernerait alors que le petit échangeur de chaleur et l'on verra que, grâce à d'autres dispositions préférentielles de l'invention, cette vaporisation ne pourrait pas entratner de fonctionnement instable et disparattrait dès le retour au régime établi de la chaudière, En outre, les risques de corrosion acide de l'économiseur par les gaz sont réduits : en effet, l'échange de chaleur entre eau froide et gaz chauds étant très intense, la température de surface du métal des tubes du petit échangeur de chaleur est plus élevée que dans un économiseur classique surtout dans le cas de tubes à ailettes. En se référant aux figures schématiques ci-jointes on va décrire un exemple donné à titre non limitatif, de mise en oeuvre de l'invention, qui permettra de faire ressortir d'autres caractéristiques de l'invention0 La figure 1 représente le schéma d'une portion de chaudière de récupération comprenant un économiseur. La figure 2 est un diagramme montrant l'évolution des températures dans 1 'économiseur. La chaudière dont une partie est représentée sur la figure 1 est une chaudière de récupération placée, par exemple au-dessus d'un caisson d'échappement d'une turbine à gaz, non représenté, sur le parcours ascendant des gaz sortant de cette turbine. L'econod seur, désigné dans son ensemble par la référence -1, reçoit d'un collecteur 2 de l'eau froide d'alimentation arrivant dans une canalisation 3 et fournit, dans un collecteur 4, de l'eau réchauffée envoyée dans un réservoir 5 de la chaudière. Cet économiseur 1 est placé sur le parcours ascendant des gaz chauds figuré par la flèche 6, en aval d'un vaporisateur 70 Le débit des gaz est fixe tandis que leur température est fonction de la charge de la turbine.Lors des charges partielles de la turbine, il y a ainsi un risque de vaporisation dans l'économiseur de telles chaudières de récupération si cet économiseur 1 est constitué comme c'est actuellement le cas par un seul faisceau de tubes0 De plus, les tubes étant à parcours d'eau descendant une vaporisation dans ltéconomiseur entraîne un fonctionnement instable et la vaporisation s'installe pour y demeurer en permanence. Comme on le voit sur la figure 1, l'économiseur selon l'invention comporte un petit échangeur de chaleur s constitué par un faisceau de tubes 8 disposés en parallèle, dont un seul a été représenté, recevant directement l'eau froide d'alimentation et placé imsédiatement à la sortie 9 du vaporisateur 7 sur le parcours des gaz chauds.Ce petit échangeur s a une surface d'échange de chaleur qui n'est qu'unie fraction de la surface d'échange de chaleur de l'échangeur de chaleur principal S de l'économiseur 1. Cet échangeur principal S est placé, tant pour ce qui est du circuit d'eau que du parcours des gaz, en aval du petit échangeur de chaleur s, et il est constitué d'un- faisceau de tubes 10 disposés en parallèle, dont un seul a été représenté, reliés aux tubes 8 par l'intermédiaire d'un collecteur 11, recevant la sortie des tubes 8 et l'entrée des tubes 10 et placés à la sortie 12 du petit échangeur s sur le parcours des gaz.Le vaporisateur 7 est dimensionné pour que la température T1 en 9 soit peu supérieure à la température de saturation t, et le petit échangeur s est déterminé de tanière à abaisser la température T2 des gaz en 12 à une valeur au plus égale à celle de la température de saturation, quelle que soit la charge partielle de la turbine gaz. On voit, en outre, que le collecteur Il est placé a un niveau supérieur à celui des tubes 8 du petit échangeur s, la dénivellation entre l'entrée dans ce petit-échangeur et le collecteur il étant désignée par E. il en résulte qu'une vaporisation accidentelle dans le petit échangeur s n'entrasse pas les inconvénients d'un fonctiomicient instable et d'une accentuation des écarts de débit entre les différents tubes en parallèle coite dans le cas d'un économiseur classique. En effet l'écart de pression entre les deux collecteurs 2 et 11, qui intéresse tous les tubes 8 de l'échangeur s, est égal à la sore de la perte de charge dans les tubes et du poids de la colonne de hauteur H.Lorsqu'un des tubes 8 se at en vpporisation partielle, la densité du contenu de la colonne de hauteur R diminue et la perte de charge disponible dans ce tube augmente, ce qui tend à accrottre le débit d'eau dans le tube vaporisant et à rétablir un fonction néant nBriaI sans vaporisation dans ce tube. Il y a donc une autostabilisation de l'économiseur. les tubes 8 du petit échangeur s sont parcourus par l'eau à réchauffer dans le sens ascendant cF qui élimine toute vaporisation produite pendant un régime transitoire, des le retour au régime établi, et cela contrairesent au comportement d'un économiseur classique dont les tubes seraient parcourus dans le sens descendant (le parcours des gaz étant ascendant) et ou la vaporisation s'installe et ne disparate pas forcément au retour à l'allure nominale. Les tubes 10 de l'échangeur principal 5 sont parcourus par l'eau à contre-courant. c'est à-dire à courant descendant, mais il n'y a pas de risque de vaporisation dans cet échangeur principal. La figure 2 montre l'évolution, dans cet économiseur I, des températures des gaz et de l'eau le long du parcours des gaz et le long du circuit d'eau. En ordonne on a porté les températures et en abscisse les parcours dans le vaporisateur 7 et dans les échangeurs s et S, ces derniers étant seuls considérés pour l'évolution de la température de l'eaue Des courbes G et G' montrent l'évolution de la température des gaz, respectivement lors d'une charge normale de la turbine à gaz et lors d'une charge partielle de celle-ci. Des courbes E et E' montre l'évolution de la température de l'eau, respectivement lors d'une charge normale et lors ttune charge partielle de la turbine a gaz. Les courbes E et E' présentent des décrochements du fait que l'échangeur S est parcouru par l'eau a contrecourant du- parcours des gaz. t désigne la température de saturation. La température de l'eau E' dans l'économiseur 1 ne peut pas atteindre la température de saturation quelle que soit la charge partielle de la turbine a gaz. On voit que l'échangeur principal S a une efficacité variable en fonction de la température de l'eau à la sortie du petit échangeur s, du fait que l'écart des températures entre eau et gaz dans l'echangeur principal S est plus ou moins grand suivant que le petit échangeur s a moins ou plus réchauffé l'eau. REVENDICATIONS 1/ Chaudière de récupération dans laquelle des gaz chauds parcourent successive sent rai vaporisateur et un économiseur qui reçoit de l'eau froide d'alimentation et qui fournit de l'eau réchauffée à un réservoir de la chaudière, caractérisée en ce que l'éconouiiseur (i) colporte, outre un échangeur de chaleur principal (S), un petit échangeur de chaleur (s) recevant directement l'eau froide d'alisentation (3) et se trouvant placé inédiateant à la sortie (9) du vaporisateur (7) sur le parcours (6) des gaz chauds. 2/ Chaudière de récupération selon la revendication 1, caractérisée en ce que, dans le circuit d'eau, l'entrée de l'échangeur de chaleur principal (S) est reliée à la sortie du petit échangeur de chaleur (s) par l'intermédiaire d'un collecteur (1 I). 3/ Chaudière de récupération selon la revendicatlon 2, caractérisée en ce que ledit collecteur (11) est place à un niveau (H) supérieur à celui du petit échangeur de chaleur (s). 4/ Chaudière de récupération selon l'une des revendications précédentes, carac térisé en ce que le petit échangeur de chaleur (s) est parcouru par l'eau d'alinen- tation dans le sens ascendant.