Brevet FR2354529A1 — publié le 19780106

L'invention concerne un échangeur thermique pour la récupération de la chaleur perdue à une température de travail atteignant 10000 C. La rcupération de la chaleur perdue, à partir de l'air provenant d'installations industrielles, a une grande importance économique. Pour l'utilisation de la chaleur perdue, on peut employer non seulement des échangeurs à regénération, par exemple d'un mode le rotatif, mais aussi des échangeurs à récupération de surface ou bien encore des échangeurs composes de tuyaux à ailettes circulaires où circule sous contrainte un fluide de transfert thermique approprié. Dans les échangeurs rotatifs à régénération, on peut certes obtenir un haut rendement thermique, mais un inconvénient provient cependant de ce qu'un mélange se produit entre le courant frais à basse température et le courant de rebut chaud. Bien que les échangeurs à récupération de surface soient compacts, ils cnt cependant l'inconvénient de nécessiter un net- toyage difficile des surfaces assurant le transfert thermique, lors de leur contamination par le fonctionnement en milieu poussièreux et corrosif. Les échangeurs de chaleur à récupération composés de tuyaux calorifiques coninencent actuellement à être adoptes. Un échangeur thermique thermique à tuyaux calorifiques comprend deux conduits: un conduit pour ltair pollué brûlant ou chaud et un conduit pour l'air frais. Les conduits sont séparés, l'un de l'autre, par une paroi rigide dans laquelle sont placés des tuyaux calorifiques serres, de façon que les éléments de vaporisation des tuyaux calorifiques soient dans un conduit où afflue l'air usé chaud et que les éléments de condensation des tubes calorifiques soient dans un conduit où afflue l'air frais à basse température.Le fluide de transfert thermique est vaporisé par la chaleur de l'air usé à la surface interne des éléments de vaporisation des tuyaux calorifiques, les vapeurs du fluide de transfert thermique passent au travers des tuyaux calorifiques dans 1'élément de condensation où elles se condensent sur la paroi interne des tuyaux en transmettant la chaleur de condensation à l'air frais. En fonction des conditions de récupération, les surfaces externes de transfert thermique des éléments de vaporisation et de condensation des tuyaux peuvent être augmentées par des ailettes, par exemple en forme de lamelles ou d'anneaux. L'arrangement des tuyaux calorifiques de ltéchangeur peut varier, les paramètres thermiques les plus avantageux étant obtenus avec une disposition serrée et en quinconce des tuyaux calorifiques.Le nombre de rangs de tuyaux calorifiques dans ltéchan.geur thermique est déterminé en fonction de facteurs économiques et l'on trouve habituellement de 3 a 8 rangs de tuyaux calorifiques dans liéchangeur. La position des tubes calorifiques dans ltéchangeur dépend de la localisation de l'échangeur thermique en fonctionnement. Lorsque les tuyaux calorifiques sont en position verticale ou inclinée (ctest-à-dire avec un angle d'inclinaison de ltélément de condensation du tuyau calorifique allant de 3 à 900 par rapport à l'horizontale), il est avantageux d'employer des tuyaux calorifiques à gravitation, c'est-â-dire sans dispositif à capillarité ou bien des tuyaux calorifiques combinés où la surface interne de ltélement de condensation du tuyau est construite sans dispositif à capillarité et la surface interne de ltélément de vaporisation du tuyau comprend un dispositif à capillarité qui assure une répartition homogène du fluide de transfert condensé qui s'écoule le long de la surface interne de l'élément de vaporisation du tuyau.Lorsque les tuyaus calorifiques sont en position horizontale ou inclinée (ctest-à-dire avec angle d'inclinaison de lSélément de condensation du tuyau allant de O à 900), on doit utiliser des tuyaux calorifiques à capillarité, où le dispositif à capillarité est disposé à la surface interne de l'ensemble du tuyau calorifique. Les avantages d'un échangeur thermique composé de tuyaux calorifiques sont, par exemple1 les suivants: absence de pièces mobiles - en dehors du nettoyage des surfaces de transfert thermique, aucun autre réglage ou entretien n'est nécessaire; longue durée de service - même au cours d'une avarie partielle d' un ou plusieurs tuyaux, le fonctionnement de l'échangeur n'est pas entravé, car chaque tuyau constitue un élément indépendant eh ce qui concerne les-échanges thermiques; aucune autre source d' énergie n'est nécessaire à ltéchangeur - la véritable force motrice de ltéchange thermique est constituée par la différence de température entre les courants du conduit rroid et du conduit chaud; le courant chaud et le courant froid ne se mélangent pas - ce qui est un avantage avant tout pour un fonctionnement non polluant; diversité dans la taille et la géométrie - il est possible de concevoir et de réaliser des échangeurs dans un large domaine en fonction des conditions concrétes d'utilisation; construction ramassée - du fait du rendement thermique élevé, les échangeurs peuvent être conçus d'une manière compacte, ils occupent peu de place et n'exigent pas de frais de montage importants; possibilité d'une utilisation universelle - en cas d'utilisation de tuyaux calorifiques à capillarité, le transfert thermique peut se faire dans les deux directions, cela ne dépend que de la chute de tem pérature; possibilité de fonctionnement en présence de poussière dans diverses installations où se trouve de la poussière, on utilise avantageusement des tuyaux dont les surfaces externes sont augmente os, ce qui peut faciliter le nettoyage de la surface de transfert thermique; fonctionnement silencieux - le dispositif ne comportant aucune pièce mobile, son niveau sonore est tres bas; faible perte de pression - couine les deux courants d'air ne traversent qu'un petit nombre de tuyaux calorifiques à ailettes radiales, la perte de pression est moins élevée dans le cas de cou.- rants que pour les échangeurs de surface. A côté des grands avantages que présentent les réalisations d'échangeurs thermiques composes de tuyaux calorifiques, ils ont l'inconvénient d'avoir leur rendement le plus élevé situé dans d'étroites limites de tempo'rature de travail, car tous les tuyaux calorifiques ne sont remplis que d'un seul fluide de transfert qui a, de plus, une tewpérature de travail maximun inférieure à 350e C. Le fonctionnement des échangeurs utilisés actuellement dans de larges limites de température se traduit par un rendement total inférieur à celui constaté dans le fonctionnement dans d'étroites limites de température. Les constructions existantes d'échangeurs thermiques pour la récupération de la chaleur ont une courte durée de service lorsque se produit une forte corrosion des surfaces de transfert thermique, par exemple du fait de produits-de combustion (oxydes, acide sulfurique) situés dans un domaine de température proche de leur point de dissociation. Ce facteur est particulièrement sensible en ce qui concerne les paramètres variables de la circulation et la température variable des produits de combustion et de l'air. L'invention a pour but d'éliminers au moins partiellement, ces inconvenients existants. A cet eftet l'invention concerne un échangeur comprenant deux sections formées d'un faisceau de tuyaux calorifiques, les tuyaux calorifiques d'une section ayant le mode remplissage et les faisceaux de tuyaux calorifiques des différentes sections ayant un seul remplissage qui a la composition d'une substance appartenant aux fluides réfrigerants à bas point dl ébullition, aux fluides pour basses températures, aux fluides pour températures moyennes et aux fluides pour hautes températures. Dans la dernière section d'un échangeur thermique à recupération sont préxos des tuyaux calorifiques stabilisateurs où est introduit, en plus, comme remplissage, un gaz inerte, par exemple de l'argon. Les éléments de vaporisation des tuyaux stabilisateurs sont places dans le canal à air froid. Les compartiments allongés des éléments de condensation, qui servent à emmagasiner le gaz inerte, sont placés a ltextériêur du bSti supérieur de la dernière section de ltéchangeur thermique. Dans le domaine des fluides réfrigérants à bas point d'ébullition, le fréon et l'ammoniac peuvent être utilisés comme remplissage. Les remplissages appartenant aux fluides pour températures moyennes sont Dowtherm, le soufre et le soufre plus un additif qui abaisse la viscosité dynamique du soufre liquide. Les remplissages appartenant aux fluides pour hautes températures sont le potassium et le sodium. Le mode de réalisation de l'échangeur thermique selon l'invention a, par rapport à la situation existante, d'importants avantages, car cette solution:- a) permet le fonctionnement d'é- mangeur dans un large domaine de températures de travail atteignant 10000 C, avec un rendement thermique élevé; - b) introduit des tuyaux stabilisateurs dans la dernière section de l'échangeur, d'où l'obtenticn d'une realisation qui rend possible de maintenir la température de l'air transporté en-dessous du point de dis sociation du mélange et de limiter ainsi, par exemple, la corroson de l'enveloppe des tuyaux et donc d'augmenter la durée de service de ltéchangeur thermique. 'La description suivante du mode de fonctionnement de l'échangeur thermique selon l'invention garantit l'obtention d1 une réalisation nouvelle et plus perfectionnée que les échangeurs thermiques existants. L'échangeur thermique à récupération comprend plusieurs sentions. Les différentes sections sont reliées entre elles par une chambre de raccordement et de manipulation. Les tuyaux calorifiques de chaque section constituent un échangeur thermique où les éléments de vaporisation des tuyaux calorifiques se trouvent dans le conduit à courant froid. Entre les conduits, est prévue une cloison à éléments dont chacun des éléments contient un rang de tuyaux calorifiques. La cloison à éléments porte, d'une part, les tuyaux calorifiques et, d'autre part, elle empêche le mélange du courant froid et du courant chaud. La surface externe des tuyaux calorifiques est augmentée par des ailettes. Lors du fonctionnement du dispositif selon l'invention, le fluide de transfert thermique est vaporisé par la chaleur de rebut sur la paroi interne del'élément de vaporisation des tuyaux calorifiques, les vapeurs du fluide de transfert thermique passent dans ltélément de condensation des tuyaux calorifiques où elles se condensent et échauffent l'air froid grace à la chaleur de condensation transmise. Dans la dernière section de l'échangeur thermique, constituée d'un faisceau de tuyaux calorifiques stabilisateurs, la température de la surface externe des éléments de vaporisation des tuyaux calorifiques est maintenue dans d'étroites limites, de façon à ce quten outre du remplissage actif, un gaz inerte se trouve dans les tuyaux calorifiques. La quantité de gaz est déter- minee par le calcul, en fonction de la teaapérature de travail et des limites maximales qu'atteignent les modifications de température à la surface externe des tuyaux. La stabilisation de la température de la surface de transfert thermique à l'intérieur d'etroites limites est obtenue, lors de la variation du rondement thermique dans I'élément de vaporisation du tuyau, par modification de la surface de transfert thermique de ltelément de condensation du tuyau, ceci en comprimant le gaz inerte pour faire passer du tuyau calorifique à un accumulateur. L'invention sera mieux comprise en regard des exemples de realisation de l'invention décrits ci-après. Exemple i: Récuperation de chaleur perdue d'air évacué à une tempo' rature de 6000 C. On utilise pour cela un échangeur thermique à deux sections. La première section comprend un faisceau de tuyaux calorifiques remplis de soufre avec un additif (H2S, halogène), la deuxième section comprend un faisceau de tuyaux calorifiques stabilisateurs à remplissage d'eau et de gaz inerte, par exemple de l'argon. Dans la première section, l'air est refroidi jusqu'à une texpérature de 200 à 2500 C, dans la deuxième section jusqu' à une température inférieure au point de dissociation. Exemple 2: Récupération de la chaleur à partir de gaz de combustion provenant d'installations industrielles à une température de 4000 C. On utilise un échangeur thermique à deux sections. La première section comprend un faisceau de tuyaux calorifiques remplis de Dowtherm, la deuxième section un faisceau de tuyaux calorifiques stabilisateurs à remplissage d'eau et d'un gaz inerte, par exemple de l'argon. Dans la première section, les gaz de combustion chauds sont refroidis jusqtl7à une température de 200 C, dans la deuxième section jusqu'à une temperaturo inférieure au point de dissociation des gaz de combustion, c'est-à-dire jusqu'à une température comprise entre i40 et 1804 C, suivant la nature du combustible utilisé. Exemple 3: Récupération de chaleur perdue à partir d'air évacué à une température de i50 c. On utilise un échangeur thermique à deux sections. La première section comprend un faisceau de tuyaux calorifiques à remplissage d'eau, la deuxième section un faisceau de tuyaux calorifiques à remplissage d'ammoniac. Dans la première section, l'air est refroidi jusqu'à une température de 804 C, dans la deuxième section jusqu'à 400 C. Exemple 4 Rfoupération de chaleur à partir d'air brûlant, à une température de 1000 C. L'échangeur thermique à récupération se compose de quatre sections. La première section comprend un faisceau calorifiques à remplissage de sodium, la deuxième section, un faisceau de tuyaux calorifiques a remplissage de soufre, plus un additif, qui abaisse la viscosité dynamique du soufre et la troisième section a un remplissage de Dowtherm. La quatrième section comprend un faisceau de tuyaux calorifiques a remplissage d'eau et d'un gaz inerte. Dans la première section, l'échangeur thermique abaisse la tempé- rature de l'air brûlant de 10000 C à 6000 C, dans la deuxième section de 6000 C à 3500 C et dans la troisième section de 3500 C à 2000 C. Dans la quatrième section, l'air refroidi de 2000 C jusqu'a la tempôraturo finale nécessaire. Bien entendu, l'invention nsest pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10) Echangeur thermique pour la températion de la chaleur perdue2 à une température de travail atteignant 10000C, qui comprend des tuyaux calorifiques, dont l'élément de vaporisation est placé dans le courant chaud et 1 'élément de condensation dans le courant froid, échangeur thermique caractérisé en ce qu'il se compose d'au moins deux sections comprenant des faisceaux de tuyaux calorifiques, les tuyaux calorifiques de chaque section ayant le même remplissage; le remplissage de la section ou des sections précédant la dernière section fait partie des fluides réfrigérants à bas point d'ébullition, des fluides pour basses températures, des fluides pour températures moyennes et des fluides pour hautes températures; la dernière section comprend un faisceau de tuyaux calorifiques stabilisateurs remplis d'une substance à un seul composant et d'un gaz inerte. 2.0) Echangeur thermique, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les remplissages appartenant aux fluides réfrigérants à bas point d'ébullition sont le fréon et l'ammoniac. 30) Echangeur thermique, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les remplissages appartenant aux fluides pour basses températures sont l'eau et l'alcool. 40) Echangeur thermique, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les remplissages appartenant aux fluides pour températures moyennes sont le Dowtherm, le soufre et le soufre plus additif qui abaisse la viscosité dynamique du soufre liquide. 50) Echangeur thermique, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les remplissages appartenant aux fluides pour hautes températures sont le potassium et le sodium.