Brevet FR2345687A1 — publié le 19771021

L'invention est relative aux échangeurs de chaleur dynamiques, c'est-à-dire aux échangeurs dans lesquels le transfert de chaleur se fait par l'intermédiaire dtune ou de plusieurs pièces mobiles qui sont disposées alternativement dans l'écoulement de gaz chaud (où elles se réchauffent en refroidissant le gaz chaud) et dans l'écoulement de gaz froid (où elles se refroidissent en réchauffant le gaz froid) ; ces pièces mobiles seront appelées ci-aprEs "masses de régénération". L'invention s'applique plus particulièrement aux échangeurs de chaleur dynamiques entre des fumées s'échappant d'une chaudière, d'un four ou de tout autre générateur (gaz chaud) et l'air comburant destiné à alimenter cette chaudière, ce four ou ce gé nérateur (gaz froid). D'une façon générale, les échangeurs de chaleur dynamiques présentent des inconvénients dont certains sont accentués dans l'application plus particulièrement envisagée. C'est ainsi qu'on constate généralement une mauvaise étanchéité entre l'atmosphère ambiante et les deux gaz entre lesquels doivent s'opérer les échanges thermiques, ce qui conduit à une chute de l'efficacité de récupération thermique entre le gaz chaud et le gaz froid, à une pollution de l'atmosphère am- biante quand l'un ou l'autre des deux gaz est à une pression plus élevée que la pression ambiante, et à des risques d'incendie si l'un ou l'autre des deux gaz est combustible et à une pression moins élevée que la pression ambiante. On constate également une mauvaise étanchéité entre les deux gaz entre lesquels doivent s'opérer les échanges thermiques, ce qui risque de polluer un gaz avec l'autre. Lorsque l'un des deux gaz est sale, il provoque un dépôt sur la masse de régénération pendant le séjour de celle-ci dans ce gaz sale, et ce dépôt va se disperser dans le gaz propre pendant le séjour de la masse de régénération dans ce gaz propre ; il y a donc, là aussi, un risque de pollution d'un des gaz par l'autre. Enfin, les échangeurs de chaleur dynamiques connus jusqu'a ce jour, qu'ils soient à masses de régénération tournantes ou à masses de régénération déplaçables au moyen d'un convoyeur, nécessitent la présence de mécanismes au sein même des deux gaz entre lesquels doivent s'opdrer les échanges thermiques. L'invention a précisément pour but de remédier aux inconvénients dont il vient d'être question ci-dessus. L'échangeur conforme à l'invention comporte une pluralité de masses de régénération mobiles qui sont disposées alternativement dans une gaine où circule le gaz chaud et dans une gaine où circule le gaz froid, et il est caractérisé par le fait que ces masses de régénération sont libres les unes par rapport aux autres, par le fait que des moyens de transfert verticaux sont prévus pour que les masses de régénération circulent verticalement (ou sensiblement verticalement) en étant posées les unes sur les autres, de haut en bas dans la gaine de circulation de l'un des deux gaz, et de bas en haut dans la gaine de circulation de l'au- tre gaz, et par le fait que des moyens de transfert horizontaux sont prévus pour que les masses de régénération circulent horizontalement (ou sensiblement horizontalement), en se poussant les unes les autres, dans des conduits de liaison reliant les gaines de circulation des deux gaz. De préférence, les moyens de transfert verticaux et les moyens de transfert horizontaux sont disposés à l'extérieur des gaines de circulation des gaz, des parois déformables, telles que des soufflets, étant prévues pour relier les parties mobiles de ces moyens de transfert aux parois de ces gaines de circulation. On obtient ainsi une étanchéité parfaite entre l'atmosphère ambiante et les deux gaz entre lesquels doivent s'opérer les échanges thermiques. De préférence également, la longueur de chaque conduit de liaison est telle qu'il puisse abriter au moins une masse de régénération, et la section de chaque conduit est telle qu'il subsiste un jeu minimum entre ces parois et la masse de régénération. On obtient ainsi, par la présence d'au moins une masse de régénération dans chaque conduit de liaison, une bonne étanchéité entre les gaines de circulation des deux gaz entre lesquels doivent s'opérer les échanges thermiques. Au point de vue constructif, les gaines de circulation du gaz chaud et du gaz froid sont orientées verticalement et présentent une section rectangulaire ou carrée, et les conduits de liaison présentent une longueur égale ou un peu supérieure à la petite dimension de la section des susdites gaines ; dans ces conditions, les masses de régénération sont constituées par des parallélépipèdes de section horizontale un peu inférieure à la section rectangulaire ou carrée des gaines de circulation, et de section verticale un peu inférieure à la section des conduits de liaison. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'échangeur comporte un conduit de liaison inférieur et un conduit de liaison supérieur, les masses de régénération parcourant alors un circuit quadrangulaire. Les moyens de transfert verticaux peuvent être constitués, pour chacune des deux gaines de circulation du gaz chaud et du gaz froid, par, - d'une part, un dispositif de verrouillage agencé pour maintenir une masse de régénération en dessus du débouché du canal de liaison inférieur dans la gaine de circulation lorsque le dispositif de verrouillage est dans sa position active, - et, d'autre part, une plate-forme élévatrice commandée pour évoluer entre une position basse, pour laquelle la masse de régénération qu'elle supporte est au niveau du conduit de liaison inférieur, et une position haute, pour laquelle la masse de régénération qu'elle supporte est au niveau du dispositif de verrouillage. Les moyens de transfert horizontaux peuvent être constitués, pour l'ensemble des deux gaines de circulation du gaz chaud et du gaz froid, par deux dispositifs de poussage agissant en sens inverse l'un de l'autre et disposés, l'un au niveau du conduit de liaison inférieur, et l'autre au niveau du conduit de liaison supérieur. Lorsque l'un des deux gaz est sale, il est avantageux de prévoir des moyens de nettoyage pour la masse de régénération qui se trouve dans le conduit de liaison après avoir quitté la gaine de circulation du gaz sale ces moyens de nettoyage peuvent être avantageusement constitués par des jets de l'un des deux gaz prélevé dans la gaine de circulation correspondante et soufflé , par l'intermédiaire d'un ventilateur, sur la masse de régénération à nettoyer. Un tel soufflage s'effectue de pré férence avec le gaz sale, ce qui permet également d'assurer une bonne étanchéité lorsque le gaz propre est à une pression plus élevée que le gaz sale, ce qui est généralement le cas lorsque le gaz sale est constitué par les~fumées s'échappant d'une chaudière, d'un four ou de tout autre générateur et lorsque le gaz propre est constitué par l'air comburant destiné à alimenter cette chaudière, ce four ou ce générateur. Lorsque le gaz chaud est constitué par les fumées résultant de la combustion d'huiles lourdes et s'échappant d'une chaudière, d'un four ou de tout autre générateur, il est avantageux de prévoir des moyens de préchauffage pour la masse de régénération qui se trouve dans le conduit de liaison après avoir quitté la gaine de circulation de l'air comburant destiné à alimenter cette chaudière, ce four ou ce générateur, ces moyens de préchauffage permettant d'éviter des condensations de liquide corrosif sur la masse de régénération; ces moyens de préchauffage peuvent avantageusement être constitués par des jets d'air chaud prélevé dans la gaine de circulation d'air comburant en aval de l'échangeur et soufflé , par l'intermédiaire d'un ventilateur, sur la masse de régénération à préchauffer. L'invention consiste, mises à part les dispositions dont il vient d'être question, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont relatifs à un mode de réalisation préféré de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La fig. 1, de ces dessins, est une coupe verticale d'un échangeur établi conformément à l'invention. La fig. 2 est une coupe selon II-II fig. 1. Les fig. 3 et 4 sont des coupes verticales analogues à celle de la fig. 1 et illustrant le fonctionnement de l'échangeur. Comme montré sur les fig. 1 et 2, l'échangeur comporte une pluralité de masses de régénération i qui peuvent être constituées chacune par un cadre 2 garni intérieurement de lames métalliques de faible épaisseur 3 disposées parallèlement et à intervalles réguliers et entre lesquelles circule le gaz. Ces masses de régénération 1 sont mobiles et sont disposées alternativement dans une gaine 4 où circule un gaz chaud et dans une gaine 5 où circule un gaz froid. Dans l'application plus particulièrement envisagée à titre d'exemple, le gaz chaud est constitué par les fumées s'échappant d'une chaudière et le gaz froid est constitué par l'air comburant destiné à alimenter cette chaudière. Ces deux gaines de circulation 4 et 5 sont disposées ver ticalement, les fumées et l'air circulant à contre-courant, généralement les fumées de haut en bas et l'air de bas en haut. Ces masses de régénération 1 sont libres les unes par rapport aux autres. Pour assurer leur circulation, il est prévu, - des moyens de transfert verticaux pour que les masses de régénération 1 circulent verticalement en étant posées les unes sur les autres, de haut en bas dans la gaine de circulation d'air 5 (donc à contre-courant par rapport à l'air qui circule de bas en haut), et de bas en haut dans la gaine de circulation des fumées 4 (donc à contre-courant par rapport aux fumées qui circulent de haut en bas), - et des moyens de transfert horizontaux pour que les masses de régénération 1 circulent horizontalement en se poussant les unes les autres dans des conduits de liaison 6 reliant la gaine de circulation des fumées 4 à la gaine de circulation d'air 5. De préférence, les moyens de transfert verticaux et les mo- yens de transfert horizontaux sont disposés à l'extérieur des gaines de circulation des fumées 4 et d'air 5, des parois défor notables, telles que des soufflets 7, étant prévues pour relier les parties mobiles de ces moyens de transfert aux parois de ces gaines de circulation 4 et 5. La longueur de chaque conduit de liaison 6 est telle qu'il puisse abriter une masse de régénération 1, et sa section est telle qu'il subsiste un jeu minimum entre ses parois et la masse de régénération 1. La gaine de circulation des fumées 4 et la gaine de circulation d'air 5 présentent une section rectangulaire et les conduits de liaison 6 présentent une longueur égale ou un peu su périeure à la largeur de cette section rectangulaire. Les masses de régénération 1 présentent alors la forme extérieure d'un parallélépipède de section horizontale un peu inférieure à la section rectangulaire des gaines 4 et 5 et de section verticale un peu inférieure à la section des conduits de liaison 6. L'échangeur comporte deux conduits de liaison 6, à savoir un conduit de liaison inférieur et un conduit de liaison supérieur ; les masses de régénération 1 parcourent alors un circuit quadrangulaire. Les moyens de transfert verticaux sont constitués, pour chacune des deux gaines de circulation 4 et 5, - par un dispositif de verrouillage 8 agencé pour maintenir une masse de régénération 1 eh dessus du débouché du canal de liaison 6 inférieur dans la gaine de circulation considérée lorsque ledit dispositif de verrouillage 8 est dans sa position active, - et par une plate-forme élévatrice 9 commandée pour évoluer entre une position basse, pour laquelle la masse de régénération 1 qu'elle supporte est au niveau du conduit de liaison 6 inférieur, et une position haute, pour laquelle la masse de régénération 1 qu'elle supporte est au niveau du dispositif de verrouillage 8. Le dispositif de verrouillage 8 peut comporter des tiges 10, au nombre de quatre, pour chaque gaine et disposées de manière à coopérer avec des butées de verrouillage 11 disposées sur la masse de régénération 1 au voisinage de ses quatre angles. Chaque tige 10 est reliée à la paroi de la gaine considérée par un soufflet 7 et elle est commandée par des moyens moteurs 12 (vérins hydrauliques, vérins électriques, vérins pneumatiques, etc...). Pour obtenir un effet de verrouillage certain, même si la position de la masse de régénération 1 n'est précise qu'à quelques millimètres près, il est avantageux de donner à la butée de verrouillage Il et à l'extrémité de la tige 10 des surfaces inclinées. La plate-forme élévatrice 9 peut comporter un cadre 13 soutenu par quatre tiges 14 disposées au voisinage des quatre angles du cadre 13, ces tiges 14 coopérant avec des moyens moteurs 15 (vérins hydrauliques, vérins électriques, vérins pneumatiques, etc...). Ces tiges 14 sont reliées à la paroi des gaines correspondantes par des soufflets 7. Les moyens de transfert horizontaux peuvent être constitués, pour l'ensemble des deux gaines 4 et 5, par deux dispositifs de poussage 16 agissant en sens inverse l'un de l'autre et disposés, l'un, le dispositif de poussage inférieur, au niveau du conduit de liaison 6 inférieur, et l'autre, le dispositif de poussage supérieur, au niveau du conduit de liaison 6 supérieur. Chaque dispositif de poussage 16 peut comporter une tige 17 actionnée par des moyens moteurs 18 (vérins hydrauliques, vérins électriques, vérins pneumatiques, etc...). Chaque tige 17 est reliée à la paroi de la gaine correspondante par un soufflet 7. Les fumées étant, dans la plupart des cas, sales, il est avantageux de prévoir des moyens de nettoyage 19 pour la masse de régénération 1 qui se trouve dans le conduit de liaison 6 supérieur après avoir quitté la gaine de circulation des fumées ces moyens de nettoyage 19 peuvent avantageusement être constitués par des jets de fumées prélevées dans la gaine de circulation des fumées 4 et soufflées, par l'intermédiaire d'un ventilateur 20, sur la masse de régénération 1 à nettoyer. Les fumées soufflées sont ensuite recyclées dans la gaine de circulation des fumées 4. Ce soufflage permet également d'assurer une bonne étanchéité car l'air est généralement à une pression plus élevée que les fumées. Les fumées contenant, dans la plupart des cas, des vapeurs corrosives qui risquent de se condenser à la sortie de l'échan- geur, il est avantageux de prévoir des moyens de préchauffage 21 pour la masse de régénération 1 qui se trouve dans le conduit de liaison 6 inférieur après avoir quitté la gaine de circulation d'air 5 ; ces moyens de préchauffage permettent de relever la température de la masse de régénération 1 et permettent ainsi de réduire, voire même d'éviter, les condensations de vapeurs corrosives. Ces moyens de préchauffage 21 peuvent avantageusement être constitués par des jets d'air chaud prélevé dans la gaine de circulation d'air 5 en aval de l'échangeur et soufflé, par l'intermédiaire d'un ventilateur 22, sur la masse de régénération 1 à préchauffer. On remarquera que, si la nécessité de préchauffage de la masse de régénération 1 provenant de la gaine de circulation d'air 5 n'est pas indispensable, il est possible de prévoir un soufflage des fumées qui permettra, outre un nettoyage éventuel, d'assurer l'étanchéité, l'air étant à une pression plus élevée que les fumées. Ces fumées soufflées seront ensuite recyclées dans la gaine de circulation des fumées 4. Au point de vue constructif, les masses de régénération 1 sont munies de patins 23 permettant leur glissement ; ces patins 23 sont fixés sur les masses de régénération 1 de façon démontable pour faciliter leur remplacement. Le fonctionnement de l'échangeur selon l'invention est alors le suivant : - transfert de la masse de régénération 1 supérieure située dans la gaine de circulation des fumées 4 vers la gaine de circulation d'air 5 (fig. 3) - simultanément, transfert de la masse de régénération 1 infé rieure située dans la gaine de circulation d'air 5 vers la gainefide circulation des fumées 4 (aussi fig. 3), - montée puis descente de la plate-forme élévatrice 9 dans la gai ne de circulation d'air 5, la descente s'effectuant après li bération du dispositif de verrouillage 8 descente gaine de circulation d'air 5 (fig. 4) - montée puis descente de la plate-forme 9 dans la gaine de circulation des fumées 4, la libération du dispositif de verrouillage 8 s'effectuant au cours de la montée et la descente s'effectuant après que soit effectué le verrouillage par le dispositif de verrouillage 8 de cette gaine de circula tion des fumées 4 (fig. 4). Pour un échangeur dont les masses de régénération présentent des dimensions de 1 m 50 de large, de 3 m de long et de O m 30 de hauteur, le. temps des différents. cycles est approximativement le suivant : - transfert horizontal des masses de régénération : 5 secondes, - montée de la plate-forme élévatrice dans la gaine de circula tion d'air : 3 secondes, - déverrouillage des masses de régénération dans la gaine de circulation d'air : 0,5 seconde, - descente des masses de régénération dans la gaine de circula tion d'air et, simultanément, montée et dévérrouillage des masses de régénération dans la gaine de circulation des fumées: 3 secondes, - verrouillage des masses de régénération dans la gaine de cir culation des fumées et dans la gaine de circulation d'air O,S seconde, - descente simultanée des plate-formes élévatrices dans la gaine de circulation d'air et dans la gaine de circulation des fumées : 3 secondes. La durée totale du cycle est donc de 15 secondes. Finalement, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose d'un échangeur de chaleur qui présente un certain nombre d'avantages qui peuvent être résumés par les points suivants - étanchété parfaite entre l'atmosphère ambiante et les deux gaz entre lesquels doivent s'opérer les échanges thermiques, - bonne étanchéité entre les gaines de circulation des deux gaz entre lesquels doivent opérer les échanges thermiques, - fiabilité et facilité de réalisation des moyens de transfert verticaux et horizontaux dont les moyens moteurs sont disposés à l'extérieur des gaines de circulation des deux gaz entre les quels doivent s'opérer les échanges thermiques, - absence de pollution d'un gaz par l'autre, - absence de pollution de l'atmosphère ambiante par l'un ou l'autre des deux gaz entre lesquels doivent s'effectuer les échanges thermiques - nettoyage permanent des masses de régénération, diminution des risques de corrosion des masses de régdnératpon, - rendement élevé grâce à une circulation des masses de régéné ration à contre-courant, amélioration de la tenue à la corrosion des masses de régéné ration dont la température en chaque point est, du fait de la circulation à contre-courant, continuellement croissante et homogène dans la gaine de circulation du gaz chaud, - amélioration de la tenue à la corrosion des masses de régéné ration du fait de leur préchauffage dans le conduit de liaison inférieur, possibilité de réaliser un échangeur compact présentant- des formes adaptées aux gaines d'amenée et de départ, - obtention de températures de sortie des gaz constantes sur toute la section des gaines de circulation. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1.- Echangeur comportant une pluralité de masses de régénération mobiles qui sont disposées alternativement dans une gaine oU circule le gaz chaud et dans une gaine où circule le gaz froid, caractérisé par le fait que ces masses de régénération sont libres les unes par rapport aux autres, par le fait que des moyens de transfert verticaux sont prévus pour que les masses de régénération circulent verticalement (ou sensiblement verticalement) en étant posées les unes sur les autres, de haut en bas dans la gaine de circulation de l'un des deux gaz, et de bas en haut dans la gaine de circulation de l'autre gaz, et par le fait que des moyens de transfert horizontaux sont prévus pour que les masses de régénération circulent horizontalement (ou sensiblement horizontalement), en se poussant les unes les autres, dans des conduits de liaison reliant les gaines de circulation des deux gaz. 2.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de transfert verticaux et les moyens de transfert horizontaux sont disposés à l'extérieur des gaines de circulation des gaz, des parois déformables étant prévues pour relier les parties mobiles de ces moyens de transfert aux parois de ces gaines de circulation. 3.- Echangeur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les parois déformables sont constituées par des soufflets. 4.- Echangeur selon lune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la longueur de chaque conduit de liaison est telle qu'il puisse abriter au moins une masse de régénération, et que la section de chaque conduit est telle qu'il subsiste un jeu minimum entre ces parois et la masse de régénération. 5.- Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les gaines de circulation du gaz chaud et du gaz froid sont orientées verticalement et présentent une section rectangulaire ou carrée, et que les conduits de liaison présentent une longueur égale ou un peu supérieure à la petite dimension de la section des susdites gaines, les masses de régénération étant constituées par des parallélépipèdes de section horizontale un peu inférieure à la section rectangulaire ou carrée des gaines de circulation, et de section verticale un peu inférieure à la section des conduits de liaison. 6.- Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'échangeur comporte un conduit de liaison inférieur et un conduit de liaison supérieur, les masses de régénération parcourant alors un circuit quadrangulaire. 7.- Echangeur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les moyens de transfert verticaux sont constitués, pour chacune des deux gaines de circulation du gaz chaud et du gaz froid, par, - d'une part, un dispositif de verrouillage agencé pour maintenir une masse de régénération en dessus du débouché du canal de liaison inférieur dans la gaine de circulation lorsque le dispositif de verrouillage est dans sa position active , - et, d'autre part, une plate-forme élévatrice commandée pour évoluer entre une position basse, pour laquelle la masse de régénération qu'elle supporte est au niveau du conduit de liaison inférieur, et une position haute, pour laquelle la masse de régénération qu'elle supporte est au niveau du dispositif de verrouillage. 8.- Echangeur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que les moyens de transfert horizontaux sont cons titubés, pour l'ensemble des deux gaines de circulation du gaz chaud et du gaz froid-, par deux dispositifs de poussage agissant en sens inverse l'un de l'autre et disposés, l'un au niveau du conduit de liaison inférieur, et l'autre au niveau du conduit de liaison supérieur. 9.- Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il est prévu des moyen de nettoyage pour la masse de régénération qui se trouve dans le conduit de liaison après avoir quitté la gaine de circulation de celui des deux gaz supposé sale. 10.- Echangeur selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ces moyens de nettoyage sont constitués par des jets de l'un des deux gaz prélevé dans la gaine de circulation correspondante et soufflé, par l'intermédiaire d'un ventilateur, sur la masse de régénération à nettoyer. 11-.- Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il est prévu des moyens de préchauffage pour la masse de régénération qui se trouve dans le conduit de liaison après avoir quitté la gaine de circulation du gaz froid. 12.- Echangeur selon la revendication 11, caractérisé par le fait que ces moyens de préchauffage sont constitués par des jets de gaz chaud prélevé dans la gaine de circulation des gaz chauds en aval de l'échangeur et soufflé, par l'intermédiaire d'un ventilateur, sur la masse de régénération à préchauffer. 13.- Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que les masses de régénération sont constituées chacune par un cadre garni intérieurement de lames métalliques de faible épaisseur disposées parallèlement et à intervalles réguliers. 14.- Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que chaque masse de régénération est munie de patins permettant son glissement. 15.- Echangeur selon la revendication 14, caractérisé par le fait que les patins sont fixés sur les masses de régénération de façon démontable. 16.- Echangeur selon lune quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que le gaz chaud et le gaz froid circulent à contre-courant par rapport au sens de circulation vertical des masses de régénération.