Brevet FR2374612A1 — publié le 19780713

La présente invention se rapporte à un échangeur de chaleur, en particulier à un générateur de vapeur ou d'eau chaude à tubes d'eau, comportant plusieurs w neaur verticaux parcourus les uns après les autres par les gaz chauds. De tels échangeurs de chaleur sont connus (revue nFnergie" 25e année, nO 11, nov. lu73, page 341, figure 1). Lorsque ces échangeurs de chaleur sont chauffés par-des gaz chargés de poussière, on se heurte à des difficultés en ce qui concerne l'encrassement des surfaces d'échange de chaleur, en particulier dans la zone du renvoi d'un carneau au carneau suivant, et également en ce qui concerne la baisse de température nécessaire des gaz en amont des surfaces de chauffage par contact.Par suite du renvoi des gaz sous un angle de 1800, il se produit une certaine centrifugation des particules de poussière entrainées qui, dans le carneau suivant, se concentrent sur une section de paroi déterminée et y provoquent de forts encrassements ainsi que des érosions et des corrosions sur les surfaces de chauffe ancorpo- rées.Ces encrassements diminuent le transfert de chaleur des gaz aux surfaces à chauffer et la température des gaz nrest donc pas abaissée autant qu'on le souhaite et/ou que cela serait né pessaire, Pour- obtenir, en amont des surfaces de chauffage par contact, des températures de 7500C et moins, quelquefois on exige m8me 6000C, on a proposé d'installer dans le deuxième carneau parcouru par un courant descendant, des panneaux tubulaires à la manière de surf aces de chauffe à cloisons. Le transfert de chaleur sur ces panneaux tubulaires disposés parallèlement au courant gazeux est très faible et est encore réduit par les encrassements qui s'y forment et exige par conséquent une grande surface de chauffe.Pour le nettoyage de ces panneaux tubulaires, on a prévu des dispositifs détartreurs qui requièrent des suspensions élastiques. Le poids élevé de ces panneaux pose toutefois des problèmes aussi bien en ce qui concerne les suspensions que les dispositifs détartreurs. Un autre inconve'ioent réside dans la formation des passages engendrés par les surfaces de chauffe à cloisons dans le carneau parcouru par un courant descendant et qui empêchent ou rendent plus difficile le mélange des gaz et leur combustion totale. Âvec un échangeur de chaleur du type précité, l'objet de l'invention est par conséquent, par des moyens simples et économiques, de faire en sorte que la combustion totale des gaz et leur mélange soient assurés avant leur entrée dans le faisceau des surfaces de chauffage par contact, que la baisse de température exigée soit atteinte en amont des surfaces de chauffage par contact et qu'un écoulement gazeux conduisant à des dépôts sur des sections de paroi déterminées soit empêché. Dans un échangeur de chaleur comportant plusieurs carneaux verticaux parcourus les uns après les autres par des gaz de chauffage, ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que, dans la zone du renvoi des gaz d'un carneau à l'autre, sont disposés, à distance les unes des autres et décalées en bauteur, des surfaces directrices constituées par des tubes parcourus par le fluide à chauffer et dont les conduites d'amenée et/ou de sortie sont réalisées élastiques Grâce à l'agencement de ces surfaces directrices dans la zone du renvoi, étant entendu qu'on considère avant tout ici un renvoi d'un carneau vide, parcouru par un courant descendant et raccordé à une chambre de rayonnement à gaz, à un carneau parcouru par un courant ascendant et muni de faisceaux de surface de chauffage par contact, il est possible de libérer le carneau vide de toute surface de chauffe, c'est-à-dire que les gaz peuvent s'y mélanger et s'y consumer sans entraves, d'obtenir un renvoi des gaz tel que des dépôts ne se produisent plus sur des sections de paroi déterminées et d'arriver à ce que les températures du gaz soient abaissées dans la mesure nécessaire. Du fait de la conception élastique des conduites d'amenée et/ou de sortie des surfaces directrices, il est possible de les soumettre à des secousses ou à des battements ayant pour effet de faire tomber les particules de poussière qui s 'y sont déposées, si bien que ces surfaces restent en état de refroidir convenablement les gaz à l'inverse de ce qui se passe lorsqu'elles sont encrassées.Ces surfaces directrices sont de préférence disposées verticalement, auquel cas elles peuvent titre prévues soit dans la zone de renvoi amont soit dans la zone de renvoi aval, ou encore dans l'une et l'autre de ces zones, l'agencement à adopter se déterminant non seulement d'après la baisse de température exigée, mais aussi d'après les conditions d'écoulement régnant dans la zone de renvoi et qui peuvent par exemple etre influencées par des parois de trémies collectrices de poussière qui y sont installées. I1 est avantageux de raccorder les tubes des surfaces directrices aux tubes d'amenée et de sortie qui font partie des tubes des parois latérales du carneau ou sont situés devant eux, attendu que, dans ce cas, les conduites d'amenée et de sortie ont une grande longueur et présentent l'élasticité nécessaire au nettoyage par secousses ou battements. Dans l'état actuel de la technique, il est connu de nettoyer les surfaces de chauffage à cloison au moyen de dispositifs vibrants ou batteurs (revue 11Energietechnik " 8ème année n 2 (1958), pages 67 à 73); il est en outre connu (brevet RFÂ 10 85 889) de disposer les arêtes supérieures des surfaces de chauffage par contact des panneaux tubulaires de façon étagée de manière qu'elles forment dans un carneau horizontal des surfaces directrices librement balayées par le courant-- afin de dévier les gaz en direction verticale, les arêtes inférieures pouvant être également à différentes hauteurs ; il est en outre connu (brevet R.F.A 22 45 261), à partir de tubes en forme de U reliés aux tubes de parois latérales et à partir de barres de tole soudées entre ces derniers, de constituer des parois déflectrices inclinées devant une paroi d'un foyer ou d'une chambre de combustion. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de modes de réalisation pris comme exemples, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin; annexé, sur lequel s la figure 1 représente schématiquement une coupe longitudinale d'un générateur de vapeur à tubes d'eau comportant des surfaces directrices dans la zone de renvoi amont la figure 2 représente un générateur de vapeur sensiblement de même type que celui de la figure I, mais comportant des surfaces directrices installées dans la zone de renvoi aval la figure 3 est une vue en élévation d'une surface directrice avec sa conduite d'amenée et de sortie les figures 4 et 5 représentent des variantes par rapport au mode de réalisation selon la figure 3 la figure 6 est une coupe suivant VI-VI de la figure 5 la figure 7 est une coupe horizontale analogue à la figure 6 représentant un dispositif batteur particulièrement efficace avec application des tubes de paroi sur une barre ; la figure 8 est une vue en élévation de la figure 7 la figure 9 représente une variante de la forme de réalisation selon la figure 2, avec surfaces de surchauffe en tant que surfaces directrices. Un générateur de vapeur à tubes d'eau 2 est disposé au-dessus d'une grille 1 (figures 1 et 2) servant par exemple à brA- ler des ordures. I1 s'agit en l'occurrence d'une chaudière à tubes d'équerre, c' est-à-dire d'une chaudière à circulation naturelle comportant une charpente tubulaire portant les surfaces de chauffe et le tambour séparateur de tapeur. L'invention n'est bien entendu pas limitée à ce type de chaudière, et peut également s'étendre à des chaudières d'un autre type, bien qu'elle soit particulièrement avantageuse pour ces chaudières à circulation naturelle. La charpente tubulaire porteuse est constituée par les tubes de descente 3 qui supportent le tambour séparateur de vapeur 4 et par des tubes de retour 5 dont seuls sont représentés ceux situés dans les coins de la paroi arrière de la chaudière; d'autres tubes pouvant être disposés sur les parois latérales. Les distributeurs inférieurs longitudinaux et transversaux 6 et 7 ainsi que les collecteurs supérieurs longitudinaux et transversaux 8 et 9 font en outre partie de cette charpente tubulaire porteuse. La chaudière à tubes d'eau est, sur ses parois externes, entourée de toute part par des tubes qui sont raccordés aux tubes distributeurs et collecteurs transversaux et longitudinaux. Elle comporte des tubes de paroi frontale 10, des tubes de paroi arrière 11, des tubes de cloisons ou de parois lmtermediaires 12 et 13, ainsi que des tubes de parois latérales 14.Les tubes 10 et 12 délimitent sur deux cotés une chambre de rayonnement 15 à laquelle se raccorde un carneau vide 16 qui est parconru.par un courant de gaz descendant, qui est délimité sur deux contés par les tubes 12 et 13 et qui est suivi d'un carneau 17, parcouru par des gaz ascendant, comportant des faisceaux de surface de chauffe par contact, et délimité sur deux cotés par les tubes 11 et 13. Selon l'qnvention,dans la zone du renvoi allant du carneau 16 au carneau 17 sont disposées des surfaces directrices 18 18' ou 18" qui s'étendent transversalement à l'axe longitudinal du générateur de vapeur 2. Les surfaces directrices 18 et 18' sont installées à distance les unes des autres dans un plan horizontal dans le sens de l'axe longitudinal de la chaudiere et sont placées de façon étagée en hauteur les unes par rapport aux autres, la surface directrice située la plus près de la cloison 13 séparant les carneaux 16 et 17 étant la plus haute, c'est-à-dire que la surface directrice 18 située la plus près de la cloison 13 déterminant le renvoi des gaz est, en hauteur, celle qui se trouve la plus proche du bord de fermeture 26 de cette cloison déflectrice.La distance verticale des surfaces directrices par rapport à ce bord de fermeture 26 augmente à mesure que s'accroît la distance horizontale par rapport à la paroi 13. On arrive ainsi à ce que le carneau 16 soit complètement ou presque complètement dégagé de surfaces de chauffe incorporées, si bien que les gaz provenant de la chambre de rayonme- ment 15 peuvent briller et se mélanger. On arrive, en outre, à conférer de façon déterminée aux gaz chauds lors de leur sortie du carneau 16 et/ou de leur entrée dans le carneau 17, un sens d'écoulement donné et à les contraindre à se séparer en courants gazeux individuels qui empêchent ou diminuent l'accumulation de particules de poussière entraînées sur des sections de paroi déterminées et p conséquent le risque d'érosion et/ou de cor- rosion, et on arrive à abaisser la température des gaz de façon voulue avant leur entrée dans les surfaces de chauffage par contact se trouvant dans le carne au 17. Les surfaces directrices ne peuvent toutefois assumer dans la mesure exigée la mission qui leur est attribuée an particulier en ce qui concerne l'abaissement de la température, que si elles sont suffisamment exemptes de salissures pour non seulement assurer un transfert thermique suffisant, mais également une section d'écoulement suffisante. Ctest-pour cette raison que, selon l'invention, les conduites d'amenée~et de sortie des surfaces directrices sont réalisées élastiques de façon qu'on puisse les soumettre de façon très simple à l'action de dispositifs batteurs, vibreurs ou à secousses. Comme on peut le voir sur la figure 3, les surfaces directrices 18, qui sont de préférence constituées par des tubes en U, sont raccordées aux tubes de parois latérales 14 qui, par suite de leur longueur, présentent une certaine élasticité. En cas de tubes de parois latérales continues, on prévoit dans ceux-ci un point de fermeture ou d'étranglement 19, si bien que l'eau ou la vapeur ou encore le mélange eau/vapeur est obligé de passer par ces tubes en U Au tube de la paroi latérale 14 est associé un dispositif détartreur 20 qui peut entre constitué par un axe et un marteau, par un batteur élastique armé et relâché par une came rotative, par un dispositif à secousses, à vibrations ou analogues. Les tubes de parois latérales 14, c'est-à-dire également les conduites d'amenée et de sortie des surfaces directrices peuvent être disposés tangentiellement au contact les unes des autres, auquel cas il est avantageux que les tubes munis de surfaces directrices ne présentent aucune attache fixe sur toute leur longueur. l'étanchéité extérieure peut etre réalisée sous la forme d'une gaine pelliculaire. Même en cas de tubes de parois soudés ensemble, par exemple de tubes à ailettes longitudinales, le mode de réalisation selon la figure 3 reste possible, attendu que ces parois présentent encore une élasticité suffisante pour transmettre des battements ou des secousses aux surfaces directrices. Toutefois, dans les parois à tubes à ailettes longiGndi- nales, il est avantageux de prévoir le mode de réalisation selon les figures 5 et 6 dans Iguelles,devant les tubes de parois 14, est installé un tube séparé 14' servant de conduite d'amenée et de sortie pour les surfaces directriced 18. le pilon 21 passe en pareil cas à travers les ailettes se trouvant entre les tubes 14 et agit sur le tube 14'. Ce mode de réalisation est également avantageux lorsque la surface directrice 18" , comme représenté sur la figure 4, doit servir à la surchauffe de la vapeur, la conduite d'amenée et de sortie 14" étant alors raccordée à chaque fois à un distributeur 6" et à un collecteur 8" de vapeur. Dans l'exemple selon les figures 7 et 8, sur le conté non chauffé des tubes de parois 14 est disposée une barre 22 qui maintient les tubes dans un plan et qui augmente considérablement l'effet de vibration. Â cet effet, un axe 24 soumis à la force d'un ressort 23 traverse la barre 22, le ressort 23 attirant le tube 14 vers la barre 22. Lors d'un choc sur la tbte 2 > du dispositif de vibration ou de battage il se produit un mouvement vers l'intérieur du tube 14 qui est alors rappelé par le ressort 23 et vient frapper la barre 22, d'où un renforcement de l'effet de vibration ou de battage. Dans l'exemple de la figure 9, les surfaces directrices sont également constituées par des surfaces de surchauffe 18" comportant des distributeurs 6u et un collecteur 8" de vapeur. Les tubes partant des distributeurs 6" et situés à distance les uns des autres dans le sens axial des distributeurs sont disposés en montant obliquement dans deux plans situés à distance l'un de l'autre à difféSentes hauteurs et se transforment alors en serpentins tubulaires situés dans des plans horizontaux. Les distributeurs 6" sont ici aussi raccordés par une extrémité aux tubes de parois latérales d'amenée élastiques, si bien qu'ils sont légèrement mobiles dans le sens transversal de la chaudière.De ce fait, les surfaces de surchauffe inclinées peuvent être également soumises à des vibrations ou des battements pour les maintenir propres, les oscillations agissant encore dans la zone des serpentins tubulaires horizontaux. Pour l'étanchéité des parties des dispositifs de battage ou de vibration traversant les parois tubulaires, on peut prévoir des membranes, des soufflets ou analogues. Grâce à l'agencement des tubes en U des surfaces directrices à une certaine distance les uns des autres, les gaz peuvent également s'écouler en partie transversalement à travers les surfaces directrices, ce qui améliore naturellement la baisse de température par rapport au seul écoulement parallèle au plan des surfaces directrices et la séparation des particules de poussière est augmentée par la formation de tourbillons, ce qui est à l'opposé de l'effet produit par les surfaces de chauffe à cloisons et fait que les surfaces directrices selon l'invention sont supérieures à ces surfaces de chauffe à cloisons. R E V E N D I C AX T I O N S 1. Echangeur de chaleur, en particulier générateur de vapeur ou d'eau chaude à tubes d'eau, comportant plusieurs carneaux traversés verticalement les uns après les autres par les gaz chauds, caractérisé par le fait que, dans la zone du renvoi des gaz d'un carneau à l'autre, sont disposées à distance les unes des autres et décalées en hauteur, des surfaces direct trices constituées par des tubes parcourus par le fluide à chauffer et dont les conduites d'amenée et/ou de sortie sont réalisées élastiques. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les surfaces directrices constituent des. panneaux tubulaires verticaux disposés à distance horizontale les uns des autres et étagés en hauteur. 3. Echangeur. de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les conduites d'amenee et de sortie font partie des tubes de parois latérales des carneaux. 4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1-à 3, caractérisé par le fait que les conduites d'amenée et de sortie se situent dans le plan d'une paroi tubulaire soudée de façon étanche. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, ca caractérisé par le fait que les conduites d'amenée et de sortie sont situées devant le plan des parois latérales du carneau 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fqit que les conduites d'amenée et de sortie ainsi que les tubes constituant le rev- tement de la paroi latérale sont raccordés à un distributeur et à un collecteur commun. 7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les conduites d'amenée et de sortie sont raccordées à un distributeur et à un collecteur indépendants du distributeur et du collecteur des tubes de parois latérales, 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, carac-térisé par le fait que les conduites d'amenée et de sortie ainsi que les tubes des surfaces directrices sont parcourus par la vapeur à surchauffer. 9 Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les tubes de chaque surface directrice sont courbés en forme d'U dans un plan vertical et sont raccordés à un tube commun formant les conduites d'amenée et de sortie. 10. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des reven dications 1 à 9 caractérisé par le fait que l'étendue de la sur- face directrice est plus petite dans le sens vertical que dans le sens horizontal. 11. Echangeur de chaleur selon la revendication 9 caractérisé par le fait que, dans la conduite d'amenée et de sortie commune, un disque d'étranglement ou de fermeture est inséré entre les points de raccordement du tube central en U de la surface directrice. 12. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à ll,caractérisé par le fait que les surfaces directrices sont disposées dans la zone de renvoi située en amont. 13. Echangeur-de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à ll,caractérisé par le fait que les surfaces directrices sont disposées dans la zone de renvoi située en aval. 14. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait. qu'un pilon, traversant la paroi latérale du carneau et susceptible d'entre soumis à des vibrations ou des battements à partir de l'extérieur, est raccordé à la conduite d'amenée et de sortie ou à la surface directrice. 15. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caSaetérisé par le fait que, sur le côté non chauffé des tubes de paroi, est disposée une barre de butée déterminant leur plan commun et qui est traversée par un axe rac-cordé au tube d'amenée et de sortie ou à la surface directrice et qui, sous l'action de la force d'un ressort, attire la partie, qui lui est raccordée, contre la surface de la barre de butée. 16. Echangeur de chaleur selon la revendication 14 ou 15, caractérisé par le fait que les pilons ou axes traversant les parois latérales sont, par des éléments élastiques, rendus étanches à tout. passage de gaz. 17. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que la surface directrice située la plus près de la paroi déterminant le renvoi des gaz est, en hauteur, la plus proche du bord de fermeture de cette paroi tandis que la distance verticale des surfaces directrices par rapport à ce bord de fermeture augmente à mesure que staccrott la distance horizontale par rapport à la paroi.