Brevet FR2392346A1 — publié le 19781222

La présente invention concerne un échangeur de chaleur pour gaz de carneau pour récupérer efficacement de la chaleur dugaz de carneau à température élevée, pour engendrer de la vapeur, à envoyer par exemple à un autre endroit ou à une autre partie d'un appareil travaillant à la vapeur0 On a déjà proposé un certain nombre de procédés et dtéqui pements pour récupérer la chaleur perdue des g;z de carne au ou analogues mentionnés ci-dessus, afin de l'utiliser dans d'autres buts0 Cependant danb le fonctionnement effectif d'un four, d'une chaudière ou analogue des différents types desquels sortent des gaz de fumée perdues, il se produit fréquemtent des variations de la température-et de la quantité des gaz.Si l'on désire récupérer efficacement la chaleur perdue entre certaines limites du débit de gaz tout en maintenant celui-ci à une tem- pérature acceptable pour assurer le tirage dans la cheminée. fixe ces variations ne peuvent pas être encaissées par une unité/de récupération de chaleur. Ea d'autres termes, il est nécessaire de récupérer la chs- leur perdue en fonction des variations des conditions de la fumée provenant de sa source, de façon que l'unité de récupération soit munie d'un mécanisme d1ajustement réglable.La plupart des procédés et équipements classiques manquent d'un tel mécanisme d' ajustement et doivent être perfectionnés, La présente invention découle de le constatation d'une telle lacune rencontrée dans la récupération de chaleur perdue, et a pour objet un échangeur de chaleur qui peut être lui-même réglable ou mobile pour s'adapter à toute variation de la tem pérature ou du débit de gaz de fumée pour récupérer la chaleur perdue efficacement sans abaisser la température des fumées en dessous de la valeur nécessaire pour assurer le tirage de la cheminée. Par conséquent c 'est un premier objet de la présente invention de proposer un échangeur de chaleur pour gaz de carneau qui peut récupérer efficacement la chaleur perdue en réglant la profondeur de pénétration de tubes d'eau introduits daps le carne au d 'échappement des fumées, pour ajuster ainsi la surface d échange de récupération de chaleur en fonction des modifications du gaz. C'est un autre objet de la présente invention de proposer un échangeur de chaleur qui ait une structure simple, dont l'en- combrement soit réduit par l'introduction de la partie chauffante principale dans le carneau, et dont le fonctionnement, lten- tretien et l'inspection soient effectués instantanément et facilement à partir de l'extérieur. C'est un autre objet de la présente invention de proposer un échangeur de chaleur pour gaz de carneau dans lequel la vat peur produite dans l'unité de récupération est utilisée par exemple pour empêcher ou limiter la production d'oxydes d'azote cNOx) à partir des sources de gaz de fumée pour obtenir à la fois la prévention de la pollution et l'économie de chaleur. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1A est une vue schématique en élévation avec partie arrachée, d'une forme de réalisation de la présente inven tion. La figure 13 est une vue en élévation à plus grande échelle d'une autre forme de réalisation des tubes d'eau. La figure 2 est une vue en coupe latérale des parties principales situées dans le carneau, de la forme de réalisationre- présentée sur la figure 1A. La figure 3 est une vue latérale en coupe à plus grande échelle des parties des tubes d'eau introduites dans la paroi du carneau. La figure 4 est une vue des parties principales d'une autre forme de réalisation analogue à la figure 1A. La figure 5 est une vue en coupe prise suivant la ligne V-V de la figure 4. La figure 6 est une vue d'une autre forme de réalisation de la présente invention, analogue à la figure 1A. La figure 7 est une vue en coupe prise suivant la ligne Vil-Vil de la figure 6. La figure 1 ést une vue en coupe montrant la structure d'un échangeur de chaleur. Sur le trajet d'un carneau 1 placé à la sortie d'un four d'une chaudière ou analogue, une série de tubes d4eau 2 est introduite dans le carneau suivant une direction perpendiculaire à la direction d'écoulement des gaz de fumée, les tubes étant introduits de l'extérieur à travers la paroi supérieure du carneau 1, la profondeur de pénétration étant indiquée par la lettre L (figure 2) Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 1A, les tubes d'eau comprennent chacun un tube à double circulation dans lequel l'eau est introduite par le tube interne d'alimentation 2a, et revient par l'espace annulaire compris entre le tube 2b extérieur de récupération de chaleur entourant le tube interne d'alimentation d'eau et ce dernier, pour produire de la vapeur par contact avec la surface de chauffe du tube 2b de récupération, c'est-à-dire par échange de chaleur avec la chaleur perdue dans le carneau 1, la vapeur produite étant récupérée par un réservoir 5 eau-vapeur.Dans une autre forme de réalisation représentée sur la figure 13, chaque tube d'alimentation 2a est oonnecté à chaque tube de récupération 2b paur former un tube en Uç Un certain nombre de tubes d'eau 2 sont disposés en parallèles et les parties supérieures des tubes d'alimentation d'eau 2a et des tubes de récupération 2b qui sont combinés pour former les tubes d'eau 2 et disposées à l'extérieur du carneau 1 sont connectées respectivement à des collecteurs horizontaux 3 et 4. Chaque collecteur 3 ou 4 est connecté hydrauliquement par exemple à un réservoir 5 d'eau et de vapeur installé à un niveau supérieur, la connexion étant réalisée à l'aide d'un certain nombre de tubes de liaison 6 et 7. En plus, pour que les tubes de liaison 6 et 7 puissent être mobiles entre le tube principal 8 d'alimentation d'eau et le tube principal 9 de récupération, directemont fiz:és au collecteur 3 et 4 et au ré réservoir 5, chaque tube de liaison 6 ou 7 peut par exemple être connecté à chaque collecteur ou au réservoir au moyen de joints universels 10 ou au moyen de tabes flexibles de sorte que les collecteurs 3 et 4 en liaison hydraulique avec le réservoir 5 peuvent se déplacer librement suivant la verticale. En plus, il est prévu une pompe 11 de circulation forcée, une soupape d'arrêt 12, un branchement de vidange 13 et une soupape de vidange 14 sur le trajet du tube de liaison 6 constituant le système d'alimentation d'eau, de façon que l'alimentation d'eau à partir du fond du réservoir 5 s'écoule dans chaque tube d'alimentation dteau 2a des tubes d'eau 2, an pa rallèle à partir du tube principal d'alimentation d'eau 8 au moyen de chaque tube de liaison 6, et s'écoule ensuite dans chaque tube 2a;ae de récupération pour revenir au réservoir 5. la surface externe des tubes de récupération 2b est exposée à la chaleur perdue des fumées et la chaleur transférée à travers cette surface engendre de la vapeur dans les tubes de récupération. La vapeur traverse le système de récupération comprenant le collecteur supérieur 4, le tube principal de récupération 9 et les tubes de liaison 7 pour parvenir à la partie supérieure du réservoir 5. Une partie de la vapeur accumulée dans le réservoir peut être fournie à d'outres unités utilisant de la vapeur, le reste étant condensé dans le réservoir 5 pour être recyclé dans les tubes d'eau 2 par les tubes de liaison 6. Les collecteurs 3 et 4 sont connectés aux extrémités de cordes ou chines 17 guidées par des galets 16 rotatifs sur des axes fixés à la charpente 15 de façon à être suspendus par ces cordes ou chalandes. À l'autre extrémité d'une des cordes ou chalandes 17 est suspendu un poids 18, et l'autre extrémité d'une autre corde ou channe 17 est fixée sous la traverse su périeure de la charpente 15, après renvoi sur un galet 19. Le galet 19 est déplacé verticalement par un moyen de commande 20 tel qu'un vérin hydraulique, un vérin pneumatique ou un palan à chaîne électrique fixé sur le côté de la charpente 15, de façon que le déplacement vertical du galet entral- ne verticalement les collecteurs 3 et 4 suspendus aux cordes ou chalnes 17, ce qui règle la profondeur d'introduction L des tu bes d'eau 2 dans le carne au I pour ajuster la surface d'échan- ge thermique des tubes d'eau 2 exposés dans le gaz de fumée. Dans une forme de réalisation de la présente invention, le déplacement vertical des tubes d'eau peut être assuré automatiquement de la façon suivante Un générateur de signal de pression 21 est connecté au ré servoir 5 d'eau et de vapeur pour détecter la pression dans le réservoir 5. La pression détectée est convertie en un signal électrique injecté à un contrôleur d'indication de pres sion 22. Quand le signal d'entrée sur le contrôleur d'indication de pression 22 est différent de la valeur de consigne de ce controleur 22, un signal est injecté à un transducteur élec tropheumatîque 23. Dans le transducteur, le signal électrique est converti en un signal paeumatique qui est injecté à travers le positionneur 24 au moyen d'entraînement 20 pour déplacer verticalement les tubes d'eau 2. De façon analogue, il est possible d'assurer la commande à partir du signal thermique de la fumée au lieu du signal de pression. Une visse de pression dans le réservoir 5 signifie que la température dans le carne au 1 9 baissé ou que la profondeur de pénétration L des tubes d'eau 2 a baissé de sorte que la longueur L des tubes d'eau 2 est eccrue par actionnement des moyens d'entraînement 20 pour accroître la surface d'échange. D'un autre côté, quand la pression croit dans le réservoir 5, les moyens d'entralnement 20 sont actionnés de façon à réduire la profondeur de pénétration L. En pratique si la température dans le carneau 1 s'abaisse à une valeur de 200 à 3000C du fait d'un aba-ssement de la quantité ou de la température des gaz de fumée, la température dans le carneau 5' abaissera par absorption de chaleur provoquée par le présent échangeur, jusqu'au point de rosée des acides à température inférieure à 12000 et occasionnera la corrosion à basse température non seulement du carneau et de la cheminée, mais aussi des tubes eux-memes. Par suite les tubes d'eau sont soulevés, c'est-à-dire la profondeur d'introduction I est réduite pour décroître la surface d'échange de chaleur des tubes d'eau 2 dans le carneau,commandant la température de sortie des tubes d'eau 2 à une valeur supérieure à 50C. Dans une autre technique, si une chaudière fonctionne à une pression de travail de 7 kg/cm2, la température de la vapeur engendrée est de 169 C. Quand la température des fumées s'abaisse à cette température, le sens de l'échange de chaleur est inversé de sorte que la surface d'échange de chaleur des tubes d'eau 2 est ajustée pour éviter une telle inversion. Comme représenté sur la figure 3, les tubes d'eau 2 peuvent être introduits à travers la paroi du carneau 1 en garnissant par exemple chaque tube d'un presse-étoupe métallique 26 garni d'un matériau souple 25 approprié résistant à la chaleur pour assurer un joint étanche à l'air et permettre le déplacement des tubes d'eau 2 de façon à les ajuster par rapport au carneau 1. Des moyens analogues peuvent être employés dans ce but. On va maintenant se référer à une autre forme de réalisation de la présente invention en regard des figures 4 et 5 sur lesquelles les memes éléments sont désignés par les mêmes références. À la différence de la forme de réalisation précédente, un générateur de vapeur surchauffée ayant une structure analogue au tube doleau 2 de la forme de réalisation précédente est installé séparément, de sorte que les tubes d'eau comprenant chacun un tube d'alimentation 2e et un tube de récupération 2b et des collecteurs 3 et 4 sont mobiles horizontalement. Dans cette forme de réalisation, les tubes d'eau 2 sont placés suivant une disposition verticale à travers la paroi latérale du carneau 1 de façon à pouvoir être déplacés horizontalement. Àfin d'ajuster la profondeur d'introduction horizonta- le T des tubes d'eau 2 dans cette forme de réalisation, un certain nombre de supports 27 sont installés perpendiculairement à la paroi latérale du carneau 1, un rail 28 étant prévu sur chaque support 27. Des roues 29 sont montées sur chaque rail 28. lies tubes d'eau 2 sont déplaçables horizontalement à l'aide d'un moyen d'entraînement 29 analogue à celui de la forme de réalisation précédente. Dans la forme de réalisation représentée sur les figures 4 et 5, il y a deux séries de tubes d'eau 2.Une série de tubes 2 est connectée à un réservoir 5 de façon analogue à la forme de réalisation précédente et de autre la vapeur saturée extraite du réservoir 5 est envoyée dans une/ série de tubes d'eau par la soupape 30 et le tube d'alimenta- tion 31 et la vapeur surcauîfée engendrée par cette dernière série de tubes d'eau est récupérée par le tube de récupération 32. Les figures 6 et 7 représentent une autre forme de réalisation analogue à celle des figures 1 et 2 mais avec la différence qu'une autre série de tubes d'eau 2 est prévue et chacu- ne des deux séries de tubes d'eau est connectée au réservoir 5 d'eau et de vapeur par une connection analogue à celle qui est représentée sur les figures 4 et 5. Comme mentionné dans ces formes de réalisation, l'échan- geur de chaleur pour gaz de fumée selon la présente invention est destiné à récupérer de la chaleur perdue dans les fumées traversant un carneau jusqu'au maximum possible dans les limites ne provoquant aucune perturbation du tirage de la cheminée par l'échangeur, pour produire de la vapeur utilisable dans d'autres unités. Par suite, dans la présente invention, les tubes d'eau disposés dans le carneau pour l'échange de chaleur peuvent entre déplacés pour ajuster la surface d'échange même pendant le fonctionnement de la source de fumée, ctest-à-dire des fours ou chaudières, de sorte que l'échangeur de chaleur peut fonctionner sans aucun trouble pendant le fonctionnement de la source de fumée. Conformément à la présente invention, le réglage de la surface de chauffe des tubes d'eau introduits dans le carneau et exposés aux fumées peut entre effectué automatiquement en fonction de la température et de la quantité de fumée, à partir de l'extérieur du carneau, de sorte qu'une récupération efficace de chaleur peut etre assurée sans aucun dérangement du tirage de la cheminée De plus, puisque la partie principale de l'échangeur de chaleur pour récupérer la chaleur perdue dans la fumée est installe de façon à pouvoir être introduite dans le carneau, l'espace nécessaire pour l'installation peut etre réduit notablement.En outre, puisque l'échangeur de chaleur lui-meme est très simple et ne requiert aucune unité complexe à grande échelle, il est très économique et permet une simplification suffisante et une économie de maind'oeuvre. En outre, on peut l'actionner commodément à partir de l'extérieur du carneau, et son entretien , son inspection et sa mise au point peuvent etre assurés très facilement. En conséquence, l'installation selon la présente invention apporte un grand bénéfice dans les hauts-fournaux, les acié- ries, les raffineries de pétrole et autres techniques nécessitant des températures élevées. il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'il serait possible de les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sor- tir pour cela du cadre de 1'invention REVENDICATIONS (-.- Echangeur de chaleur pour carneau comprenant au moins une série de tubes d'eau introduits dans le cerneau à partir de l'extérieur de celui-ci et disposés suivant une direction perpendiculaire à l'écoulement des fumées à haute température qui passent dans le carneau, des moyens d'entraînement connectés aux tubes d'eau de façon à pouvoir déplacer ces tubes d'eau longitudinalement pour ajuster la profondeur d'introduction de ces tubes d'eau dans le carneau en actionnant ces moyens 'l'entraînement, pour ajuster ainsi la surface d'échange de chaleur des tubes d'eau. 2.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes d'eau peuvent etre déplacés verticalement en combinaison avec les moyens 'l'entraînement prévus sur le carneau. 3.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé an ce que les tubes d'eau sont déplaçables horizontalement sur un rail prévu sur le coté du carne au. 4.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé par l'introduction de la vapeur saturée produite par une série de tubes d'eau dans une autre série de tubes d'eau pour produire de la vapeur surchauffée. 5.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque tube d'eau a une structure cylindrique tubulaire double comprenant un tube interne d'alimentation d'eau et un tube externe de récupération pour récupérer la chaleur perdue dans le carneau par transfert de chaleur, pour engendrer de la chaleur en faisant revenir l'eau alimentaire par le tube extérieur de récupération. 6.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque tube d'eau comprend un tube d'alimentation d'eau et un tube de récupération, les tubes étant connectés pour former un tube en U dans la meme direction. 7. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque série de tubes 'l'alimentation d'eau et de tubes de récupération comporte à leur partie supérieure des collecteurs et que ces collecteurs sont connectés respectivement à un réservoir d'eau et de vapeur par des tubes de liaison mobiles. 8.- Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de signal de pression et un con trôleur d'indication de pression pour comparer la différence entre le signal fourni par le générateur de signal de pression et une pression déterminée de façon à ajuster la surface d'échange de chaleur des tubes d'eau en fonction du signal engendré par ce générateur. 9.- Echangeur selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de signal thermique et un contrôleur d'indication thermique pour comparer la différence entre le signal fourni par le générateur de signal thermique et une température prédéterminée des gaz de fumée de façon à ajuster la surface d'échange de chaleur des tubes d'eau en fonction du signal engendré par ce générateur.