Brevet FR2419492A1 — publié le 19791005

Dans les appareils connus de ce genre, les tubes de transfert thermique sont fixes et exposés directement au rayonnement. I1 existe alors une double distorsion du flux transmis et des températures - suivant la longueur d'un tube (et du faisceau pour les températures) - et surtout, suivant la section du tube s la partie exposée au rayonnement est alors plus chaude, ce qui introduit des contraintes pour le flux maximum admissible et la nuance des matériaux des tubes. Le type d'appareils concernés par la présente invention a les avantages suivants - il permet d'obtenir un flux de transfert thermique et des températures de paroi (interne et externe) plus uniformes et plus contrôlables ; - comme conséquence du point précédent : il autorise l'emploi de matériaux noina nobles pour les tubes i il rend possible une augmentation (par un facteur 2 environ) du flux de transfert moyen admissible, ce qui conduit à diminuer la surface d'échange dans le même rapport. L'exemple présenté est un four tubulaire vertical de chauffe de pétrole brut. Dans la zone de radiation d'un four de ce type, les tubes sont disposés verticalement le long de la paroi cylindrique i il y a plusieurs passes et plusieurs tubes par passe. La caractéristique fondamentale de l'invention consiste à mettre en rotation un ou piusieurs tubes par passe (parui ceux qui sont les plus chauds, c'est-à-dire en fin de passe). La vitesse de rotation peut être différente d'un tube à l'autre grâce à un Jeu d'engrenages, (voir fig. 3). Considérons un tube exposé au rayonnement direct (gaz), et indirect (réfractaires, autres tubes) j la température de peau du tube et donc le flux thermique, n'est pas uniforme le long d'une section horizontale (voir fig.1, ). Le point F, situé faoe au rayonnement direot reçoit un flux beaucoup plw important que le point M, face au mur réfractaire.De plus, il existe une distorsion verticale du flux transmis par la soibustion des gaz (dépendant du type de brt- leur, de l'excès d'air, du combustible, de l'allure, etc.). La méthode de Lobo et Iwans fournit une estimation du rapport entre le flux moyen global et le flux ponctuel maximum admissible (flux arrivant en F, au niveau du tube où le rayonnement des gaz de combustion est le plus intense ; ce flux maximum est limité par la température interne de film (le cracking thermique devant être très faible).On a donc, d'après Lobo et Evans flux maxêmum admissible = 1,8 flux moyen global Avec la rotation des tubes, la distorsion horizontale (le long de chaque section) est très atténuée, même avec une vitesse modérée de 1 tour par seconde. De plus, on peut augmenter encore le flux transmis en protégeant par des écrans réfractaires une partie de la surface des tubes les plus chauds, au niveau où le flux est maximal (voir fig.I s le réfract@ire R est plaeé devant les deux tubes les plus chauds, dono tournant le plus vite ; il est mobile , horizontalement et parallèlement aux tubes), afin de pouvoir répartir un peu le flux reçu par chacune des deux passes de quatre tubes (repré- sentées fig. 1 entre traits pointillés), ceci peut être utile si les tampéra- tures de sortie du fluide ne sont pas tout à fait égales ou si l'on veut asservir simultanément les "températures process" de deux fluides différents. En atténuant donc les dispersions horizontale (par rotation) et verticale (par écran là où le flux est maximal : voir fig. 1) et en protégeant plus (crans plus larges) les tubes les plus chauds, on peut augmenter ds manière importante (et meme doubler) le flux moyen d'un four classique, ce qui permet d'avoir une surface d'échange deux fois moins importante en radiation. L'ob- tention de taux de transfert élevés ne pose aucun problème de combustion : dans les chaudières les flux sont parfois dix fois supérieurs à ceux des fours pétroliers classiques0 Les raccordements (deux tubes) entre parties fixes et partie mobile sont constitués de deux éléments principaux : - un système de roulements à billes B 1, B 2 et B 3, B4 et à rouleaux R, per mettant la rotation du tube mobile dans la partie fixe conduisant à la botte de retour.Un système d'injection d'huila (ou d'un produit loins noble comme du rdsidu sous vide), sous une pression sensiblement égale à celle régnant dans le tube, sert à établir une fuite contrôlée avec récupération dans le conduit C. On refroidit ce fluide pour allonger la durée de vie des roulements, Voir fig. 2 ;; - un joint étanche J en matière métallo-plastique, caoutchouc synthétique (Néoprène, Viton, etc.) ou en amiante-caoutchouc traitée est destiné à élisi- ner les dilatations différentielles entre tubes ainsi qu'à éliminer les con- traintes dues à une verticalité imparfaite du tube à l'articulation entre partie mobile et partie fixe. Un matériau utilisé comme presse-étoupe pout isoler le caoutchouc du pétrole. Voir fig. 2A (articulation en bas du tube) et fig. 2B (articulation en haut du tube). Les choix de réalisation de ces Joints et des systèmes de rotation étan- che ou avec fuite contrôlée (presse-étoupes, bagues d'étanchéité, etc.) sont susceptibles de nombreuses variantes (ce sont des problèmes classiques dans l'industrie) sans sortir du cadre de l'invention0 L'entraînement des tubes est réalisé grâce à une chaîne et à un petit moteur électrique. Un système automatique de sécurité permet de couper l'alimentation en combustible, si la vitesse de la rotation devient insuffisante ; ces éléments de sécurité peuvent ere doublés ou meAme triplés. 1 rotation des tubes permet d'enlever fa cillement, de temps en temps, la pellicule de suie.On peut garnir intérieurement les tubes d'ailettes destinées à entraider le fluide dans le mouvement de rotation , ceci permet de retarder légèrement la caléfaction ; cependant, si le fluide n'est pas entratné (si ce nrest par la paroi), sa vitesse par rapport à la paroi sera un peu plus grande oe qui améliore le coefficient de transfert. Ce type de four présente les avantages suivants - surface d'échange plus faible avec métaux moins nobles - réfractaires moins exposés - entretien beaucoup plus facile (décokage, élimination de la suie, rempla- cement de tubes...) - durée de vie des tubes plus importante (pas de contraintes mécaniques, température plus homogène) - possibilité de prendre des mesures de débit, température, % vaporisé, etc à l'extérieur du four - la perte thermique à travers les parois est plus faible (réfractaires moins exposés car les tubes sont plus zerrés et plus près du pour, ce qui limite le transfert par convection). Ce gain est plus important que la perte due à l'entraînement des tubes, Le dispositif, objet de l'invention, peut être utilisé pour les fours, chaudières, réacteurs (fours de réaction), étuves et autres appareils de transtert de chaleur où ce transfert s'effectue pour une part non négligeable par rayonnement. On peut par exemple faire un four-réacteur de réformage catalytique ou appliquer l'intention au chauffage solaire de pipe-lines (voir fig. 4). REVENDICATIONS 1. Perfectionnement aux appareils de transfert thermique par tubes (au sens général de conduit creux) où ce transfert s'effectue pour une part non négligeable par rayonnement, caractérisé par le fait qu'un ou plusieurs tubes sont animés d'un mouvement de rotation (uniforme ou non, avec fluide entraîné ou pas et surface étendue ou pas). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les vitesses de rotation sont différentes (par exemple, grâce à un système d'en- grenages). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on peut encore augmenter le flux de transfert en protégeant les tubes les plus chauds au niveau du rayonnement le plus intense par interposition (autre tube, réfractaires, ete ). 4. Dispositif selon la revendication 2 > caractérisé par le fait que ces protections soient mobiles. 5. Dispositif selon la revendication 3, application originale à un fourréacteur de réformage catalytique. 6. Dispositif selon la revendication 3, application originale au chautfa- ge solaire dlun pipe-line. 7. Dispositif selon la revendication 4, permettant d'enlever les parti- cules corrosives, la suie et le coke par frottement en bénéficiant de la rotation des tubes.