Brevet FR2420734A1 — publié le 19791019

La présente invention concerne de manière générale les dispositifs de tranfert de chaleur et a trait notamment à un échangeur de chaleur mettant en oeuvre plusieurs tuyaux à siphon thermique pour extraire la chaleur des gaz de combustion en vue de préchauffer l'air ambiant introduit dans les beurs d'une chaudière. il est de pratique commune, pour augmenter le rendement des chaudières, de préchauffer l'air ambiant fourni aux brûleurs en vue d'assurer le phénomène de combustion. L'énergie thermique nécessaire à cette opération de préchaufiage est extraite des gaz d'échappement relativement chauds provenant du foyer, et le transfert de chaleur est effectué à l'intérieur d'un échangeur de chaleur, que les gaz d'échappement traverse en relation d'échange de chaleur avec l'air ambiant. Ces échangeurs de chaleur sont réalisés selon des conceptions différentes et font appel à divers modes de fonctionnement. Par exemple, dans un échangeur de chaleur conçu:pour-tre utilisé dans une centrale nucléaire, plusieurs enceintes orientées verticalement sont disposées en alternance entre des empilements de conduits de fluide peu profonds, la série supérieure de conduits de chaque empilement conduisant un gaz relativement froid dans une direction, tandis que la série inférieure de conduits de chaque empilement conduit un gaz relativement chaud dans la direction opposée. Chacune des enceintes contient un fluide=de travail qui se vaporise facilement en raison de la chaleur du gaz chaud traversant la série inférieure de conduits de fluide.Cette vapeur monte par la suite vers la partie supérieure de l'enceinte, et la chaleur de la vapeur est extraite de l'enceinte par le gaz relativement froid traversant la série supérieure de conduits de fluide. Or, ce type d'échangeurs de chaleur ne peut fonctionner efffcacement qu'avec des conduits de chaleur de très faible profondeur, de l'ordre de 0,7 mm, de façon à assurer un écoulement sensiblement laminaire et extrêmement mince du fluide à travers les conduits. En outre, un tel échangeur de chaleur ne peut être efficace que dans l'environnement relativement propre associé à une turbine à gaz dotée d'une source due chaleur nucléaire.Ainsi, du fait que ce type d'échangeurs de chaleur ne peut fonctionner qu'avec des passages de fluide très peu profonds, on ne peut pas l'utiliser pour tous les types d'environnements, et surtout pas dans le cas de foyers qui utilisent un combustible fossile,en raison du danger toujours présent de I'encrassement et de l'obstruction des passages par des dptts provenant des gaz de combustion. Un échangeur de chaleur connu pouvant hêtre utilisé dans un four de chaleur alimenté en combustible fossile comprend plusieurs rotors cylindriques d'échan/ qui sont supportés de manière appropriée à l'intérieur du four et qui sont entratnés en rotation par des moteurs. Chaque rotor d'échange de chaleur est essentiellement tubulaire comprenant une partie agrandie d'évaporation située à l'intérieur d'un conduit traversé par les gaz d'échappement et une partie de condensation, plus petite, située dans un conduit traversé par de l'air ambiant relativement froid. la rotation du rotor d'échange de chaleur met en mouvement un fluide d'échange de chaleur contenu dans l'élément tubulaire du rotor.Ce fluide se vaporise sous l'effet des gaz d'échappement et cette vapeur est entrainée dans la partie de condensation, dans laquelle l'air ambiant plus froid condense la vapeur. Des déflecteurs en spirale situés sur la surface intérieure de la partie de condensation sont prévus pour diriger le condensat de la partie de condensation vers la partie d'évaporation. Ce type d'échangeurs de chaleur présente de nombreux inconvénients, dont on peut citer notamment les problèmes associés à la réalisation d'un joint étanche autour des moyens de support du rotor. Etant donné que le rotor d'échange de chaleur traverse non seulement le conduit chaud mais aussi le conduit froid, des moyens d'étanchéité adéquats doivent être prévus au niveau de cette intersection pour éviter une fuite excessive de l'air.En outre, un système de comPsnde doit être prévu pour régler le mouvement rotatif du rotor d'échange de chaleur pour que le transfert de la chaleur à travers l'échangeur de chaleur soit à tous moments à une valeur telle que la température des gaz d'échappement chauds traversant ces conduits ne tombe pas au-dessous d'un niveau prédéterminé, ce qui conduirait au problème d'un dépôt,se formant sur les parois du conduit, d'un condensat chargé d'acide. Un autré échangeur de chaleur connu met en oeuvre plusieurs tubes fermés ou tuyaux de chaleur disposés sensiblement parallèlement, chaque tube contenant un fluide de travail présentant une phase liquidé et une phase vapeur aux températures de fonctionnement de 1' échangeur de chaleur. Une extrémité de chacun de ces tubes fermés est exposée à un courant d'air relativement chaud, tandis que l'autre extrémité est exposée à un courant d'air relativement froid, se déplaçant en général dans le sens opposé. L'évaporation de la phase liquide à l'extrémité chauvi et la condensation de la phase vapeur à l'extrémité froide ont pour résultat le tranfert de la chaleur dans le sens longitudinal dans les tubes fermés.Les tuyaux de chaleur s'étendent entre deux 'conduits d'air, et le condensat est renvoyé dans le sens longitudinal vers l'extrémité chaude du tube fermé par l'action d'une mèche capillaire et/ou par l'effet de la pesanteur. Une mèche capillaire poreuse, de forme tubulaire, est disposée à l'intérieur du tuyau de chaleur, en contact avec la surface int8rieurede celui-ci. Pot assurer le retour du condensat sous l'effet de la pesanteur, chacun des tuyaux a chaleur est disposé horizontalement, incliné vert le bas par rapport à l'horizon, pour que le condensat s'écoule vers l'extrémité inférieure du tuyau de chaleur.Toutefois, l'utilisation de ce type de tuyaux de chaleur n'est pas pratique dans un système important parce que le atériru formant la mèche est coûteux, les tuyaux sont difficiles à fabriquer et coûtent chers, et les tuyaux doivent hêtre utilisés en position horizontale. En conséquence, un but de la présente invention est de réaliser un appareil de préchauffage perfectionné permettant de préchauffer l'air ambiant fourni aufoyer d'une chaudière. Un autre but de la présente invention est de réaliser un appareil de préchauffage perfectionné qui ne comporte pas de pièces mobiles. Ur autre but de la présente invention est de réaliser un appareil de préchauffage perfectionné pouvant être appliqué notamment dans l'environnement d'un toyar alimenté en combustible fossile. Un autre but de la présente invention est de réaliser un appareil de préchauffage perfectionné ne comportant aucune pièce mobile et dans lequel le transfert de chaleur s'effectue à l'aide de plusieurs tubes à siphon thermique commandés par la pesanteur. Un autre but de la présente invention est de réaliser un appareil de préchauffage perfectionné dans lequel les tuyaux à siphon thermique sont construits et disposés de manière unique. On atteint ces buts et d'autres de la présente invention dans un appareil de préchauffage pour le foyer d'une chaudière munied'un appareil d'change de chaleur comprenant deux conduits de fluide destinés à conduire de l'air ambiant en contre-courant par rapport aux gaz d'échappement provenant du f er.Plusieurs tuyaux à siphon thermique sont disposés de façon à s'étendre verticalement entre ces deux conduits de fluide, les parties supérieures pénétrant dans le conduit dans lequel l'air ambiant est poussé par un ventilatew tandis que les parties inférieures pénétrent dans le conduit dans lequel passent les gaz d'échappement Un fluide d'échange de chaleur est contenu dans chaque tuyau à siphon ?ermé pour que le fluide se vaporise sous l'effet de la chaleur provenant des gaz d'échappement, cette vapeur montant à la partie supérieure dutuyau de chaleur, transmettant ainsi l'énergie thermique à l'air ambiant froid. Cette vapeur se condense ensuite en raison de la perte de chaleur, le condensat se formant sur les parois du tuyau à siphon et revenant à la partie intérieure du tuyau sous l'effet de la pesanteur pour effectuer un cycle continu de transfert de chaleur. Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après è titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en élévation représentant une partie d'un système de production d-'énergie utilisant l'appareil de préchauffage conforme à la présente invention - la figure 2 est une vue en coupe représentant avec plus de détails l'appareil de préchauffage ; et - la figure 3 est une vue en élévation et partiellement en coupe, représentant les détails d'un des tuyaux à siphon thermique de l'appareil de préchauffage conforme à la présente invention. En se référant notamment à la figure 1 des dessins, le chiffre de référence 10 désigne de manière générale un générateur de vapeur comprenant une section 12 formant foyer dans ns sa partie inférieure et une section de convection 13 formée dans sa partie supérieure. Une série de brûleurs 14 traversent les parois avant et arrière du générateur de vapeur 10 et fonction~ nent de manière classique pour brûler du charbon introduit dans ns celui-ci par un système de transport (non représenté). Un conduit de gaz 16 fait communiquer la section de convection 13 du générateur de vapeur 10 avec une extrémité de l'appareil de préchauffage, désigné dans son ensemble par la référence 18, pour conduire une certaine quantité de gaz d'échappement vers l'appareil de préchauffage.Un ventilateur 20, de construction et de fonctionnement classiques, fournit un tirage forcé en introduisant un courant d'air ambiant dans l'autre extrémité de l'appareil de préchauffage 18 en contre-courant par rapport aux gaz d'échappement sortant du générateur de vapeur 10. L'air ambiant chauffé est conduit de l'appareil de préchauffage 18, à travers un conduit de préchauffage 22 pour revenir au générateur de vapeur 10 où il entre dans ns une botte à vent (non représentée), ou analogue, pour diriger l'air vers les brûleurs 14 pour que la combustion puisse avoir lieur la structure de l'appareil de préchauffage 18 est représentée plus amplement sur la figure 2 et comprend une caisse 24 divisée par une cloison horizontale 26 en une chambre supérieure 28 et une chambre inférieure 30.Des gaz de combustion provenant de la section de convection 13 du générateur de vapeur 10 sont introduits du conduit 16 dans la chambre inférieure 30 à travers un orifice d'admission de gaz 17 supporté à une éxtrémité de la chambre, et sont évacués vers l'atmosphère à travers un orifice de sortie de gaz supporté à l'autre extrémité de la chambre. Le courant d'air provoqué par le ventilateur 20 est introduit dans la chambre supérieure 28 à travers un orifice d'admission d'air 21 suppporté à l'extrémité de la chambre à I'opposédebxtrémité de la caisse de l'appareil de préchauffage 24 sur laquelle est supporté l'orifice d'admission de gaz 17 et est évacué en direction du conduit de préchauffage 22 à travers un orifice de sortie d'air 23 supporté à l'extrémité opposée de la chambre supérieure 28.Plusieurs tuyaux à siphon thermique 32 orientés verticalement sont disposés à l'intérieur de la caisse 24 de l'appareil de préohauffage et s'étendent,depuis la chambre inférieure 30 à travers des ouvertures pratiquées dans la cloison 26, jusque dans la chambre supérieure 28. Ces tuyaux à siphon thermique 32 réalisent le transfert de chaleur entre les gaz d'échappement relativement chauds et l'air ambiant relativement froid. On voit plus clairement la structure des tuyaux à siphon thermique 32 sur la figure 3. Chacun de ces tuyaux 32 est constitué par un tube cylindrique de forme allongée, la partie supérieure 34, qui pénètre dans la chambre supérieure 28, jouant le rôle de section de condensation du tuyau à siphon thermique, tandis que la partie inférieure 36 du tube, qui pénètre dans la chambre inférieure 30, constitue la section d'évaporation du tuyau à siphon Plusieurs ailettes d'échange de chaleur 38 en un matériau adéquat quelconque sont fixées de manière appropriée sur la surface extérieure de la partie supérieure 34 du tuyau à siphon thermique 32 pour favoriser le transfert de chaleur entre le tuyau à siphon et l'air ambiant qui passe sur lui.Chaque tuyau à siphon thermique 32 est fermé à ses deux extrémités et contient un fluide d'échange de chaleur, tel que l'ammonique, qui se vaporise dans la partie inférieure 36 du tuyau et se condense dans la partie supérieure 34 du tuyau, comme on va le décrire en détail ci-après. En fonctionnement, une certaine quantité des gaz de combustion dégagés dans le foyer est introduite dans l'orifice d'admission 17 de la caisse 24 de l'appareil de préchauffage par le conduit de gaz 16, d'où ils passent dans la chambre inférieure 30 et traversent les parties inférieures 36 des tuyaux à siphon thermique 32. La chaleur des gaz de combustion est transférée au fluide d'échange de chaleur,se trouvant dans les tuyaux à siphon 32,pour réduire la température des gaz de combustion, et pour vaporiser le fluide d'échange de chaleur dans les parties inférieures 36 des tuyaux. La vapeur monte ensuite vers les parties supérieures 34,des tuyaux, situées dans la chambre 28. Le ventilateur 20 force de l'air ambiant relativement froid à travers l'orifice d'admission 21 et dans la chambre supérieure 28 de la caisse 24 de l'appareil de préchauffage où l'air circule-à travers les parties supérieures 34 des tuyaux à siphon 32 pour extraire la chaleur du fluide d'échange de chaleur contenu dans les tuyaux. Pendant le passage de l'air à travers les parties supérieures 34 des tuyaux 32, le fluide d'échange de chaleur contenu dans les tuyaux se condense et se forme sur les parois des tuyaux et ensuite, sous l'effet de la pesanteur, tombe dans les parties inférieures 36 des tuyaux situées dans la chambre inférieure 30 pour continuer le transfert de chaleur de la manière que l'on vient de décrire.L'air ambiant chauffé est évacué de l'appareil de préchauffage 18 à travers l'orifice de sortie 23 et passe dans le conduit 22 avant d'outre introduit dans une botte à vent (non repriwnie) du générateur de vapeur 10 avant d'être envoyé subséquemment aux brûleurs 14. Les gaz de combustion sortant de l'orifice de sortie 19 de l'appareil de préchauffage sont évacués à l'air par des conduits appropriés (non représentés). Les dimensions physiques de l'appareil de préchauffage, y compris les dimensions des chambres supérieure et inférieure 28 et 30, respectivement, et le nombre et les dimensions des tuyaux à siphon thermique 32 peuvent être choisis en fonction des conditions de fonctionnement relatives à la quantité de l'air ambiant à préchauffer et à la température à laquelle cet air doit Otre porté. La caisse 24 de l'appareil de préchauffage a des dimensions suffisantes pour que la chambre 30 formée par la cloison horizontale 26 soit suffisamment grande pour minimiser le problème d'obstruction par les particules en suspension dans les gaz d'échappement provenant de la section de convection 13.Bien que dans la description ci-dessus seules les parties supérieures 34 des tuyaux à siphon 32 comportent des ailettes d'échange de chaleur 38, les parties inférieures de ces tuyaux peuvent, bien entendu, comporter des ailettes semblables pour améliorer la relation d'échange de chaleur, et ce sans sortir du cadre de l'invention. Bien qu'on'ne l'ait pas précisé dans la description ci-dessus, les éléments décrits sont bien entendu supportés de manière appropriée pour permettre leur fonctionnement. En outre, toutes les commandes nécessaires à la régulation des courants des gaz de combustion et de l'air ambiant s'écoulant en direction ou en provenance de l'appareil de préchauffage, les régulateurs et les moteurs nécessaires et les joints d'accouplement seraient prévus de manière appropriée. 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 spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Appareil d'échange de chaleur destiné à préchauffer l'air ambiant fourni aux brûleurs d'un foyer, caractérisé en ce qu'il comprend une caisse, une cloison horizontale disposée à l'intérieur de ladite caisse pour diviser le volume intérieur de ladite caisse en une chambre supérieure et une chambre inférieure, des moyens permettant d'introduire un courant de gaz de combustion relativement chauds par une extrémité de ladite caisse et à travers la chambre inférieure, des moyens pour introduire un courant d'air ambiant par l'autre extrémité de la caisse et à travers la chambre supérieure en contre -courant par rapport aux gaz de combustion se trouvant dans la chambre inférieure, et plusieurs tuyaux à siphon thermique situés à l'intérieur de la caisse, chaque tuyau étant positionné verticalement relativement à la cloison horizontale et comportant une partie supérieure pénétrant dans ladite chambre supérieure et une partie inférieure pénétrant dans ladite chambre inférieure, chacun de ces tuyaux étant fermé à chaque extrémité et contenant un fluide d'échange. de chaleur, le courant des gaz de combustion relativement chauds circulant à travers les parties inférieures desdits tuyaux transférant la chaleur audit fluide d'échange de chaleur, et le courant d'air ambiant relativement froid circulant å travers les parties supérieure s desdits tuyaux extrayant la chaleur dudit fluide pour augmenter la température de l'air ambiant. 2. Appareil d'échange de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide d'échange de chaleur se vaporise dans lesdites parties inférieures desdits tuyaux et se condense dans lesdites parties supérieures desdits tuyaux, le fluide condensé s'accumulant sur les parties supérieures des tuyaux et tombant dans les parties inférieures des tuyaux sous l'influence de la pesanteur. 3. Appareil d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de sortie raccordés à l'extrémité opposée de ladite chambre supérieure pour laisser passer l'air ambiant chauffé vers les bailleurs d'un foyer. 4. Appareil d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractértsé en ce qu'il comprend en outre plusieurs ailettes d'échange de chaleur fixées aux parties supérieures des tuyaux. 5. Appareil d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens permettant d'introduire un courant d'air ambiant à travers ladite chambre supérieure comprennent un ventilateur. 6. appareil d'échange de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de sortie raccordés à l'extrémité opposée de ladite chambre inférieure pour évacuer à l'atmosphère les gaz de combustion refroidis. 7. En combinaison, un brûleur dans lequel du combustible est mélangé à de l'air et brûlé, des moyens destinés à recueillir les gaz de combustion, et un échangeur de chaleur destiné à préchauffer l'air ambiant fourni au brûleur, ledit échangeur de chaleur étant caractérisé en ce qu'il comprend : une caisse, une cloison horizontale située dans ladite caisse pour diviser le volume intérieur de la caisse en une chambre supérieure et une chambre inférieure, des moyens permettant d'introduire un courant de gaz de combustion, provenant des moyens destinés à les recueillir, par une extrémité de ladite caisse et à travers ladite chambre inférieure, des moyens permettant d'introduire un courant d'air ambiant dans l'autre extrémité de ladite caisse et à travers ladite chambre supérieure en contre-courant par rapport aux gaz de combustion circulant dans ladite chambre inférieure, et plusieurs tuyaux à siphon thermique situés à l'intérieur de la caisse, chaque tuyau étant disposé verticalement relativement à la cloison horizontale et comportant une partie supérieure pénétrant dans ladite chambre supérieure et une partie inférieure pénétrant dans ladite chambre inférieure, chaeun desdits tuyaux étant fermé à chaque extrémité et contenant un fluide d'échange de chaleur, le courant des gaz de combustion circulant à travers les parties inférieures des tuyaux traxsférant de la chaleur audit fluide d'échange de chaleur, et le courant d'air ambiant relativement froid circulant à travers les parties supérieures desdits tuyaux extrayant la chaleur dudit fluide pour augmenter latempérature de l'air ambiant. 8. Combinaison selon la revendication 7, caractériséeen ce que ledit fluide d'échange de chaleur se vaporise dans les parties inférieures des tuyaux et se condense dans lesdites parties supérieures desdits tuyaux, le fluide condensé s'accumulant sur les parties supérieures des tuyaux et tombant dans les parties inférieures des tuyaux sous l'influence de la pesanteur. 9. Combinaison selon la revendication 8, caractériséeen ce qu'elle comprend en outre des moyens raccordés à l'extrémité opposée de ladite chambre supérieure pour laisser passer l'air ambiant chauffé vers ledit brtlèur. -10. Combinaison selon la revendication 8, caractériséeen ce qu'elle comprend en outre plusieurs ailettes d'échange de chaleur fixées aux parties supérieures desdits tuyaux. 11. Combinaison selon la revendication 8, caractériséeen ce que lesdits moyens destinés à introduire un courant d'air ambiant à travers la chambre supérieure comprennent un ventilateur. 12. Combinaison selon la revendication 8, caractériséeen ce qu'elle comprend en outre des moyens raccordés à Extrémité opposée de ladite chambre inférieure pour évacuer les gaz de combustion vers l'atmosphère.