Brevet FR2454598A1 — publié le 19801114

La présente invention concerne les techniques d'échange de chaleur et la construction des chaudieres et a notamment pour objet unréchauffeurd'air du type tubulaire en particulier pour chaudières à vapeur, fours et autres dispositifs similaires dans lesquels les gaz perdus chauds et corrosifs sont utilisés pour chauffer l'air froid. Dans ces réchauffeurs d'air réalisés habituellement avec plusieurs voies du côté chemin d'air, les premieres voies dans lesquelles arrive l'air froid sont soumises à une corrosion intense. On connais des réchauffeurs d'air dans lesquels l'intensité de la corrosion est réduite grâce au préchauffage non gazeux de l'air dans des dispositifs appropriés tels que, par exemple, les caloriféres à vapeur ou à eau. Toutefois, si le point de rosée des fumées s'obtient à une température élevée, les dispositifs de préchauffage d'air deviennent encombrants et le rendement de l'ensemble de préchauffage de l'air décroît. Cette baisse du rendement est due à ce que l'air chauffé au préalable ne peut pas absorber des gaz la quantité de chaleur nécessaire pour assurer leur refroidissement poussé, et les gaz s'échappent à l'air libre en entraînant avec eux une quantité considérable de chaleur résiduelle. Toutefois, même en cas de refroidissement peu poussé des gaz, le réchauffeur d'air doit être construit avec une grande surface de chauffage et, par conséquent, son encombrement est assez grand et il nécessite une quantité notable de métal. Le but de la présente invention consiste à éliminer les inconvénients mentionnés et à perfectionner les réchauffeurs d'air à plusieurs voies, résistants à la corrosion, On s'est proposé pour cela de modifier la disposition relative et le branchement des différentes voies du réchauffeur d'air d'apres un schéma étagé, de façon à pouvoir le fabriquer à partir de sections identiques standards, à diminuer la quantité de métal et la main d'oeuvre necessaires pour sa fabrication, tout en augmentant l'efficacité du travail du réchauffeur grâce à la possibilité de réaliser le nombre voulu d'étages de mélange de l'air froid, en permettant ainsi d'assurer la résistance à la corrosion du réchauffeur d'air avec un minimum de frais. Ce problème est résolu à l'aide d'un réchauffeur d'air à plusieurs voies, résistant à la corrosion, comprenant des faisceaux de tubes constituant des surfaces de chauffe assemblées en voies distinctes montées en série du côté chemin d'air au moyen de conduits de dérivation, et des conduits d'admission d'air froid, dont l'un comprend un dispositif de préchauffage d'une partie initiale, relativement petite, de l'air froid arrivant dans la première voie, tandis que les autres sont raccordés à des conduits de dérivation respectifs, ledit réchauffeur d'air étant, selon l'invention, caractérisé en ce que le groupe initial de voies, y compris la première voie mentionnée, est disposé de façon à constituer un bloc unique à branchement en parallèle, du côté gaz chauffants, de leurs faisceaux de tubes de chauffage se trouvant dans une même zone de températures des gaz, zone dans laquelle la combinaison des températures de l'air et des gaz peut provoquer la corrosion, tandis qu'après la dernière voie de ce bloc se trouve un conduit de dérivation des voies du réchauffeur qui est branché sur le conduit d'admission amenant la dernière partie de l'air froid. Cette solution technique permet d'obtenir un rendement élevé du réchauffeur, sa résistance à la corrosion, tout en respectant l'encombrement et le poids minimaux de l'appareil. En même temps elle permet dréduire au minimum les frais pour le dispositif de préchauffage d'air. Suivant l'une des variantes de réalisation de l'invention, le réchauffeur d'air à plusieurs voies résistant à la corrosion est caractérisé en ce que, dans le bloc unique mentionné, tous les tubes des faisceaux ont la même longueur, le bloc de voies étant monté à un meme niveau horizontal. Cette solution technique permet de fabriquer le réchauffeur d'air avec des frais de fabrication minimaux à partir d'éléments standards et de monter le bloc de voies sur une carcasse classique. Suivant une autre variante de réalisation de la présente invention, le réchauffeur d'air à plusieurs voies résistant à la corrosion est caractérisé en ce que, dans le bloc unique mentionné, la largeur des voies assemblées s s'accroSt proportionnellement à l'augmentation du débit d'air passant par les voies. Cette solution technique permet d'obtenir les mêmes vitesses de l'air dans les voies assemblées et le mème régime thermique de ces dernières, ce qui permet d'éviter l'emploi de correcteurs d'effet de température compliqués et de maintenir des resistances aérodynamiques acceptables. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente la variation des températures des gaz et de l'air en fonction du transfert de chaleur à la surface de la voie d'un réchauffeur d'air classique non protégé contre la corrosion; - la figure 2 represente la variation des températures des gaz et de l'air en fonction de l'absorption de chaleur pendant qu'ils circulent suivant la surface de la voie d'un réchauffeur d'air classique résistant à la corrosion; - la figure 3 est un schéma d'encombrement d'un réchauffeur d'air classique à trois voies, non protégé contre la corrosion;; - la figure 4 est un schéma d'encombrement d'un réchauffeur d'air classique à trois voies, résistant à la corrosion; - la figure 5 est un schéma de circulation du courant degazetdecelui de l'air en cas de chauffage étagé de l'air; - la figure 6 montre la variation des températures de gaz et de ltair en fonction de l'absorption de chaleur pendant qu'ils circulent suivant la surface de la voie du réchauffeur d'air étagé idéal; - la figure 7 est une vue schématique en projection verticale d'un réchauffeur d'air à plusieurs voies résistant à la corrosion, conforme à l'invention; - la figure 8 est une vue en coupe, suivant la ligne VIII-VIII de la figure 7, à travers le bloc des premières voies du réchauffeur air (partie froide); ; - la figure 9 est une vue en coupe suivant la ligne IX-IX de la figure 7 pour la voie de la partie chaude du réchauffeur d'air; - la figure 10 montre la variation des températures des gaz et de l'air en fonction de l'absorption de chaleur pendant qu'ils- circulent suivant la surface de la voie d'un réchauffeur d'air à plusieurs voies résistant à la corrosion conforme à l'invention. Comme on vient de le mentionner, la figure I illustre, à l'aide d'un exemple chiffré, la variation de la température des gaz 1 et celle de la température de l'air 2 en fonction de l'absorption de chaleur à la surface de la voie d'un réchauffeur d'air classique non protégé contre la corrosion, alors que la figure 2 représente les mêmes relations pour le cas d'un réchauffeur d'air classique résistant à la corrosion, dans lequel les gaz 3 sont refroidis jusqu a une température plus élevée, et l'air 4 hautement chauffé au préalable est respectivement moins chauffé (il est porté à une température de 1950C au lieu de 2470C), Si, dans le cas du réchauffeur d'air non protegé contre la corrosion et n'utilisant pas le préchauffage, comme dans le cas de la figure 1, l'attaque ou charge thermique est de 4 t ~ 999C, dans le cas du réchauffeur d'air résistant à la corrosion (cas de la figure 2) elle est de d,t- 32,50C seulement. I1 s'ensuit que la surface de chauffage de ce dernier est notablement supérieure. Cela se voit bien à la comparaison des figures 3 et 4 qui représentent, toujours à titre d'exemple, des réchauffeurs d'air classiques à trois voies, le premier n'étant pas protége contre la corrosion et le second étant résistant à la corrosion.Les surfaces de chauffage 5 du réchauffeur d'air représenté à la figure 3 sont à peu près de 2,5 fois plus petites que les surfaces de chauffe 6 du réchauffeur d'air avec calorifère 7 représenté à la figure 4, bien que les gaz qui le quittentaient une température plus basse (1600 au lieu de 2000). I1 en découle que la résistance à la corrosion d'un réchauffeur d'air classique ne peut être obtenue qu a un prix très éleve. Donc, il est pratiquement impossible d'obtenir une résistance totale à la corrosion, il faut se contenter d'un préchauffage relativement faible de l'air et se résigner à remplacer periodiquement la partie froide du réchauffeur. I1 en résulte qu'en règle générale les réchauffeurs d'air tubulaires ne sont pas utilisés pour brûler les combustibles sulfureux. La présente invention est fondée sur une organisation particulière de la circulation d'air dans le réchauffeur d'air, notamment sur un chauffage de l'air par étages. Le principe de cette organisation de la circulation d'air consiste en ce qui suit. Afin de protéger le réchauffeur d'air contre la corrosion, on ne soumet au préchauffage à haute température qu'une faible partie (aussi faible que voulu) de l'air qui est amene à l'entrée du réchauffeur d'air. Ensuite, sur le trajet de cette partie d'air on additionne tout l'air froid en l'ajoutant par portions ou d'une façon continue. Le mélange additionnel de l'air est effectué de sorte que l'air ne s'échauffe pratiquement pas et qu'on puisse même tolérer une certaine baisse de la température de l'air au fur et à mesure de sa progression vers la zone des gaz chauds.Le mélange additionnel se termine à l'endroit où la combinaison de la température des gaz et de la température de l'air n' est pas dangereuse du point du vue corrosion, ctest-à-dire à l'endroit où la température du métal est plus élevée que la température correspondant au point de rosée. I1 est évident que, dans le cas limite, le préchauffage de l'air ne nécessite presque pas de chaleur, donc le dispositif de préchauffage peut être réduit jusqu'aux dimensions désirées. La figure 5 représente schématiquement l'organisation mentionnée de la circulation d'air, qui est un schéma de chauffage de l'air par étages. Sur ce schéma 8 est la ligne du trajet des gaz; 9, la ligne du trajet de l'air; 10, les mélanges additionnels d'air froid; 11, le calorifère. La figure 6 représente les relations entre, d'une part, les températures des gaz 12 et de l'air 13, et d'autre part, l'absorption de chaleur pendant leur circulation suivant la surface, dans le cas d'un réchauffeur d'air étagé idéal. Un exemple concret de températures est montre à titre indicatif. I1 convient de remarquer le caractère de la variation de la temperature 14 de l'air dans la zone des mélanges additionnels d'air froid : elle est toujours constante, bien que l'air absorbe la chaleur des gaz. A l'entrée du réchauffeur d'air, avant cette température 14, l'air (une partie aussi petite que désiré) est préalablement chauffé suivant la ligne 15. En comparant la figure 6 à la figure 1, on peut voir que l'attaque ou charge thermique lEt t dans le réchauffeur d'air étagé, pour un même rendement de l'installation (cest-àire pour une même température des gaz d'échappement : 16DO) diffère peu de l'attaque ou charge thermique dans un réchauffeur classique non protégé contre la corrosion : elle commence un peu plus bas à la partie froide.Respectivement, la surface du réchauffeur d'air étagé résistant à la corrosion n'est que légèrement plus grande que la surface du réchauffeur d'air classique non protégé contre la corrosion. Cependant, d'après le régime thermique, toute sa surface est mise hors de la zone dangereuse qui est la source de corrosion. Le réchauffeur d'air à plusieurs voies résistant à la corrosion utilise un montage étagé de chauffage de l'air avec addition par portions de l'air froid. A titre d'exemple, le réchauffeur d'air proposé est schématisé en projection verticale sur la figure 7, tandis que les figures 8 et 9 représentent les projections horizontales des parties chaude et froide du réchauffeur. L'aspect extérieur du réchauffeur d'air est tout à fait ordinaire. I1 se présente sous forme de faisceaux de tubes identiques montés dans des plaques tubulaires : les gaz chauds sont canalisés à l'intêrieur des tubes et l'air à chauffer circule entre les tubes. Lesdits faisceaux de tubes constituant les surfaces de chauffe sont montés, dans ce cas concret, à trois étages dans le plan vertical.Ces faisceaux sont assemblés en voies autonomes 16 (8 voies au total) reliées en série au moyen de conduit de dérivation 17. L'air froid est amené dans le réchauffeur d'air au moyen de plusieurs conduits d'admission d'air. L'un de ces conduits (le conduit 18) est doté d'un dispositif de préchauffage 19 d'une faible portion d'air et est relié à la première voie 16' du réchauffeur d'air. Les autres conduits d'admission d'air 20 sont branchés sur les conduits de dérivation 17 correspondants. Les six premières voies 16 sont assemblées en un bloc et sont placées au même (premier) étage du réchauffeur d'air; autrement dit, elles se trouvent dans une même zone de température des gaz et sont baignées par le même flux de gaz. Cette zone est la zone de températures des gaz dans laquelle la combinaison des températures des gaz et de l'air peut engendrer la corrosion.Au-dessus de cette zone, les voies 16 du deuxième et du'troisième étage sont hors danger, du fait qu'elles sont attaquées par l'air fortement chauffé etsontbaignées par les gaz chauds; il en résulte que la température du métal est plus élevée que la température correspondant au point de rosée. Le conduit de dérivation d'air 21 relie la dernière (sixième) voie 16 du bloc au deuxième étage des faisceaux de tubes, et notamment à la septième voie du réchauffeur d'air. Audit conduit de dérivation d'air 21 est raccordé un conduit d'admission d'air 22 amenant la dernière portion d'air froid. Ensuite, tout l'air passe par les deuxième et troisieme étages (septième et huitième voies) du réchauffeur d'air. Ayant réalisé les six premières voies en un seul bloc se trouvant au même étage du réchauffeur d'air, on a démontré la possibilité d'effectuer n'importe quel nombre de mélanges additionnels d'air froid en conservant l'encombrement minimal sans changer la forme traditionnelle du réchauffeur d'air.La réalisation de ces blocs assemblés à partir de tubes de même longueur simplifie sensiblement leur conception, ce qui permet de fabriquer le réchauffeur d'air à partir des mêmes éléments. Cela permet de mettre au point une fabrication très simple du réchauffeur d'air. Ayant disposé le bloc au même niveau horizontal, on a simplifié le montage du réchauffeur sur la carcasse. La particularité du réchauffeur d'air proposé réside dans le choix de la largeur des voies assemblées. Elle correspond aux débits de l'air passant par chaque voie, de sorte que la largeur augmente d'une voie à l'autre comme cela est montré sur la figure 8. Il en résulte que, les tubes étant de même longueur, les vitesses de l'air dans les voies assemblées sont les memes et le chauffage de l'air dans ces voies se déroule d'une manière analogue. Ainsi, les voies assemblées ne subissent aucun déplacement les unes par rapport aux autres à la suite de l'action thermique, mais se dilatent toutes d'une meme valeur, ce qui simplifie la construction. Le bloc de six voies se comporte commeuneseulevoSe,Les vitessesdeltairdans les voies étant les mêmes, leur résistance aérodynamique totale est minimale. Le réchauffeur d'air proposé fonctionne comme suit. L'air froid est amené au réchauffeur par plusieurs conduits d'admission d'air. Le plus petit (18) des conduits d'admission est doté d'un dispositif 19 de préchauffage d'air, dont l'encombrement est relativement petit. Le dispositif chauffe la portion d'air canalisée par le conduit vers la première voie 16' du réchauffeur jusqu'à une température élevée suffisante pour protéger la première voie contre la corrosion. L'air chauffé dans la première voie 16' est véhiculé jusqu a la deuxième voie 16 par l'intermédiaire du conduit de dérivation 17. Ce dernier conduit est connecté au conduit d'admission 20 suivant, qui lui amène une autre portion d'air froid se mélangeant avec l'air chauffé et baisse sa température jusqu'à ce qu'elle devienne égale à la température de l'air à la sortie du dispositif de préchauffage.La quantité augmentée d'air est chauffée de nouveau dans la deuxième voie 16. Vu que la deuxième voie est plus large que la première voie et que cette augmentation de la largeur est fonction de la nouvelle quantité d'air, la température à laquelle est porté l'air dans la deuxième voie est égale à la température de l'air dans la première voie. Le conduit de dérivation 17, aboutissant à la troisième voie 16, reçoit lui aussi l'air froid amené par le conduit d'admission 20 suivant, de diamètre plus grand la troisième voie chauffe le mélange jusqu a ce que sa température atteigne celles rognant dans les première et deuxième voies. Le cycle continue jusqu'à la sixième voie du bloc des premières voies.Après la sixième voie 16, la plus large du bloc, est placé un conduit de dérivation 21 reliant le bloc à la voie 16 suivante de la partie chaude du réchauffeur, conduit qui reçoit la dernière portion d'air froid amenee par le conduit d'admission 22; ensuite l'ensemble de l'air -suffisamment chauffé traverse les deux dernières voies (septième et huitième) du réchauffeur d'air. Ainsi, tout le bloc des six premières voies montées en parallèle, côté gaz, et situées dans la même zone de températures des gaz, est attaqué par l'air porté à une même température élevée, qu'il chauffe d'une manière régulière; autrement dit, le bloc fonctionne comme un réchauffeur d'air à une voie. I1 s'ensuit que le régime thermique des faisceaux de tubes métalliques du bloc (partie froide du réchauffeur) assure sa protection contre la corrosion. Les voies suivantes du réchauffeur d'air fonctionnent hors de la zone de corrosion, les températures de l'air et des gaz étant élevées. Comme on peut le voir sur la projection de la voie de la partie chaude (figure 9), la configuration de cette partie ne diffère pas de celle du bloc de voies de la partie froide représentée à la figure 8.Une seule différence à signaler consiste- eq ce que les voies de cette dernière sont cloisonnées. Depuis le réchauffeur, l'air chaud est véhiculé vers l'appareil approprié : le foyer de la chaudière, du four, etc. La figure 10 représente les relations-types entre les températures des gaz 23 et de-l'air obtenues dans le cas du réchauffeur d'air étudié. A la suite du préchauffage d'une faible portion de l'air (ligne 24), la température d'équilibre de tout l'air (dans l'exemple considéré : 400) ne dépasse que légèrement la température de l'air froid, c'est pourquoi l'air du réchauffeur propose peut absorber beaucoup de chaleur des gaz d'échappement et assurer ainsi leur refroidissement poussé, sans toutefois leur donner une température inférieure à la température de préchauffage de 1 'air. L'air est chauffé suivant la ligne 25 dans le bloc de voies de la partie froide comme dans une voie unique, ensuite il est refroidi suivant la ligne 26 par addition de la dernière portion d'air froid dans le conduit de dérivation 21 menant à la partie chaude (figures 7 et 8), et enfin, il est chauffé suivant la ligne 27 dans la partie chaude du réchauffeur d'air. L'attaque ou charge thermique dans le réchauffeur d'air est suffisamment intense pour que sa surface de chauffe puisse être réduite et être beaucoup plus petite que la surface de chauffe d'un réchauffeur d'air classique résistant à la corrosion. Bien entendu, l'invention ntest nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Réchauffeur d'air à plusieurs voies, résistant à la corrosion, du type comprenant des faisceaux de tubes constituant une surface de chauffe et assemblés en voies distinctes branchées en série du côté chemin d'air au moyen de conduits de dérivation, et des conduits d'admission d'air froid, dont l'un comporte un dispositif de préchauffage d'une portion initiale, relativement petite, d'air froid, qui est acheminée vers la première voie, tandis que les autres sont raccordés aux conduits de dérivation respectifs, caractérisé en ce que le groupe initial de voies, y compris la première voie, est disposé de façon à former un bloc unique à branchements en parallèle, côté gaz chauffants, de leurs faisceaux de tubes de chauffage dans une même zone de températures des gaz, zone dans laquelle la combinaison des températures de l'air et des gaz peut provoquer la corrosion, tandis que la dernière voie de ce bloc est suivie d'un conduit de dérivation qui aboutit aux autres voies du réchauffeur et qui est raccordé au conduit d'admission lui amenant la dernière portion d'air froid. 2. Réchauffeur d'air à plusieurs voies résistant à la corrosion, conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que dans ledit bloc de voies unique, tous les tubes formant les faisceaux sont de même longueur, ledit bloc étant placé à un même niveau horizontal 3. Réchauffeur d'air à plusieurs voies résistant à la corrosion, conforme à l'une des revendications let 2 caractérisé en ce que dans ledit bloc unique, la largeur des voies assemblées augmente successivement proportionnellement à l'augmentation du débit d'air passant par les voies.