Brevet FR2439630A1 — publié le 19800523

L'invention concerne un dispositif de nettoyage de tubes conduisant des gaz chargés d'impuretés et d'épuration des gaz comportant un élément torsadé placé longitudinalement dans chacun des tubes et susceptible de tourner selon son axe. Le fonctionnement des échangeurs de chaudière, des récupérateurs thermiques ou autres, basé sur l'échange encre un gaz circulant dans des tubes et un autre fluide entourant ces tubes, pose des problèmes de transmission de chaleur lis à la nature du gaz. Le gaz est généralement chargé de particules solides ou liquides, pouvant présenter des propriétés corrosives, qui traversent l'échangeur sans s'y déposer, ou au contraire, en s'y déposant. Les conséquences sont, dans un cas comme dans l'autre, aussi gênantes : il faut soit nettoyer les tubes de l'échan- geur pour éviter la diminution du rendement, soit prévoir à la sortie de 11 échangeur un dispositif de dépoussiérage ou de lavage afin d'obtenir un gaz relativement propre pour son réemploi éventuel, ou pour son rejet dans l'atmosphère. Généralement, les gaz chargés abandonnent une partie de leurs impuretés dans les tubes, le reste passant directement avec les gaz de sortie. On se trouve ainsi confronté à un double problème de nettoyage, celui des tubes et celui des gaz de sortie. Le nettoyage des gaz de sortie est obtenu par l'utilisation d'un dispositif de dépoussiérage qui augmente sensiblement les frais d1 installation. Le nettoyage des tubes d'un faisceau fait appel à deus méthodes principales - soit arrêter le fonctionnement de l'appareil, ouvrir et procéder à un nettoyage manuel; opération longue, salissante et surtout nécessitant l'arrêt de la production; - soit placer dans le faisceau tubulaire un dispositif de souffla ge flair comprimé, de vapeur ou de tout autre fluide à une pres sion élevée destinée à chasser par un courant violent les pro duits déposés sur les surfaces d'échange. Ce procédé a l'incon vénient de rejeter tous ces dépits dans la canalisation aval de l'échangeur, qui doit alors être équipé de systèmes de dépoussié rage. L'encrassement des tubes d'un échangeur provoque une diminution du transfert de chaleur; pour diminuer ces conséquences, on a cherché des moyens pour améliorer le transfert entre le gaz et la paroi du tube de l'échangeur. C'est ainsi que le brevet des E.U*A. n0 3 4D7 871 propose de placer dans l'axe du tube une bande vrillée susceptible de tourner librement sous ltadion du gaz.Cette bande est conçue de manière que, lorsqutelle tour- ne, elle laisse un jeu défini faible entre les bords et la paroi du tube ne permettant qu'une couche d'épaisseur réduite de fluide en régime laminaire, donc un régime tourbillonnaire presque complet de la veine de gaz pénétrant dans le tube. Un tel dispositif peut, dans une certaine mesure, éviter un dép8t de particules trop important sur les parois du tubes mais la bande vrillée pro- duit une perte de charge non négligeable qui a pour conséquence une séparation des particules entraSnées par la veine de gaz. Ces particules solides et liquides retombent le long des parois et produisent un agglomérat qui vivent perturber la rotation de la bande et encrasser les parois du tube0 Le dispositif, objet de l'invention, a pour but de combiner la séparation et l'évacuation des particules étrangères contenues dans les gaz traversant un échangeur tubulaire. Cette double action peut s'accompagner dtune amélioration de l'échange thermique. Le dispositif de nettoyage de tubes et d'épuration des gaz, selon l'invention, comportant un élément torsadé placé longitudinalement dans chacun des tubes et susceptible de tourner melon son axevest remarquable en ce que 11 élément torsadé dont les bords longitudinaux sont contigus à la paroi du tube, porte, à au moins une de ses extrémités, au moins un moyen dYentraSns- ment en rotation. L'élément torsadé est entravé en rotation à une vi- tesse constante ou variable. L'élément torsadé est constitué d'un noyau central sur lequel est enroulée hélicoidalement au moins une ailette, Selon des formes de réalisation - le noyau présente une section longitudinale variable; - le pas de ltenroulemert hélicoïdal est variable. Le dispositif de nettoyage de tubes et d'épuration du gaztadapté à un tube conique, est remarquable en ce qu'il comporte un moyen de rattrapage de jeu ayant pour but de maintenir entre l'ailette et la paroi du tube une pression constante. Le dispositif adapté à un tube présente un enroulement à pas croSsssnt dans le sens de passage du courant gazeux. Les dispositifs de nettoyage de tubes et d'épuration du gaz, selon l'une des réalisations précédentes, équipant un faisceau tubulaire, sont remarquables en ce que les moyens d'entraînement en rotation de chacun des éléments torsadés sont actionnés par des moyens moteurs communs. Les explications et figures données ci-après à titre d'exemple permettront de comprendre comment l'invention peut autre réalisée. La figure 1 représente une chaudière ou échangeur dont le faisceau tubulaire est équipé de dispositiig selon l'invention. La figure 2 est une vue selon la flèche Il de la figure 1, dans laquelle le carter avant a été enlevé. Les figures 3, 4, 5 montrent différentes formes de réalisation de dispositifs selon l'invention. L'exemple d'application, représenté à la figure 1, concerne une chaudière à tubes de fumée incinérant des déchets combustibles. L'échangeur est constitué par une virole cylindrique 1 fermée aux deux extrémités par des fonds emboutis 2 et 3. Ces deux fonds sont percés d'une ouverture à bords tombés sur laquelle est fixé un tube foyer 4 comportant quelques ondulations 5 destinées à compenser sa dilatation. A l'extrémité du tube foyer est monté un cylindre 6 muni d'un convergent 7 et garni à l'intérieur d'un réfractaire 8. La base de ce convergent reçoit soit un brftleur, soit une canalisation destinée à alimenter la chaudière ou l'échangeur en gaz de combustion. Les fonds 2 et 3, formant des plaques tubulaires, sont muni8 de plusieurs rangées de trous concentriques dans lesquels sont fixés des tubes de fumée 9 constituant un faisceau tubulaire. Chaque tube reçoit un dispositif 10 constitué par un élément torsadé placé longitudinalement et susceptible de tourner autour de son axe. Le dispositif 10 et le tube 9 constituent une vis dAr- chimède et sont réalisés, dans ce cas particulier d'utilisation, en acier réfractaire. Les éléments torsadés portent,à au moins une de leurs extrémités,des moyens dXentraSnement en rotation, constitués par un pignon 11, monté sur l'axe dudit élément. Ces pignons 11 sont mus à leur tour par des moyens moteurs communs constitués par des channes 12 et 13 suivant le nombre de rangées tubulaires, engrenant sur le pignon de sortie d'un motaeréducteur 16. Les pignons et les channes sont placés dans un carter 17 et 18 à l'abri de la poussière. Entre le carter 18 et la plaque tubulaire 2, se trouve un esnace libre 19 par où les gaz d'échappement et les particules, provenant desdits gazysortent du faisceau tubulaire. Les gaz d'échappement sont évacués vers l'atmosphère ou vers un dispositif de recyclage par la canalisation 20, les particules tombent à la partie inférieure dans un collecteur 21 (figure 2) où une vis sans fin 22 les entraine à l'extérieur par l'ouverture 2)o Une porte amovible 24 garnie intérieurement dsun réfractaire 25, ferme la partie arrière de la chaudière ou échangeur. A l'opposé du brûleur ou de l'arrivée des gaz chauds est prévue, dans 1tespacç 26, une tubulure 27 constituant un échangeur mis en communication avec la chambre de vapeur 28 par la tubulure 29. La sortie de i' échangeur 27 est reliée à une tubulure 30 par où la vapeur sort vers l'utilisation. A la partie inférieure de la chaudière, un collecteur 31 collecte les imbrûlés du tube foyer et une vis sans fin 32 les évacue vers l'extérieur. Le fonctionnement de l'installation est classique, les gaz chauds arrivent dans le tube foyer 4 et pénètrent dans les faisceaux tubulaires formés par les tubes 90 Grtce aux dispositifs 10 constituant avec les tubes 9 des vis d'Archimède, la circulation des gaz devient tourbillonnaire. Les multiples tourbillons créés dans l'écoulement des gaz agissent par force centrifuge sur les particules plus denses que le gaz, qui sont séparés par projection sur la face interne de la paroi du tube où elles se déposent. Les ailettes hélicoidales, entraînées en rotation continue ou intermittente par le moto/réducteur 16, constituent d'une part des racloirs des parois des tubes qui débarrassent celles-ci des dépôts formés par les particules et, d'autre part, des vis d'Archimède qui évacuent vers une des extrémités des tubes les dépôts précédemment détachés de la paroi, dépits qui sont évacués vers l'extérieur par la vis sans fin 22 Grâce à ce système, la surface d'échange constituée par un faisceau tubulaire d'une chaudière ou échangeur quelconque est nettoyée automatiquement et en permanence pendant le fonctionnement. L'exemple de réalisation du dispositif de nettoyage des tubes et d'épuration des gaz, montré dans les figures 1 et 2, utilise uniquement des éléments torsadés cylindriques adaptés à des tubes de même forme et dont le pas de l'hélice est constant. Comme les vis d'Archimède classiques, l'élément torsadé présente un noyau central de section constante sur lequel est bobinée, hélicoidalement à pas constant uneseule ailette. Comme montré sur la figure 1, le gaz circule dans la même direction que celle dans laquelle sont centraSnées les impuretés détachées des parois pour éviter de restreindre d'une manière non contrôlée la circulation du gaz. Cette précaution est particulièrement utile dans les échangeurs de température dans lesquels le volume de gaz chaud pénétrant dans les tubes est supérieur à celui qui en sort après refroidissement. D'autres formes de réalisation des tubes et/ou du dispositif de nettoyage tenant compte de cette remarque sont ciaprès décrites. La figure 3 représente un tube cylindrique équipé d'un dispositif conforme à l'invention, dans lequel l'élément torsadé est constitué d'une bande 32 torsadée hélicofdalement, de manière que l'hélice extérieure soit tracée sur un cylindre d'un diamètre égal au diamètre intérieur du tube échangeur 9, au jeu près, mais dont le pas est variable d'une extrémité à l'autre. La partie de pas le plus serré est placée du c8té de l'entrée du gaz et celle de pas le plus large, du coté de la sortie des impuretés. Ce pas variable a pour but de réserver un volume suffisant au passage du gaz malgré l'accumulation entre les spires de la vis d'Archimède des impuretés à rejeter. On peut également, pour tenir compte de la variation de volume du gaz lors de son refroidissement, utiliser un élément torsadé dont la partie de pas le plus large est placée du c8té de l'entrée du gaz et la partie de pas le plus serré du côté de la sortie des gaz. La figure 4 représente un dispositif donnant un résultat semblable à celui de l'exemple précédent et pouvant être utilisé, par exemple, pour des volumes importants de gaz relativement peu chargés en impuretés. On utilise alors un élément torsadé présentant un noyau dont la section est variable. Le noyau 33, conique, reçoit une ailette dont le pas d'enroulement peut être constant ou variable comme dans l'exemple précédent. La figure 5 montre un tube 9 d' échangeur de forme conique, la conicité étant calculée de manière que la vitesse de la veine gazeuse reste sensiblement constante malgré la variation de débit volumique dû au refroidissement e Dans ce tube est monté un dispositif comportant un noyau cylindrique 34 sur lequel est enroulée hélicoidalement une ailette, lehéllce extérieure étant tracée sur un cône de mimes caractéristiques géométriques que la paroi interne du tube conique. L'exemple représenté concerne un dispositif à ailet- te à enveloppe conique et dont le pas est constant, mais on peut prévoir avantageusement une ailette à pas variable comme dans les exemples de réalisation précédents On peut, dans un dispositif conforme à la figure 5, prévoir un dispositif de rattrapage de jeu 35, représenté sur cet exemple par un ressort hélicoïdal travaillant en extension, et disposé entre le carter 18 et les pignons 11. bu fait de la conicité du tube et de son dispositif de nettoyage2 ce dispositif permet un rattrapage du jeu produit par l'usure et conserve à l'en semble tube-ailette une efficacité constante dans le temps. L'exemple de réalisation cl dessus décrit est parti culièrement adapté à un échangeur thermique, mais les mimes dispositions peuvent être prises pour un épurateur de gaz dans lequel on n'a pas à réaliser d'échange thermique. Dans un tel cas, la force centrifuge créée par les tourbillons sur les particules plus denses que le gaz, les sépare de celui-ci et les projette sur la face interne de la paroi du tube où elles se déposent. Il s'est ainsi créé un filtre séparateur basé sur le fonctionnement physique de l'écoulement tourbillonnaire sous forme de vortex. Les gaz délivrés à la sortie du faisceau de tubes sont débarrassés des impuretés qu'ils contenaient à l'entrée. T'ensemble noyau et ailette peut autre réalisé en tout matériau adapté au cas à traiter. L'entrainement en rotation de l'élément torsadé a deux buts: 1. L'évacuation des déchets et le maintien de la surface intérieure du tube en état de propreté constant. la vitesse de rotation sera donc fonction de la auantité d'impuretés contenue dans le gaz. Cette vitesse n'est pas forcément constante. Comme le gaz peut être dans le mtme faisceau plus ou moins chargé en impuretés, la vitesse de rotation peut être variable et dans ce cas, le moyen d'entratnement en rotation de ltélément torsadé peut être un moto-vario-réducteur ou un moteur à vitesse variable. Les deux exemples suivants montrent l'utilité d'une telle variation - Un échangeur de récupération de calories est placé en aval d'un four de production de verre, les gaz brûlés passant dans l'échangeur seront beaucoup plus "poussiéreux" lors de l'enfournement des composants du verre que lors de la période normale de marche du four, - Un échangeur d'acierie fonctionnant tantôt avec des gaz de haut fourneau à haute teneur en impuretés, tantôt avec des gaz plus propres d'un four de recuit. 2. La réalisation d'un écoulement tourbillonnaire par une vitesse de rotation convenable et suffisante pour contrarier l'écoulement laminaire et ainsi améliorer l'échange thermique. La vitesse de rotation de 11 élément torsadé sera donc fonction de ces impératifs et variable selon le gaz traité. RETEIEDICA2IOlSS 1. Dispositif de nettoyage de tubes et d'épuration des gaz, comportant un élément torsadé placé longitudinalement dans chacun des tubes et susceptible de tourner selon son axe, caractérisé en ce que les bords longitudinaux de ltélément torsadé sont contigus à la paroi intérieure du tube, ledit élément portant à au moins une de ses extrémités, au moins un moyen d'entraîne- ment en rotation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément est entraîné en rotation à une vitesse- cons- tante ou variable. 30 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que 11 élément torsadé est constitué d'un noyau central sur lequel est enroulée hélicoidalement au moins une ailette. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le noyau présente une section longitudinale variable. 5e Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le pas de l'enroulement hélicoldal est variable. 60 Dispositif selon la- revendication 5, caractérisé en ce que l'enroulement hélicoïdal est à pas croissant dans le sens de passage des gaz. 7. Dispositif. selon l'une des revendications précédentes, adapté à un tube conique, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de rattrapage de jeu maintenant entre les bords de l'élément torsadé et la paroi interne du tube une pression constante. 8. Dispositifs selon l'une des revendications précédentes, équipant un faisceau tubulaire, caractérisés en ce que les moyens d'entraRnement en rotation de chacun des éléments torsadés sont actionnés par des moyens moteurs communs.