Brevet FR2458782A1 — publié le 19810102

BOITIER ISOLANT POUR RECUPERATEUR DE CHALEUR EN CERAMIQUE. La présente invention concerne un boîtier pour les récupérateurs de chaleur industriels et, plus précisément, un bottier isolant pour des récupérateurs de chaleur à structure céramique et à flux croisés destinés notamment aux fours, étuves, et appareils de pré- chauffage. Les récupérateurs à structure céramique prévus pour éviter les pertes de chaleur au niveau industriel présentent de nombreux avan- tages par rapport aux récupérateurs comportant des éléments métal- liques. En effet, la céramique offre en général une très bonne ré- sistance à la corrosion et aux chocs thermiques, et présente un coefficient de dilatation thermique relativement faible; la cérami- que résiste donc très bien à la répétition des cycles thermiques. En outre elle est beaucoup plus légère que les métaux généralement utilisés tout en étant d'un prix compétitif par rapport à celui des alliages résistant aux températures élevées. Enfin, il est possible de réaliser des récupérateurs à structure céramique de formes>de dimensions, de section utile et de composi- tions très variés. Des bottiers spéciaux ont été réalisés de manière à permettre l'adaptation de tels récupérateurs à des fours existant. Selon le brevet américain 4,083,400, la structure céramique pour récupéra- teur à flux croisés est disposée à l'intérieur d'un bottier métal- lique prévu pour être adapté aux différentes formes de fours exis- tants. Des moyens isolants et élastiques disposés entre la structu- re et le boîtier permettent de réduire au minimum les pertes de chaleur à travers le bottier métallique et d'interdire la fuite des fluides de transfert de chaleur tels que les gaz d'échappement et D-21.967 -2 2458782 l'air de combustion. A cet effet, il a été par ailleurs proposé d'utiliser un bottier composé de quatre plaques opposées deux à deux dans lesquelles sont pratiquées des ouvertures, pourvu de moyens assurant le maintien de ces plaques en contact avec les faces d'admission et d'échappement de la structure céramique. Ces plaques ainsi que les surfaces en céramique, peuvent être aisément usinées avec de faibles tolérances de manière à présenter le meilleur contact de scellement possible et ainsi minimiser les fuites éventuelles de fluide à travers le scellement métal-céramique. Des tuyaux métalliques faisant saillie hors des plaques vers l'extérieur du bottier sont prévus pour assu- rer le raccordement aux tuyaux dans lesquels circule le fluide de transfert de chaleur. Dans les réalisations qui viennent d'ttre décrites, les tuyaux de raccordement affectent généralement une forme tronconique dont le diamètre augmente au fur et à mesure que l'on se rapproche du boa- tier, de manière à permettre de faire coïncider le diamètre des tuyaux extérieurs avec le diamètre des ouvertures prévues dans le boîtier. De tels tuyaux tronconiques présentent une surface dévelop- pée beaucoup plus importante que celle d'un cylindre et, de ce fait, les pertes de chaleur y sont relativement plus importantes que s'ils affectaient une forme cylindrique. Selon la présente invention, le bottier métallique est pourvu d'au moins trois tuyaux de raccordement faisant saillie vers l'exté- rieur du boîtier, de manière à assurer la communication entre les faces utiles du récupérateur et la tuyauterie extérieure de circu- lation des fluides et, au moins ceux d'entre eux qui sont au voisi- nage immédiat des faces chaudes de la structure sont isolés par 3 2458782 exemple au moyen d'un revêtement céramique disposé sur la paroi in- terne de ces tuyaux. Selon un premier mode de réalisation, la surface de la plus grande section de l'une au moins des parties isolées des tuyaux est supé- rieure à celle de la plaque du bo!tier à laquelle le tuyau est re- lié, l'épaisseur du revêtement isolant étant prévue de telle sorte que le débit du fluide entrant dans le récupérateur ne soit pas af- fecté. Selon un autre mode de réalisation, le revêtement isolant en céra- mique affecte une forme tronconique de manière à assurer une cir- culation maximale du fluide vers la face chaude du récupérateur tout en présentant une épaisseur maximale à l'extrémité de dimen- sions réduites du tuyau. Un tel récupérateur peut être utilisé notamment pour préchauffer l'air d'admission ou les gaz de combustion et I ou le carburant, et augmenter ainsi le rendement des fours de tous types et de toutes dimensions. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit de certains modes de réalisation donnés à titre non limitatif, description à laquelle quatre planches de dessin sont annexées. La Figure 1 est une vue en perspective d'un récupérateur de cha- leur conforme à la présente invention, après assemblage de la struc- ture en céramique et de son boîtier, La Figure 2 est une vue en coupe du récupérateur de la figure 1, La Figure 3 est une vue en perspective de la structure en cérami- que à flux croisés du récupérateur de la figure 1, et 4 2458782 La Figure 4 est une vue en perspective partiellement coupée d'une partie d'un récupérateur similaire à celui de la figure 1 représen- tant une variante des moyens de fixation du boîtier à la structure en céramique selon laquelle des boulons sont noyés dans un revâte- ment isolant en céramique. En référence maintenant à la figure 1, le récupérateur 10 compor- te une structure centrale 11 à flux croisés, en céramique, compre- nant quatre côtés opposés deux à deux déterminant des ouvertures pour le passage d'un premier et d'un second fluides entre lesquels s'effectue le transfert de la chaleur. La structure comprend ainsi deux faces chaudes et deux faces froides, l'une des faces chaudes correspondant à la face d'entrée du fluide transférant sa chaleur à l'autre, et l'autre face chaude correspondant à la face de sortie du fluide ayant reçu la chaleur de l'autre. La structure est ainsi chauffée par le passage de gaz chauds usés à travers des éléments superposés nervurés dans un sens, tandis que le gaz à réchauffer est préchauffé en traversant la structure par les canaux définis par des éléments nervurés perpendiculairement aux autres et alter- nant avec ces derniers. Une telle structure céramique est décrite dans la demande de brevet français 79 21460 déposée le 29 Acut 1979 au nom de la demanderesse. Parmi les différents matériaux céramiques convenant avantageuse- ment à la fabrication de telles structures pour récupérateur de chaleur de ce type, on peut citer le mullite, le zircon, le magné- sium, le silicate d'aluminium, la porcelaine, l'oxyde d'aluminium et le nitrate de silicium. Le boîtier métallique 13 comprend quatre plaques 13a, 13b, 13c et 13d dans lesquelles des ouvertures ont été pratiquées. Ces plaques 2458782 sont maintenues fermement en contact avec les faces de la structure céramique 11 au moyen d'une pluralité de vis longues 14 et d'écrous 15. Ces vis 14 longent la structure 11 au voisinage de deux parois lia et lld (dont la première lla est visible sur la figure). Les autres faces de la structure 11 comportent les ouvertures détermi- nées par les nervures et sont désignées par l'expression "faces utiles" (les faces llb et llc sont visibles figure 3). L'accès du fluide à ces faces est assuré au moyen des tuyaux de forme tronco- nique 13e, 13f et 13g et du tuyau 13h reliés respectivement aux plaques 13a, 13b 13d et 13c. Les pièces métalliques composant le bottier métallique 13 peuvent être obtenues par moulage, usinage et / ou coulage d'un matériau métallique résistant à la corrosion tel que l'acier inoxydable pour des applications en milieu corrosif dépassant 30ORC. En référence maintenant à la figure 2 représentant en coupe le ré- cupérateur de la figure 1, la paroi interne des tuyaux tronconiques 13f, 13g et du tuyau 13h est recouverte d'un revêtement isolant en céramique, respectivement 17, 18 et 19. Lors du fonctionnement, le fluide arrive à une température élevée, telle que par exemple 13002C, par le tuyau 13h, réchauffe les parois de la structure et sort par le tuyau tronconique 13g. Le revêtement isolant 18 disposé à l'inté- rieur du tuyau 13g maintient la température de la paroi externe du tuyau 13g à une valeur relativement basse, de l'ordre de 2002C. Cette disposition permet d'installer un tel récupérateur dans une zone de circulation de piétons sans risques pour ces derniers. Les plaques 13c et 13d sont dimensionnées de manière à faire sail- lie légèrement au-delà des bords correspondants de la structure 11 et des plaques 13a et 13b. En outre, les tuyaux 13g et 13h sont con- 6 2458782 nectés aux plaques 13c et 13d à proximité des bords extérieurs de ces dernières de manière à permettre l'obtention d'une épaisseur importante du revêtement en céramique sans pour autant réduire l'ac- cès aux faces de la structure 11. D'autre part les c8tés 131 et 133 du tuyau de raccordement 13g sont fixés à proximité des bords exté- rieurs de la plaque 13d dans laquelle une ouverture a été pratiquée, tandis que les côtés 132 et 134 sont respectivement raccordés à faible distance des bords de cette plaque. Une telle disposition est rendue nécessaire pour permettre une mise en place aisée des vis 14 et écrous 15. Toutefois, toujours en référence à la figure 1, la plaque 13d peut faire saillie audelà des côtés de la structure 11 de manière à permettre l'obtention d'une épaisseur importante du revêtement isolant sans diminution du diamètre de l'ouverture. Bien évidemment, la même disposition s'applique à la plaque 13c et au tuyau de raccordement 13h. Toujours en référence à la figure 1, l'air de combustion pénètre par le tuyau 13e, traverse la structure 11 de manière à absorber la chaleur emmagasinée entre les parois de céramique, puis s'échappe par le tuyau de raccordement 13f. De manière à réduire à une valeur minimale les-pertes de chaleur lors du transfert de l'air de com- bustion au tuyau métallique 13f, on dispose sur la paroi interne de ce dernier un revêtement isolant en céramique 17. Le raccordement du tuyau 13f à la plaque 13b est identique à celui du tuyau l3g à la plaque 13d, ainsi qu'à celui du tuyau 13h à la plaque 13c. Le tuyau est relié à la plaque au voisinage du bord extérieur de cette dernière c'est à dire à proximité des plaques 13c et 13d, mais à une distance déterminée du bord extérieur dans la direction trans- versale de manière à permettre l'introduction des vis 14. Cependant, 7 2458782 le dépassement des plaques 13c et 13d au-delà du bord de la plaque 13b interdit un dépassement identique de la plaque 13b. De ce fait, pour maximiser l'accès à la structure 11, le revêtement isolant de céramique 17 affecte une forme tronconique dont l'épaisseur va s'ame- nuisant au voisinage de la structure 11. Comme représenté figure 3, la structure 11 comprend un premier élément extérieur nervuré (111 et 112) sur chacune de ses faces utiles (llb et llc sont visibles sur la figure), scellé au moyen d'un ciment céramique, de manière à minimiser les fuites du fluide fournissant la chaleur et, en outre, à réduire les pertes de chaleur. En outre, comme représenté figure 2, un moyen de scellement 8Up- plémentaire.tel qu'un ciment céramique en couches minces 20a, 2Gb, c et 20d, est disposé sur les surfaces en contact de la structure et des plaques du bottier. Afin de réduire les pertes de chaleur sur les faces lla et lld de la structure, un revêtement isolant en céramique 16 est déposé sur ces faces à l'arrière des vis de fixation 14, comme représenté pour la face lla visible sur la figure 1. Selon un mode de réalisation différent représenté figure 4, les vis 14 sont noyées dans un revêtement isolant 16 de céramique mou- lable. Parmi les céramiques pouvant être favorablement utilisées à cet effet, on peut citer la céramique connue sous la marque "Fiber- frax and LDS Moldable"l de la Carborundum Co. Elle est constituée à base d'une couche de fibres ou de copeaux de fibres de mullite (3A1203. 2SiO2 mélangés à un ciment liquide composé par exemple d'au moins un silicate de métal alcalin). Un tel revêtement peut être réalisé par injection préalable ou in-situ. Les revêtements 17 et 18, en particulier, peuvent être préfabriqués, tandis que les a 2458782 éléments extérieurs 111 et 112 de la structure 11 peuvent gtre cou- là in-situ. Ils comprennent de préférence de l'aluminium, du zircon, de la mullite et du zirconium. Ces compositions-incluent générale- ment des particules de deux tailles différentes, les unes comprises entre 6 et 10 mesh et les autres entre 325 mesh et moins d'un micron, avec 50 à 75% en poids d'un liant et sont obtenues par perte de l'eau d'hydratation. D'autres compositions appropriées ne comportent que des particules d'une seule taille et sont généralement obtenues par action d'un phosphate. Bien que seuls certains modes de réalisation seulement de l'inven- tion aient été décrits, il est évident que toute modification appor- tée par l'Homme de l'Art dans le même esprit ne sortirait pas du cadre de la présente invention. 9 2458782 R E V E N D I C A T I 0 N S 1-- Récupérateur de chaleur incluant une structure céramique à flux croisés comprenant quatre côtés opposés deux à deux, dans la- quelle des canaux sont ménagés pour le passage des fluides de trans- fert de chaleur disposés perpendiculairement les uns aux autres, le premier fluide transférant la chaleur au second fluide en emprun- tant les canaux correspondants, le c8té admission du premier fluide et le côté échappement du second fluide étant dits faces chaudes en opposition aux deux autres c8tés dits faces froides, les faces chau- des et froides étant dites faces utiles, et un b5itier métallique entourant la dite structure, sur les plaques en regard des dites faces utiles duquel ont été pratiquées des ouvertures auxquelles sont raccordés au moins trois tuyaux destinés à mettre en communi- cation la tuyauterie extérieure ou circule le fluide et les faces de la dite structure, caractérisé en ce qu'un moyen isolant thermique protège au moins l'un des dits tuyaux de raccordement. 2 - Récupérateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la plus grande section d'au moins un des dits tuyaux isolés est su- périeure au diamètre de l'ouverture pratiquée dans la plaque corres- pondante du dit bottier, l'épaisseur du dit moyen isolant thermique étant telle que le débit du fluide de transfert de chaleur ne soit pas affecté. 3 - Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le dit moyen isolant thermique est constitué par un revêtement en céramique disposé sur la paroi interne du dit tuyau. 4 Récupérateur selon la revendication 3 caractérisé en ce 2458782 que l'épaisseur du dit revêtement décroît au voisinage de la dite ouverturede manière à permettre de pouvoir adapter le diamètre interne du dit tuyau à celui de l'ouverture de la plaque correspon- dante du boîtier sans affecter le débit du dit fluide. 5 - Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le dit moyen isolant thermique protège au moins les deux tuyaux associés aux dites faces chaudes de la dite structure céramique. 6 - Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'au moins une partie de chacun des dits trois tuyaux affecte une forme tronconique, dont la grande base est au contact de la plaque correspondante du boîtier. 7 - Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le dit boîtier inclut, en combinaison: a) quatre plaques opposées deux à deux dont les parois internes sont au contact des dites faces respectivement chaudes et froides de la dite structure, b) des tuyaux faisant saillie à l'éxtérieur des parois externes des dites faces, c) des moyens pour assurer la communication entre les dits tuyaux et la tuyauterie extérieure o circulent les fluides et d) des moyens de fixation pour maintenir les parois internes des di- tes plaques au contact des faces utiles de la dite structure. 8 - Récupérateur selon la revendication 7 caractérisé en ce que les dits moyens de fixation comprennent deux groupes de boulons, les boulons de chaque groupe réunissant respectivement deux plaques op- posées. 9 - Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1 et il 2458782 2 caractérisé en ce qu'un moyen de scellement est prévu sur une partie des éléments extrêmes de la dite structure, de telle sorte que la partie extérieure ainsi scellée constitue un logement scellé et isolant pour la partie intérieure non scellée. 10 - Récupérateur selon l'une quelconque des revendications Y et B caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour assurer l'isole- ment thermique des faces de la dite structure adjacentes aux moyens de fixation. 11 - Récupérateur selon la revendication 10 caractérisé en ce que 1 les dits moyens d'isolement thermique enrobent les dits moyens de fixation. 12 - Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 7 et 8 caractérisé en ce que les tuyaux correspondants de deux faces op- posées ont une section rectangulaire et qu'au moins deux côtés op- posés des dits tuyaux sont reliés aux plaques correspondantes à proximité immédiate des bords extérieurs de celles-ci. 13 - Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 7 et 8 caractérisé en ce que les moyens de liaison sont constitués par des collerettes. 14 - Récupérateur selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 7 et B, caractérisé en ce que des moyens de scellement sont disposés entre les faces de la dite structure et les plaques du bottier dans lesquelles une ouverture a été pratiquée.