Brevet FR2462680A1 — publié le 19810213

CHAUDIERE A RECUPERATION DE CHALEUR RESIDUELLE La présente invention concerne une chaudière et plus particulièrement une chaudière à récupération de chaleur résiduelle ou une chaudière à chaleur perdue, du type à tubes doubles concentriques. Jusqu'ici, c'est en partant du point de vue des écono- mies à réaliser et du recyclage de l'énergie thermique qu'on a mis en usage des chaudières à chaleur perdue. Du fait de l'intérêt grandissant pour la préservation et pour les économies qui a été suscité récemment par l'état des res- lo sources naturelles, les chaudières à chaleur perdue ont vu leur importance augmenter du fait de leur capacité à s'a- dapter à ces circonstances, et on doit donc s'attendre à ce que la demande pour des chaudières à chaleur perdue de grandes dimensions, fonctionnant à température élevée ou à haute pression devienne encore plus grande dans l'avenir. On connait les difficultés techniques d'ordre général que l'on rencontre lorsqu'on veut tracer les plans et construi- re des chaudières à chaleur perdue, parmi lesquelles les problèmes les plus répandus et les plus importants sont ceux provenant du fait que les tubulures et les plaques tubulaires des chaudières qui sont soumises aux gaz chauds sont chauffées à de hautes températures, ce qui a pour ef- fet inévitable une perte de leur résistance et une pro- duction de contraintes créées par une dilatation thermique différentielle provenant d'une répartition inégale de la température dans les parties métalliques constituant la chaudière, c'est-à-dire le corps cylindrique ou tambour de la chaudière, les tubes de la chaudière et les plaques tu- bulaires. Lorsqu'on essaie de résoudre ces problèmes et du fait qu'on prévoit maintenant des chaudières plus im- portantes et destinées à être utilisées à des températures plus élevées, il faut reconsidérer la conception et la construction de la chaudière, la sélection des matériaux utilisés,l'augmentation du poids des matériaux,la difficul- té et la complexité de l'installation et de l'inspection, etc., ce qui conduit inévitablement à des accroissements de coût et de dépenses pour la fabrication,l'inspection et l'entretien de la chaudière. Il existe toute une série de types de chaudière à chaleur perdue, parmi lesquels le plus typique est celui comprenant une coquille ou tambour cylindrique en acier et deux plaques à tubes ou plaques tubulaires pourvues d'une série d'ouvertures et soudées ou reliées de toute autre manière et en relation d'opposition aux deux extrémités de la chaudière, et comprenant une sé- rie de tubes à l'intérieur du tambour de la chaudière, re- liés respectivement et de façon sûre à chaque ouverture des plaques tubulaires, l'eau circulant d'une extrémité à l'autre du tambour de la chaudière et des gaz perdus à haute température provenant de l'extérieur circulant à partir d'une plaque tubulaire terminale en passant par une série de tubes à l'intérieur du tambour de manière à chauf- fer l'eau située dans le tambour et engendrer.ainsi de la vapeur d'eau qui est prélevée à l'autre extrémité du tam- bour, les gaz perdus étant ensuite envoyés vers l'exté- rieur par la plaque tubulaire terminale opposée pour par- venir à une étape de traitement suivante. Si l'on se réfère maintenant à la figure 3, celle-ci est une vue en coupe transversale fragmentaire représentant une chaudière à chaleur perdue classique en fonctionnement, celle-ci comprenant de façon typique une plaque à tubes ou plaque tubulaire 21 reliée à une extrémité du tambour de la chaudière, la plaque tubulaire 21 comportant une série de tubes 22 rigidement fixés sur elle.un vide ou es- pace 24 défini par une canalisation 14 revêtue d'un maté- riau isolant ou réfractaire 15 est constitué sur la sur- face extérieure de la plaque tubulaire 21, comme le mon- tre la figure, espace dans lequel les gaz perdus à haute température sont introduits,de même que dans la série de tubes 22, pour chauffer l'eau de transfert contenue dans le tambour 20, et engendrer de la vapeur d'eau'. Dans ce type de construction, du fait que les tubes 22 sont soumis aux gaz à haute température, alors que le tambour 20 est soumis à l'eau froi- de, il y a naturellement une différence importante de dilatation en- tre le tambour 20 et les tubes 22, et du fait de ces dilatations dif- férentielles, des contraintes importantes apparaissent à proximité des connexions entre la plaque 21 et les tubes 22 et de la jonction 23 entre la plaque 21 et le tambour 20. On notera que lorsqu'il y a une grande différence entre les températures des gaz perdus et de l'eau, ou quand le tambour 20 ou les tubes 21 sont d'épaisseur importante et sont soumis à une pression élevée de l'eau, ou encore quand la chaudière perdue a de fortes dimensions, la contrainte augmente à un niveau tel qu'elle peut éventuellement deve- nir un obstacle à la construction de la chaudière. Dans le cas o la chaudière est prévue pour fonctionner à pression élevée, une contrainte supplémentaire provient de la pres- sion interne accrue qui s'ajoute aux contraintes provoquées par la dilatation thermique mentionnée ci-dessus, et cette contrainte provoque en particulier une contrainte totale additionnelle au niveau et à proximité de la jonction 23. En conséquence, la configuration et la structure de la zone de jonction 23 et de la partie située autour deviennent complexes, ce qui rend nécessaire une analyse poussée des fatigues possibles du matériau situé dans cette zone, et ce qui provoque des difficultés dans la sélection des maté- riaux à utiliser et dans les domaines tels que le contrôle de la fabrication, les réparations, etc., le résultat étant une éventuelle augmentation des coûts et des dépenses de fabrication et d'entretien des chaudières. Par ailleurs, la plaque tubulaire 21 est conçue pour résister à des gaz à températures élevées grâce aux matériaux réfractaires 15, mais elle est cependant chauffée à une température très élevée sur sa face tournée vers le revêtement et elle peut éventuellement perdre sa résistance. En conséquence, il est en général nécessaire de prévoir une plaque tubulaire d'épaisseur importante, mais une plaque tubulaire de cette épaisseur provoque nécessairement une réduction de rende- ment du refroidissement obtenu par l'eau située derrière cette plaque épaisse, et est ainsi éventuellement la cause d'une augmentation encore plus forte de la température de la plaque tubulaire. Il est donc essentiel de résoudre tous ces problèmes techniques lorsqu'on veut établir les plans pratiques d'une chaudière. Un but principal de l'invention est donc de créer une chaudière à chaleur perdue perfectionnée et du type à doubles tubes concentriques, susceptible de résoudre les problèmes rencontrés dans les chaudières classiques et mentionnés ci-dessus, de construction nouvelle permettant d'économiser nettement les matériaux utilisés et facilitant l'assemblage et l'installation. Un autre but de l'invention est de créer une chaudière à chaleur perdue perfectionnée comprenant une section d'échange de chaleur de construction tubulaire n'ayant pas besoin d'un tambour de chaudière épais. Un autre but encore de l'invention est de créer une chaudière à chaleur perdue perfectionnée qui soit soumise à des contraintes thermiques plus faibles du fait de sa construction et qui permette-d'utiliser des matériaux relativement peu épais pour la constitution des plaques tubulaires de la chaudière. On comprendra mieux les principes et avantages apportés par l'invention, ainsi que les buts mentionnés ci-dessus, et d'autres encore, après lecture de la description dé- taillée qui est faite avec référence aux dessins ci-annexés, o les mêmes pièces sont désignées par les mêmes référen- ces, et dans lesquels: la fig. 1 est une vue en coupe longitudinale représen- tant une chaudière à chaleur perdue selon l'invention, les fig. 2(a) à 2(e') sont des illustrations schémati- *ques représentant en coupe fragmentaire une série de jonc- tions entre les tubes de la chaudière et la plaque tubu- laire de la chaudière à chaleur perdue selon l'invention, et en constituant des modes de réalisation préférés, et la fig. 3 est une vue en coupe représentant une partie d'une chaudière à chaleur perdue de constitution classique et typique. La présente invention sera maintenant décrite en détail à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés. Si on se reporte d'abord à la fig. 1, celle-ci repré- sente de façon générale la chaudière à chaleur perdue perfectionnée de l'invention, vue en coupe: longitudinale, o il est prévu une canalisation d'entrée des gaz 14 comportant une entrée pour l'alimentation en gaz chauds 1, la canalisation à gaz étant revêtue de matériaux réfractai- res 15 lorsque cela est nécessaire. Plus particulièrement, une extrémité de chacun des tubes internes 5 appartenant à une série ou groupe de tubes internes destinés à introduire les gaz perdus à température élevée à l'intérieur, débouche sur la surface de la paroi terminale de la canalisation d'entrée des gaz 14 par un embout tubulaire 9, son autre extrémité débouchant sur une plaque tubulaire lia consti- tuant la paroi terminale de la canalisation de sortie des gaz perdus 16, après être passé par un espace de forme annulaire. La chaudière comprend une chambre à eau 18 entourée par les plaques tubulaires 10, lOa, et àproximité de la canalisation d'entrée 14, une série ou groupe de tubes externes 6 qui traversent la plaque tubulaire 10 en étant reliés étroitement les uns aux autres. Le groupe de tubes externes 6 traversent la-plaque tubulaire lOa par des interstices annulaires. Par ailleurs, une série de tubes encore plus externes 7 sont disposés autour des circonférences externes des tubes externes du côté de la canalisation d'entrée et traverse des interstices annulai- res constitués dans la plaque tubulaire 1Oa, les intersti- ces annulaires débouchant dans la chambre à eau 18. Les extrémités libres des tubes les plus externes 7 et les tubes internes 5 sont reliées de façon hermétique par une série de chapeaux 7a ayant respectivement la forme d'un demi-tore. Un passage ou interstice à eau est prévu entre l'extrémité de chaque tube externe 6 située du côté de la canalisation d'entrée 14 et la surface interne de chaque chapeau 7a mentionné cidessus. Une entrée d'eau 3 est prévue à la partie supérieure de la chambre à eau 18. D'un autre côté, il est prévu une sortie de gaz 2 dans la cana- lisation de sortie de gaz 16 et il est également prévu une chambre à vapeur d'eau 19 entre la plaque tubulaire lia à la surface terminale de la canalisation et une autre plaque tubulaire 11 disposée à l'extérieur et parallèle à celle- ci. De même, il existe un interstice annulaire entre chacun des tubes les plus externes 8 et des tubes internes 5 respectifs, chacun des tubes les plus externes traversant une ouverture de la plaque tubulaire lia en étant disposé concentriquement sur chacun des tubes internes 5. L'inters- tice annulaire mentionné ci-dessus est fermé de façon hermétique par un chapeau 8a en forme de demi-tore fixé aux extrémités du tube interne 5 et du tube le plus externe 8. Par ailleurs, dans la plaque tubulaire 11, le tube interne traverse un interstice annulaire qui l'entoure, la circonférence de l'ouverture de la plaque tubulaire 11 per laquelle passe le tube interne 5 étant reliée de façon étanche à l'extrémité du tube externe 6. Une sortie de vapeur d'eau 4 est prévue dans la chambre à vapeur d'eau 19. A l'intérieur de la chambre à eau 18 et de la chambre à vapeur d'eau 19 sont prévus une série d'étais 12 reliant respectivement l'une à l'autre les deux plaques tubulaires. Dans-les interstices annulaires définis entre les tubes internes 5 et les tubes externes sont également insérées des séries d'organes d'écartement 17 respectifs. On décrira maintenant le fonctionnement de la présente - invention au moyen de son mode de réalisation représenté sur la fig. 1. Les gaz perdus chauds qui sont envoyés dans la canalisation d'entrée 14 après avoir franchi l'entrée à gaz 1 sont dirigés dans le groupe de tubes internes 5 par les embouts tubulaires 9 de manière à échanger leur chaleur lorsqu'ils les traversent, pour pénétrer ensuite dans la canalisation de sortie de gaz 16 et être déchargés par la sortie 2. Concurremment, l'eau est envoyée dans la chambre 18 par l'entrée d'eau 3 de manière à remplir la chambre, puis elle pénètre dans les interstices annulaires situés entre chacun des tubes les plus externes 7 et des tubes externes 6, passe par les interstices en forme de demi- tores qui sont situés entre les chapeaux 7a et les extré- mités des tubes externes 6 et parvient dans les interstices annulaires situés entre les tubes externes 6 et les tubes internes 5 o l'eau est chauffée par les gaz perdus chauds passant par les tubes internes 5, et devient ainsi de la vapeur d'eau. La vapeur d'eau ainsi produite et l'eau chaude sont alors envoyées dans la chambre à vapeur 19 et éventuellement évacuées par la sortie de vapeur 4. Du fait de la construction avantageuse de la présente invention provenant de ce que les tubes internes à haute température et les tubes les plus externes 7 à relativement basse température sont reliés fonctionnellement par les'chapeaux 7a du côté de la canalisation d'entrée 14, la dilatation thermique provoquée par la différence de température exis- tant dans les deux tubes 5 et 7 peut être efficacement absorbée par lesdits chapeaux 7a. D'un autre côté, les chapeaux 8a situés du côté de'la canalisation de sortie 16 fonctionnent de manière similaire pour absorber la dilata- tion thermique apparaissant à cet emplacement, et on ob- serve ainsi une contrainte due à la dilatation thermique différentielle provenant des différences de température de chacune des plaques tubulaires 10, 10a, 11 et lia qui est plus faible que celle qui serait provoquée par les tubes internes 5. On peut établir les plans de ces chapeaux-7a et 8a de façon sélective en considération des températures de fonctionnement des gaz chauds et de l'eau, et de la dila- tation thermique apparaissant en fonctionnement, comme cela sera décrit plus loin. Alors qu'on constate que la tempé- rature de la plaque tubulaire sur le côté d'entrée des gaz est élevée en raison du contact avec les gaz perdus chauds lorsqu'il s'agit de chaudières à chaleur perdue de con- ception et de construction classiques, la plaque tubulaire l0a selon la présente invention est avantageusement main- tenue hors de contact direct avec les gaz perdus chauds, ce qui détermine une élévation relativement faible de la température de la plaque tubulaire, et il en résulte qu'il n'est pas nécessaire de prendre en considération toutes les pertes de résistance importantes provoquées par une augmen- tation considérable de température lors du fonctionnement de la plaque tubulaire 10a pour en déterminer l'épaisseur. Incidemment, selon la forme classique typique d'une chaudière à chaleur perdue, telle qu'elle est représentée sur la fig. 3, on notera que la pièce de jonction entre les tubes à gaz à température élevée et la plaque tubulaire se trouve sur le côté d'entrée des gaz o l'eau est à basse température et à haute pression et les gaz sont à haute température et à basse pression. Par contraste et selon la construction avantageuse de l'invention, chacune des plaques tubulaires de la chaudière est conçue pour ne pas être en contact direct avec les gaz chauds et les tubes à gaz chauds 5, et par ailleurs chacune d'elles est renforcée positivement au moyen d'étais tels qu'ils sont représentés sur la fig. 1. En conséquence, il est maintenant possible d'avoir recours àddes plaques tubulaires relativement minces pouvant être utilisées à des pressions élevées, et concurremment d'effectuer une économie appréciable de main- d'oeuvre et de matériaux pour la fabrication de la chau- dière à chaleur perdue. La surface proche de l'extrémité des tubes 5 dans laquelle les gaz chauds circulent, est refroidie par un écoulement constant d'eau froide; et cette zone est de faible épaisseur de manière à réaliser un refroidissement efficace. En outre, elle est suffisamment souple pour absorber les contraintes thermiques existant à cet endroit. De même, il n'y a pas de stagnation dans cette zone du fait du débit relativement élevé de l'eau, ce qui détermine un effet de nettoyage par jet d'eau, ledit débit élevé de l'eau s'opposant avantageusement à la formation de Y 20 dépôts d'écailles autour, phénomène qui est tout à fait indésirable mais inévitables dans les chaudières à chaleur perdue. Grâce à ce type de construction tubulaire de la section d'échange de chaleur de la chaudière, il n'est pas nécessaire que le tambour soit très épais, comme c'est le cas des chaudières classiques à chaleur perdue, et il en résulte qu'on ne prévoit pas de pièce de jonction entre le tambour et les plaques tubulaires, pièce qui était le siège de perturbations provenant des contraintes thermiques existant à l'entour, ce qui soulage cette zone particulière de l'apparition des contraintes mentionnées et contribue dans une grande mesure à la réalisation d'une chaudière de faible poids. Pour obtenir une pression interne élevée en utilisation, on prévoit une série d'étais 12 dont l'effet est de réduire l'épaisseur de la plaque tubulaire. De même, les éléments d'écartement 17 disposés entre les tubes internes et externes évitent les vibrations et/ou l'excen- tricité de ces tubes les uns par rapport aux autres lors du fonctionnement. On décrira maintenant quelques exemples typiques de la pièce de jonction située entre chaque tube individuel et la plaque tubulaire selon l'invention. D'abord et référence étant faite aux fig. 2(a) et 2(b), celles-ci représentent un mode de réalisation dans lequel la plaque tubulaire 13 située du côté de l'alimentation en gaz chauds est revêtue d'un matériau isolant et réfractaire en vue de maintenir la température de la plaque tubulaire 13 à un niveau relati- vement faible. Plus particulièrement, la fig. 2(a) représen- te un type de construction dans-lequel le tube le plus externe 7 traverse complètement la couche de matériau réfractaire pour parvenir à sa surface, alors que la fig. 2(b) représente un type de construction o le tube externe 7 se termine à la surface de la plaque tubulaire, l'embout 9 s'étendant de la surface interne de la couche de matériau réfractaire à une partie de l'extrémité d'entrée du tube 5, comme le montre la figure, pour essayer d'obtenir un cou- rant régulier de gaz chauds et éviter des dégâts possibles par érosion dumatériau réfractaire coulé. De même, dans la disposition représentée sur la fig. 2(b), il est avantageux que l'extrémité du tube soit maintenue à une température relativement basse grâce au matériau réfractaire, ceci par opposition au cas de la fig. 2(a). D'autres modes de réali sation de l'invention sont représentés sur les fig. 2(c) et 2(d) o la plaque tubulaire 13 n'est pas utilisée, cette caractéristique pouvant être appliquée particulièrement au cas o la température des gaz chauds est relativement faible, ou au niveau d'une sortie de gaz ou analogue. En outre, on prévoit pour les types de construction représen- tés sur les fig. 2(a), 2(b) et 2(c) un chapeau 7a ou 8a qui joint le tube le plus externe 7 ou 8 au tube interne 5 respectif, ce chapeau servant de joint flexible pouvant absorber effectivement une dilatation thermique éventuelle du tube externe 6 ou du tube interne 5. Par ailleurs, les fig. 2(e) et 2(e') représentent d'autres types de construc- tion o les tubes les plus externes 7 ou 8 et les chapeaux 7a ou 8a ont respectivement une forme en coupe transversale hexagonale et régulière, dans le but de les disposer étroitement les uns contre les autres, sans interstices entre eux, de manière à en loger un nombre aussi élevé que possible dans une zone déterminée. En d'autres termes, ces pièces forment avec les tubes 7c et 8c une structure en nid d'abeilles. Cette structure spécifique peut être facilement obtenue en disposant et en soudant des éléments constitu- tifs de section transversale hexagonale. Pour effectuer la liaison du tube interne 5 avec le tube externe hexagonal 7c ou 8c, on prévoit un chapeau 7d ou 8d de section transver- sale hexagonale à sa base ouverte, ce chapeau pouvant être soudé en position de manière à entourer les extrémités de ces tubes. Ces chapeaux Td, 81d servent de joints flexibles, comme les chapeaux 7a, 8a décrits avec référence aux modes de réalisation précédents. Il est également possible de disposer le matériau réfractaire et/ou les embouts tubulai- res de la même manière que dans le mode de réalisation représenté sur la fig. 2(b). Comme décrit en détail ci-dessus, il existe une variété de structures permettant la distribution et la collection de la vapeur aux pièces de jonction entre les tubes et la plaque tubulaire, et il est donc maintenant possible de combiner au choix ces variantes pour déterminer une struc- ture optimale en fonction de conditions données lors de l'établissement des plans. Il est inutile de mentionner que le type de construc- tion perfectionné de chaudière à chaleur perdue selon l'invention peut être appliqué avec satisfaction à un échangeur de chaleur général autre que la chaudière de l'application décrite ici à titre de mode de réalisation préféré. Bien que la présente invention ait été décrite en détail au moyen de modes de réalisation préférés, il est clair pour l'homme de l'art que de nombreuses modifications et variantes peuvent y être apporter sans s'écarter de l'esprit et du champ d'application de l'invention. il REVENDICATIONS 1. Chaudière à récupération de chaleur résiduelle ou chaudière à chaleur perdue, du type à doubles tubes concentriques, caractérisée en ce qu'elle comprend, en combinaison, une chambre à eau; une cham- bre à vapeur d'eau; les deux chambres étant entourées par une paire opposée de plaques tubulaires respectives; une série de tubes in- ternes s'étendant entre ladite chambre à eau et ladite chambre à vapeur d'eau et en communication avec elles; une série de tubes ex- ternes concentriques aux tubes internes et formant un interstice an- nulaire autour de ces derniers; une série de tubes plus externes concentriques aux tubes internes et aux tubes externes et formant un interstice annulaire autour de ces derniers, de manière que les zones terminales des séries de tubes internes et externes constituent des structures triples au moins sur le côté de l'alimentation en gaz chauds, et une série de chapeaux annulaires ou en forme de tores reliant respectivement de façon hermétique les extrémités de chaque série de tubes les plus externes et de chaque série de tubes inter- nes de manière à définir un interstice annulaire entre chaque série de tubes internes et chaque série de tubes externes et un interstice annulaire entre chaque série de tubes externes et chaque série de tubes les plus externes, ces interstices communiquant les uns avec les autres aux extrémités des tubes 2. Chaudière à chaleur perdue selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'il est prévu une canalisation d'en- trée et une canalisation de sortie des gaz perdus et en ce que la surface interne de la canalisation d'entrée des gaz est revêtue de matériaux isolants ou réfractaires. 3. Chaudière à chaleur perdue selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'il est prévu une série d'étais reliés rigidement aux surfaces internes opposées et respec- tives desdites plaques tubulaires de ladite chambre à eau et de ladite chambre à vapeur d'eau, et s'étendant entre elles. 4. Chaudière à chaleur perdue selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisée en ce que lesdites zones terminales des tubes de structure triple traversent complètement le revêtement réfractaire de ladite canalisation d'entrée des- gaz perdus de manière à être soumises aux gaz perdus chauds. 5. Chaudière à chaleur perdue selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites zones terminales des tubes de structure triple sont dispo- sées à l'intérieur du revêtement réfractaire de ladite canalisation d'entrée des gaz perdus et en ce qu'il est prévu une série d'embouts en communication avec lesdits tubes internes entre les dites structures triples et ladite canalisation d'entrée des gaz perdus en traversant le revêtement réfractaire de ladite canalisation d'entrée des gaz perdus. 6. Chaudière à chaleur perdue selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites zones terminales des tubes de structure triple font respec- tivement saillie immédiatement sur les plaques tubulaires externes de ladite chambre à eau et/ou de ladite chambre à vapeur d'eau. 7. Chaudière à chaleur perdue selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites zones terminales des tubes de structure à doubles tubes concentriques débouchent au niveau de la plaque tubulaire externe de ladite chambre à eau et/ou de ladite chambre à vapeur d'eau. 8. Chaudière à chaleur perdue selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que lesdits tubes externes de structure triple sont assemblés en nids d'abeilles de manière à pouvoir être disposés étroitement les uns contre les autres sans qu'il y ait d'intervalle entre eux.