Brevet FR2476294A1 — publié le 19810821

La présente invention concerne un échangeur de chaleur gaz-liquide du type compact, qui peut être installé dans la cheminée d'évacuation des gaz chauds émis par un four de traitement thermique. En particulier, l'invention se rapporte à un échangeur de chaleur qui peut être utilisé pour la production d'eau chaude ou surchauffée via le refroidissement des gaz d'échappement émis par un four de traitement thermique, du type comprenant un élément tubulaire interne destiné au passage des gaz et un élément tubulaire externe entourant coaxialement l'élément tubulaire interne, de manière à définir une chambre annulaire. Les échangeurs de chaleur eau-gaz chaud qui ont été utilisés jusqu'ici se distinguent généralement par des faisceaux de tubes, lisses ou à ailettes, conduisant quelquefois à des plaques de collecteurs> et impliquant, à la fois du côté gaz chaud et du côté eau, des pertes de pression qui sont loin d'être négligeables. De plus, il sont si emcombrants que l'on ne tend pas naturellement à les installer facilement sur un four de traitement thermique du type "continu" ou "en forme de cloche", lequel, aussi modeste qu'il soit, n'utilise pas moins de 14 à 20 cheminées pour l'émission des gaz chauds. Si l'on considère le fait qu'une température de tra- vail élevée dans l'échangeur de chaleur et, par conséquent, dans ce cas, une forte augmentation de la température entre les fluides concernés, rend possible en général de réduire la surface d'échange, les particularités des échangeurs connus du type indiqué ci-dessus ont jusqu'ici conduit au choix de matériaux réfractaires ou spéciaux pour leur construction. En vérité, il est nécessaire d'obtenir un haut degré de fiabilité pour l'échangeur de chaleur, puisque toute avarie entraîne, dans certainscas, d'importantes pertes productives. Un des problèmes que l'invention permet de traiter est celui de la réalisation d'un échangeur de chaleur qui ne nécessite pas l'utilisation de matériaux présentant des caractéristiques parti- culières de résistance aux contraintes thermiques, comme par exemple les aciers alliés. Ces matériaux, en dehors du fait que, dans certains cas, ils ont des caractéristiques qui rend le traitement moins écono- mique, conduit à la production d'échangeurs de chaleur qui, pour un même rendement thermique, sont plus encombrants et ont des pertes de pression plus importantes à la fois du c8té gaz chaud et du côté eau. En termes conceptuels, l'élément tubulaire interne a des dimensions s'appuyant sur les normes de calcul courantes (par exemple les normes ASME), traitées comme s'il s'agissait d'un simple cylindre soumis à une pression de l'extérieur vers l'intérieur. L'élément tubulaire externe est de même considéré comme soumis à des contraintes de l'intérieur vers l'extérieur. Le but de l'invention est de proposer un échangeur de chaleur gaz-liquide du type précisé ci-dessus, qui comporte, d'une part, une surface d'échange efficace et qui, d'autre part, est com- pact et moins encombrant, les pertes de pression étant presque nulles du côté du gaz chaud et étant réduites à des niveaux bas du côté de l'eau. Un autre but de l'invention est de proposer un échan- geur de chaleur gaz-liquide du type précisé ci-dessus qui est simple et économique à construire, du fait de l'emploi d'un matériau de faible coGt (par exemple de l'acier au carbone). Un autre but de l'invention est de proposer un échan- geur de chaleur gaz-liquide du type précisé ci-dessus, qui peut s'ajuster directement sur les cheminées de fours de traitement ther- mique sans modification de leur structure préexistante et, en par- ticulier, sans augmentation de la place occupée par la cheminée pour l'évacuation des gaz chauds. L'élément tubulaire interne de l'échan- geur de chaleur peut en fait être utilisé comme une section de la cheminée d'évacuation des gaz, tandis que la chambre annulaire déli- mitée par l'élément tubulaire externe, et dans laquelle circule de l'eau, amène une légère augmentation de la place occupée par la cheminée. Pour réaliser les buts énoncés ci-dessus, l'invention propose un échangeur de chaleur gaz-liquide du type précisé ci-dessus, qui se distingue par la combinaison suivante de traits caractéris- tiques: a) la chambre annulaire est destinée à être traversée,par le fluide à échauffera contre-courant du flux des gaz dans l'élément tubulaire interne, b) 'élement tubulaire interne est doté à sa surface externe et à sa surface interne de plusieurs ailettes radiales, angulairement équidistantes les unes des autres, qui s'étendent chacune parallè- lement à l'élément tubulaire interne sur une partie notable de la longueur de celui-ci, c) chaque ailette radiale présente une hauteur radiale qui diminue linéairement dans le sens opposé à celui de l'écoulement du fluide destiné à venir en contact avec l'ailette. Dans l'échangeur de chaleur selon l'invention, on choisit la variation de hauteur radiale de chaque ailette suivant l'axe de l'échangeur de manière à produire une surface d'échange optimale permettant d'atteindre un coefficient global prédéterminé de tranfert de chaleur entre gaz et liquide. De cette manière, un échange de chaleur suffisant est assuré en correspondance avec la paroi de l'élément tubulaire, dans le même temps qu'il est satisfait à la nécessité de maintenir l'exten- sion radiale de l'ailette aussi petite que possible, les deux der- nières étant relativement minces et par conséquent susceptibles d'être endommagées par une surchauffe due au contact avec le fluide chaud. Il est tenu compte du fait que le transfert de chaleur se produit par convection et, dans une mesure notable, également par rayonnement, du fait des hautes températures des gaz passant dans le tube interne qui sert de cheminée d'évacuation des gaz. Si l'on désigne par dL une partie de la longueur du tube, par dq la quantité de chaleur transférée en correspondance avec cette partie, par aL le coefficient de transmission par unité de longueur (kcal/mh'C), et par ht l'augmentation moyenne de la tem- pérature, la relation suivante s'applique dg = f dL al, At d Un autre avantage de l'échangeur de chaleur de l'inven- tion réside dans le fait que, puisque la formation de tourbillons n'est pas favorisée, aussi bien dans le gaz d'échauffement que dans le fluide échauffé, les pertes de pression du côté du gaz sont presque nulles et les pertes de pression du c6té de l'eau sont très limitées. La description suivante, conçue à titre d'illustration de L'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une vue latérale d'un échangeur de chaleur selon l'invention la figure 2 est une vue en coupe prise suivant la ligne II-II de la figure 1; et la figure 3 est une vue en coupe prise suivant la ligne III-III de la figure 2. L'échangeur de chaleur selon l'invention comprend un élément tubulaire interne 1 destiné à être traversé, dans le sens de la flèche A de la figure 2, par les gaz d'échappement qui sont émis par un four de traitement thermique. Un élément tubulaire externe 3 entoure coaxialement l'élément tubulaire interne 1 de façon à définir une chambre annu- laire 4 délimitée au niveau de ses extrémités par deux éléments annulaires 5 qui sont fixés par soudage à la surface interne de l'élément tubulaire 3 et à la surface externe de l'élément tubulaire 1. La chambre annulaire 4 est destinée à être traversée par un courant d'eau dans le sens opposé du flux de gaz d'échappement à l'intérieur de l'élément tubulaire 1. Les références 6 et 7 désignent respecti- vement les raccordements du courant d'eau entrant dans la chambre annulaire 4 et en sortant, chaque raccordement étant doté d'une bride de raccordement annulaire 8. Plusieurs ailettes radiales 9 et 10 sont respective- ment fixées par soudage à la surface externe et à la surface interne de l'élément tubulaire interne 1. Les ailettes 9 et 10 sont angulai- rement équidistantes les unes des autres. De plus, chacune des ailettes 9 faisant saillie de la surface externe de l'élément tubu- laire 1 est dans une position angulaire intermédiaire de celles de deux ailettes 10 qui lui sont adjacentes, les ailettes 10 faisant saillie de la surface interne de l'élément tubulaire 1. Les ailettes radiales 9 et les ailettes radiales 10 s'étendent toute deux parallèlement à l'axe de l'élément tubulaire 1 sur une partie notable de la longueur de ce dernier. Chacune des ailettes radiales présente en outre une hauteur radiale diminuant linairement dans le sens opposé à celui de l'écoulement du fluide destiné à venir en contact avec l'ailette. Ceci signifie que les ailettes radiales 9 faisant saillie de la surface externe de l'élément tubulaire 1 ont une hauteur qui diminue de l'extrémité adjacente au raccord de sortie 7 vers l'extrémité opposée adjacente au raccord 8 d'entrée d'eau dans l'échangeur de chaleur, tandis que les ailettes radiales 10 faisant saillie de la surface interne de l'élément tubulaire 1 ont une hauteur qui diminue à partir de l'extrémité adjacente à l'extrémité de l'élément tubu- laire 1 servant à la sortie des gaz d'échappement hors de l'échan- geur de chaleur (c'est-à-dire l'extrémité située sur la gauche de la figure 2) vers l'extrémité opposée. De cette manière, chacune des ailettes radiales 10 présente, en correspondance avec l'entrée des gaz d'échappement dans l'échangeur de chaleur, c'est-à-dire en correspondance avec la zone de plus haute température pendant le fonctionnement, une hauteur réduite: ceci est destiné à permettre d'éviter une surchauffe et, par conséquent, un endommagement par effet de contact avec le gaz à haute température. De même, la hauteur dans le sens radial de chaque ailette 9 est plus petite au voisinage du raccord d'entrée 6, o la température de l'eau pendant le fonctionnement est plus élevée. La hauteur radiale de chacune des ailettes 9 et 10 en correspondance avec une section transversale d'ensemble de l'échan- geur de chaleur est choisie de manière à satisfaire un compromis entre la nécessité d'obtenir une surface d'échange suffisante et la nécessité d'empêcher l'ailette d'être soumise au risque de surchauffe et d'endommagement. Sur la figure 2, la référence 11 désigne un robinet permettant de vider l'eau qui peut éventuellement séjourner au fond de la chambre annulaire 4. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'ima- giner, à partir de l'échangeur de chaleur dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'in- vention. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Echangeur de chaleur gaz-liquide particulièrement destiné à la production d'eau chaude ou surchauffée par le moyen de gaz d'échappement émis par un four de traitement thermique, com- prenant un élément tubulaire interne destiné au passage des gaz et un élément tubulaire externe entourant coaxialement l'élément tubu- laire interne de manière à définir une chambre annulaire, l'échangeur étant caractérisé par la combinaison suivante: a) la chambre annulaire (4) est destinée à être traversée par le liquide à échauffer à contre-courant du ilux des gaz dans l'élément tubulaire interne (1), b) l'élément tubulaire interne (1) est doté à sa surface extérieure et à sa surface intérieure de plusieurs ailettes radiales (9, 10) angulairement équidistantes les unes des autres, qui s'étendent chacune parallèlement à l'axe de l'élément tubulaire interne (1) sur une partie notable de la longueur de celui-ci, c) chaque ailette radiale a une hauteur radiale qui diminue linéaire- ment dans le sens opposé de celui de l'écoulement du fluide destiné à venir en contact avec l'ailette. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que chacune des ailettes radiales (9) qui font saillie de la surface externe de l'élément tubulaire interne (1) est disposée à une position angulaire qui est intermédiaire entre les positions angulaires des deux ailettes radiales (10) qui lui sont adjacentes, et qui font saillie de la surface interne de l'élément tubulaire interne (1).