Brevet FR2491941A1 — publié le 19820416

-1 -249 La présente invention concerne une masse accumulatrice de chaleur pour échange thermique régénératif entre milieux fluides Les masses accumulatrices ou transmettrices de chaleur pour régénérateurs, actuellement connues, sont princi- palement des substances homogènes ou micro-hétérogènes. Les matières utilisées à cette fin sont les métaux, leurs alliages, les masses céramiques et les matériaux frittés. En ce qui concerne les propriétés physiques, chimiques, et technologiques essentielles pour des masses accumulatrices de chaleur, telles que la capa- cité thermique spécifique, la conductibilité thermique, la résistance à la température et aux changements de température, la résistance à la corrosion, la passivi- té chimique et les possibilités d'épuration impeccable, ces masses connues obligent souvent à des compromis décisifs Les masses connues ont, par exemple, une capacité thermique assez réduite obligeant à mettre en oeuvre des quantités importantes de ces masses en vue de grands rendements. En principe, il est possible d'é- lever la capacité thermique en entourant des matières à forte capacité accumulatrice de chaleur avec les matières précitées, comme il est d'usage par exemple pour les accumulateurs de chaleur latente. S:ais, lorsqu'on utilise des paraffines, des hydrates salins, etc., la mauvaise conductibilité thermique de ces substances diminue considérablement la transmission de chaleur. L'emploi de la chaleur de fusion des métaux, tels que le sodium, exige une technique com- plexe, inséparable d'appareillages compliqués. -2- Les accumulateurs de chaleur à base métallique engen- drent souvent des problèmes de corrosion-. Si, pour cette raison, on en vient à l'emploi de métaux ou de matières céramiques stratifiés on doit tenir compte de leur faible conductibilité thermique. Les masses connues ont souvent tendance, en particulier lorsqu' elles sont utilisées dans des gaz agressifs ou char- gés de poussiers et en particulier au voisinage ou en cas de dépassement du point de rosée, à produire des incrustations pouvant handicaper considérablement leur efficacité et leur durée de service. Le but de la présente invention est de réaliser une masse accumulatrice transmettrice de chaleur possé- dant une capacité thermique et une résistance à la corrosion plus élevées que celles des messes connues et pouvant être nettoyée sans appareillage compliqué du fait de ses propriétés de surface9 de façon à per- mettre un échange thermique intensif et impeccable Ce but est atteint, conformément à l'invention, en constituant la masse accumulatrice de chaleur de deux matières différentes contribuant chacune, du fait de leurs propriétés différentes, à améliorer les diverses propriétés précitées des masses accumulatrices de cha- leur. C'est ainsi qu'on choisira, comme première ma- tière, une substance ou un mélange de substances pos- sédant une capacité thermique élevée et/ou accomplis- sant un ou plusieurs changements de phase dans la gamme de température envisagée et/ou susceptible d'ê- tre le siège d'une réaction chimique réversible; tandis que la seconde matière, destinée à constituer -3 - une charpente ou un support, sera choisie au mieux de ses propriétés mécaniques, de sa résistance à la cor- rosion, de sa conductibilité thermique et de ses qua- lités de surface. Dans chaque cas, l'apposition d'une ou de plusieurs autres matières pourra accentuer l'a- mélioration d'une ou de plusieurs de ces propriétés La disposition spatiale respective des deux matières constituant la masse accumulatrice a une importance décisive pour l'obtention du résultat recherché. La seconde matière (ou matière porteuse) aura par ex- emple, conformément à l'invention, une structure mul- ticellulaire ou alvéolaire, donc entourant un plus grand nombre de cavités isolées ou communicantes qui seront remplies de la première matière, principale- ment accumulatrice de chaleur. En cas de structure spongieuse, les cavités seront closes, par rapport à l'extérieur, par l'application d'une couche de la première matière porteuse ou d'une autre matière. Si l'on prend comme première matière (accumulatrice de chaleur) une matière accumulatrice latente et que l'on utilise la masse accumulatrice de chaleur selon l'invention dans le rotor d'un échangeur de chaleur Ljungstrâm, on obtiendra des avantages sensibles par rapport à l'état actuel de la technique. D'une part la masse du rotor sera réduite pour un rendement de transmission thermique inchangé (cf. l'exemple chif- fré exposé plus loin), et d'autre part la matière accumulatrice latente assurera un niveau de tempéra- ture presque constant dans l'ensemble de l'échangeur de chaleur. Les effets de la dilatation thermique dés aux variations de température se produisant ha- -4- bituellement et les problèmes d'étanchéité qui en découlent seront ainsi éliminés dans une grande me- sure. L'invention est décrite ci-après en détail en se ré- férant à quelques exemples préférés, non limitatifs, de réalisation représentés sur les dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 est une vue perspective, en coupe, d'u- ne masse accumulatrice de chaleur selon l'invention dans laquelle les cavités ménagées dans la matière porteuse (2) et remplies de matière accumulatrice (1) sont de formes différentes et isolées les unes des autres; - la figure 2 est une vue semblable à celle de la fi- gure 1 dans laquelle les carités, disposées de fa- çon multicellulaire, communiquent ensemble, au moins partiellement; - la figure 3 est une vue semblable aux vues précéden- tes montrant divers exemples de structures réguliè- res possibles de la masse accumulatrice de chaleur; - les figures 4 et 5 sont des vues perspectives mon- trant deux formes de réalisation de la masse accu- mulatrice de chaleur, respectivement sous forme de plaque ondulée, telle que destinée à un échangeur de chaleur Ljungstrbm, et de sphère creuse pour é- changeur de chaleur à couche tourbillonnante; et - les figures 6 et 7 sont des vues perspectives d'un échangeur de chaleur rotatif sectorisé servant à illustrer les exemples chiffrés d'application. de l'invention. -5 - Exemple Chiffré Comparaison entre un échangeur de chaleur rotatif en acier et des échangeurs de chaleur rotatifs compor- tant deux sortes de masse accumulatrice de chaleur selon l'invention. Données de base Courants gazeux Température des tHi = Température des tH2 = Température des tK1 = tKi Température des tK2 : V = 950.000 m3/h (humide en état normal) gaz chauds, entrée:) 1302C gaz chauds, sortie:) 932C gaz froids, entrée:) 43QC0 ) gaz froids, sortie:) QC) 802C Densité du gaz: F = 1,3 Chaleur spécifique du gaz: Ecoulement thermique: kg/m3 (humide en C = 1 kJ/kg P àt = 3720 At = 3720 état normal) Q = V. p. C.At = 45.695 MJ/h pVitesse de rotation du rotor: = 1 tr/mn Vitesse de rotation du rotor: n = 1,5 tr/mn a) Masse accumulatrice du rotor en acier Différence moyenne de température du rotor entre le côté gaz chaud et le c8té gaz froid: tR = tRH - tR = 10C (cf. figure 6) Chaleur spécifique de l'acier: 0,5 kJ/kg. K Masse du rotor: Q m1 = -- 60. n. C. ATR P R = 101.544 kg -6- b) masse accumulatrice du rotor faiteà'une masse accu- mulatrice de chaleur selon l'invention. composée de 40% en poids d'une matière synthétique fluorée (matière 2) et de 60% en poids d'un fluide (ma=- tière 1) Différence moyenne de température du rotor entre le c8té gaz chaud et le coté gaz froid. T R = 1020 (cf. figure 6) Chaleur spécifique de la matière synthétique: CpK = 1,1 kJ/kg. K - Chaleur spécifique du fluide: C = 2,2 kJ/kg v K Chaleur spécifique moyenne de la masse totale p = 0,4. C + 0,6 0C = 176 kJ/kg.K p pK C pF Masse du rotor: m2^ = 28.848 kg 60. n. C. tR p R o) Masse accumulatrice du rotor faite d'une masse accumulatrice de chaleur selon l'invention, com- posée de 40% en poids d'une matière synthétique fluorée (matière 2) et de 60% en poids d'une masse accumulatrice latente (matière 1). On admet, pour la masse accumulatrice latente, un passage de phase solide en liquide de chaleur spé- cifique de fusion de L HS = 200 kJ/kg. Des masses accumulatrices latentes différentes, de températures de fusion différentes, sont uti- lisées dans trois plans différents du rotor ts1 = 1052C ts2 = 8620C; S3 6 -7 - Différence moyenne de température du rotor entre le ctté gaz chaud et le coté gaz froid: t = t = -t =t - = lgc r t = t RH1 RX1 = tRH2-tRK2 = tRH3 tRK3 (cf. figure 7). On tient compte exclusivement de l'accumulation de chaleur pendant le changement de phase de la matière accumulatrice (1). On suppose, à cet effet, que 80% seulement de cette matière se solidifiera ou fondra % = 0,8. Masse du rotor: 0,6. m3 = = 3.173 kg n. s À ' 60 m3 = 5.289 kg. Les exemples chiffrés montrent que l'emploi d'une masse accumulatrice de chaleur selon l'invention per- met d'obtenir une réduction notable de la masse du rotor d'un échangeur de chaleur rotatif. Dans le cas de l'exemple c (figure 7), on retire un avantage sup- plémentaire appréciable du fait de la faible diffé- rence moyenne de température, d'environ 1QC, entre le ctté gaz chaud et le c8té gaz froid. La différence de température plus forte entre le gaz et la masse accumulatrice du rotor, qui en résulte, permet, pour un rendement inchangé, une réduction sensible de la surface échangeuse nécessaire du fait que la surface nécessaire F est, pour un écoulement thermique cons- tant, inversement proportionnelle à la différence de température. Une augmentation de 20 à 252C de la différence de température entre le gaz et la masse accumulatrice du rotor abaisse donc de 20% la surface nécessaire. -8 - REVENDICATIONS 1. Masse accumulatrice de chaleur composée d'au moins deux matières, caractérisée en ce que la capacité d'accumulation thermique de la masse totale repose principalement sur la capacité d'accumulation ther- mique de la première matière (matière 1) déposée dans des cavités ou pores, régulièrement ou statis- tiquement répartis, de l matière porteuse (matière 2). 2. Masse accumulatrice de chaleur selon la Revendica- tion 1, caractérisée en ce que la matière porteuse (2) est faite d'un métériau résistant aux tempéra- tures élevées, tel qu'une masse céramique ou un matériau fritté. 3. Masse accumulatrice de chaleur selon la Revendica- tion 1, caractérisée en ce que la matière porteuse (2) est faite d'un métal ou d'un alliage, stratifié ou non stratifié 4. Masse accumulatrice de chaleur selon la Revendica- tion 1, caractérisée en ce que la matière porteuse (2) est faite d'une matière synthétique dans laquel- le peut être déposé un métal et/ou du graphite et/ou un autre matériau approprié, en vue d'augmenter sa conductibilité thermique et/ou d'améliorer sa sta- bilité mécanique et thermique. -9 5. Masse accumulatrice de chaleur selon une ou plu- sieurs des Revendications 1, 2, 3 ou 4, caracté- risée en ce que les cavités ou pores, entourés de la matière porteuse (2) sont remplis totalement ou partiellement d'une matière accumulatrice de cha- leur (1) dont la capacité d'accumulation thermique est basée, entre autres, sur un changement de phase et/ou une réaction chimique. 6. Masse accumulatrice de chaleur selon une ou plu- sieurs des Revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, carac- térisée en ce que la matière accumulatrice de cha- leur (1) est faite d'un mélange de plusieurs com- posants 7. Masse accumulatrice de chaleur selon une ou plu- sieurs des Revendications À, 2, 3, 4, 5 ou 6, ca- ractérisée en ce que les cavités renfermées dans la matière porteuse (2) sont remplies totalement ou partiellement de matériaux accumulateurs de chaleur différents (la, b, c,...) 8. Masse accumulatrice de chaleur selon une ou plu- sieurs des Revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisée en ce que la masse accumulatrice de chaleur est employée sous forme de corps creux totalement ou partiellement remplis ou vides pour la transmission de chaleur, ledit remplissage pou- vant être constitué par la matière (1) ou par une autre matière. - 10 - 9.Masse accumulatrice de chaleur selon une ou plu- sieurs des Revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisée en ce que la masse aocumulatrice de chaleur est employée sous forme morcelée telle que des sphères, des cylindres, des ellipsoïdes, ou autres formes semblables, pour la transmission de chaleur. -