Brevet FR2494424A1 — publié le 19820521

-1- La présente invention concerne un dispositif de récu- pération des chaleurs perdues pour une chaudière ou un appareil du même genre et, plus particulièrement, un dispo- sitif de récupération des chaleurs perdues qui protège les surfaces de transmission de chaleur d'un échangeur de chaleur contre la corrosion par les oxydes de soufre contenus dans le gaz d'échappement. Dans une chaudière ou un four industriel qui utilise un combustible tel qu'un fuel-oil lourd contenant du soufre, ou dans un incinérateur qui libère un oxyde de soufre Sox, on a noté un problème en ce que les surfaces de transmission de chaleur d'un échangeur thermique à eau sont corrodées par l'oxyde de soufre SQX présent dans le gaz d'échappement. La température de la surface d'un serpentin de transmission de chaleur de l'échangeur de chaleur à eau typique est légèrement plus élevée que la température de l'eau. En con- séquence, même si la température du gaz d'échappement s'écoulant dans un conduit est plus élevée que le point de rosée de l'oxyde de soufre SQX (le point de rosée peut varier suivant la teneur en soufre du gaz d'échappement, mais est d'environ 1400C), la température du gaz d'échap- pement est abaissée quand il vient en contact avec la sur- face du serpentin de transmission de chaleur. L'oxyde de soufre SO X contenu dans le gaz d'échappement se condense sur la surface du serpentin de transmission de chaleur. Comme résultat, l'oxyde de soufre SO x est transformé en acide sul- furique et corrode alors la surface du serpentin de trans- mission de chaleur. Pour éviter ce problème, on prévoit un dispositif de récupération des chaleurs perdues qui utilise la caractéris- tique de température constante d'un tuyau de chauffage qui est maintenu à la température d'un côté recevant la chaleur. Par exemple, le modèle d'utilité japonais N0 55-18641 propose un dispositif de récupération des chaleurs perdues de ce type. Toutefois, si ce dispositif est installé dans une chaudière ou un appareil du même genre ayant des -2- fluctuations de régime, la température de surface du ser- pentin de transmission de chaleur du tuyau de chauffage du côté absorbant la chaleur change en proportion d'une va- riation de la température Tg du gaz d'échappement. Avec un abaissement de la température Tg du gaz d'échappement, la température de surface Tm du serpentin de transmission de chaleur du côté absorbant la chaleur est abaissée au-dessous du point de rosée de l'oxyde de soufre SOx comme représenté sur la figure 1. En conséquence, la surface du serpentin de transmission de chaleur est corrodée par l'oxyde de soufre SOx, le serpentin se bouche et la durée de service du tuyau est dégradée. (Sur la figure 1, Tgi désigne la température à un orifice d'entrée; Tgo la température du gaz à un orifice de sortie; Two la température de l'eau à l'orifice de sortie; et Twi la température de l'eau à l'orifice d'entrée). De plus, la température Tg du gaz d'échappement devient plus basse qu'un niveau prédéterminé en raison de l'action d'absorption de chaleur du dispositif de récupé- ration des chaleurs perdues. Le problème consistant en ce que le conduit ou l'intérieur de la cheminée est corrodé par l'oxyde de soufre So x n'a toujours par été résolu. La présente invention a pour but de fournir un dispo- sitif de récupération des chaleurs perdues qui maintient constamment la température de surface d'un tuyau de chauffage d'un côté absorbant la chaleur au-dessus du point de rosée d'un oxyde de soufre SOx, même si le régime d'une chaudière ou d'un four industriel varie, et qui empêche la corrosion du tuyau de chauffage par l'oxyde de soufre. Elle a aussi pour but de fournir un dispositif de récupération des chaleurs perdues qui absorbe la chaleur en fonction de la température du gaz d'échappement et qui protège un conduit ou l'intérieur d'une cheminée contre la corrosion par l'oxyde de soufre SO X. Pour que l'on atteigne les buts ci-dessus et d'autres de la présente invention, il est prévu un dispositif de -3- récupération des chaleurs perdues afin d'empêcher la cor- rosion par les oxydes de soufre, comprenant un tuyau de chauffage qui est monté d'un côté recevant à chaleur pour recevoir la chaleur d'un gaz d'échappement à une extrémité et est monté dans une zone de chauffage de liquide à l'autre extrémité, un détecteur monté du côté absorbant la chaleur du tuyau de chauffage pour détecter la température de ce tuyau de chauffage, un moyen de réglage de débit pour régler le débit du liquide introduit dans la zone de chauf- fage de liquide en réponse à un signal différentiel entre un signal de sortie du détecteur de température et un signal représentant le point de rosée de l'oxyde de soufre, et un moyen de déchargement de liquide pour régler le niveau du liquide dans la zone de chauffage de liquide d'une manière correspondant au débit du liquide introduit. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: La figure 1 est un graphique pour expliquer les relations entre le régime de la chaudière, la température du gaz d'échappement de combustion, la température de sur- face d'un tuyau de chauffage du côté chauffage et la tem- pérature de l'eau. La figure 2 est un schéma d'un appareil pour chauffage de l'eau qui utilise un dispositif de récupération des chaleurs perdues selon la présente invention. La figure 3 est une vue en perspective d'un mode de réalisation du dispositif de récupération des chaleurs perdues selon la présente invention. La figure 4 est un graphique pour expliquer les relations entre le régime de la chaudière, la température du gaz d'échappement, la température de surface du tuyau de chauffage du côté absorbant la chaleur et la température de l'eau, dans le dispositif de récupération des chaleurs perdues selon la présente invention. La figure 5 montre la forme d'orifices selon d'autres modes de réalisation de la présente invention. -4- La figure 2 est un schéma d'un appareil pour chauffage de l'eau utilisant un dispositif de récupération des chaleurs perdues selon la présente invention. Un dispositif de récupération des chaleurs perdues désigné par la référence 1 est constitué d'une zone 2 recevant la chaleur qui reçoit l'énergie calorifique d'un gaz d'échappement et d'une zone 3 de chauffage de l'eau qui fait partie d'un conduit amenant l'eau à une chaudière. Le dispositif 1 de récupération des chaleurs perdues comprend aussi une cloison 4 qui-sépare la zone 2 recevant la chaleur de la zone 3 de chauffage de l'eau et qui est formée d'un métal résistant à la corrosion comme l'acier inoxydable. Un certain nombre de tuyaux de chauffage 5 sont solidement fixés à la cloison 4 et ont une partie absorbant la chaleur dans la zone 2 recevant la chaleur et une partie rayonnant la chaleur dans la zone 3 de chauffage de l'eau. Le dispositif 1 de récupération des chaleurs perdues est disposé sur le trajet d'un conduit d'évacuation 7 entre une chaudière 6 et une cheminée 8. Un réservoir d'équilibrage 9 fournit de l'eau à la chaudière 6 par l'intermédiaire d'une pompe à eau 10. Entre le réservoir d'équilibrage 9 et la zone 3 de chauffage de l'eau, sont disposés un tuyau 12 d'alimentation en eau qui conduit de l'eau du réservoir d'équilibrage 9 à la zone 3 de chauffage de l'eau grâce à une pompe de circulation 11, et un tuyau 13 d'évacuation d'eau qui conduit de l'eau de la zone 3 de chauffage de l'eau au réservoir d'équilibrage 9. Le tuyau 12 d'alimen- tation en eau est pourvu d'une valve 14 de réglage du débit qui agit en réponse à un signal de sortie d'un détecteur de température 15 monté sur la surface du tuyau de chauffage 5. De plus, de l'eau est amenée d'un réservoir 16 d'alimen- tation en eau au réservoir d'équilibrage 9 par une pompe auxiliaire d'alimentation en eau 17, en fonction du niveau de l'eau dans le réservoir d'équilibrage 9. Un trou de purge peut être formé sous la zone 3 de chauffage de l'eau pour introduire de la vapeur d'eau -5- provenant de la chaudière 6, qui sera condensée dans le canal du côté chargement. Cette purge à température élevée peut être utilisée pour préchauffer de l'eau pour la zone 3 de chauffage de l'eau, suivant le besoin, mais cette structure n'est pas en relation directe avec la présente invention. La figure 3 est une vue en perspective illustrant en détail la zone 3 de chauffage de l'eau selon un mode de réalisation de la présente invention. Un écran 18 est disposé du côté sortie de la zone 3 de chauffage de l'eau et comporte un certain nombre de trous 19 dans une dispo- sition prédéterminée dans la direction de la hauteur de manière à maintenir le niveau de l'eau dans la zone 3 de chauffage de l'eau en correspondance avec le débit d'eau à introduire. Le débit d'eau dQ à décharger par un trou 19 au-dessous du niveau de l'eau est donné par la relation suivante: dQ = C.Wd2/4. /2gi... (1) dans laquelle h est la hauteur d'eau dans la zone 3 de chauffage de l'eau, d est le diamètre du trou 19, C est le coefficient de contraction et g est l'accélération de la pesanteur. Le diamètre des trous 19 et le nombre de ces trous à chacune des hauteurs sont déterminés à l'avance de manière que le débit total de l'eau à décharger soit égal au débit d'eau Q à introduire à partir du tuyau 12 d'ali- mentation en eau. De plus, un réservoir 20 pour recevoir l'eau en excès est disposé à la partie inférieure du côté sortie de l'eau de l'écran 18. De cette manière, une action de régulation est assurée pour conserver l'eau en excès 3U déchargée temporairement par les trous 19 quand le débit d'eau à introduire est réduit. Un écran 21 qui est un filet métallique ou un panneau perforé est monté à l'in- térieur de la zone 3 de chauffage de l'eau au voisinage du raccord avec le tuyau 12 d'alimentation en eau. L'écran 21 assure une admission constante de l'eau dans la zone 3 de chauffage de l'eau et l'eau vient en contact avec les -6- tuyaux de chauffage respectifs 5. Le détecteur de température 15 décrit ci-dessus qui est constitué par un élément résistant est fixé sur la surface du tuyau de chauffage 5 à un orifice de sortie de gaz du côté entrée d'eau de la zone 2 recevant la chaleur, c'est-à-dire à l'endroit o la température de surface du tuyau de chauffage 5 devient la plus basse. Un signal de sortie du détecteur de température 15 est introduit dans un comparateur 23 par l'intermédiaire d'un amplificateur 22. Ce signal est comparé par le comparateur 23 à un signal de sortie venant d'un circuit 24 de réglage de température. La valve 14 de réglage du débit est commandée en réponse à un signal différentiel fourni par le comparateur 23. Un rebord 25 pour le montage d'un couvercle est prévu sur la partie supérieure du dispositif 1 de récupération des chaleurs perdues. De plus, un rebord 26 pour le montage de la zone 2 recevant la chaleur sur le conduit d'évacuation 7 est prévu. Le fonctionnement du dispositif selon la présente invention va maintenant être décrit avec référence aux figures 3 et 4. Quand la chaudière 6 fonctionne sensi- blement à sa capacité nominale, la valve 14 de réglage du débit est complètement ouverte et l'eau est introduite jusqu'au plus haut niveau de la zone 3 de chauffage de l'eau, car la température du gaz d'échappement de com- bustion est suffisamment élevée. De cette manière, même si un échange maximal de chaleur est effectué, la température de surface Tm du tuyau de chauffage 5 du côté absorbant la chaleur est maintenue au-dessus du point de rosée de l'oxyde de soufre SOx. Quand le régime de la chaudière est réduit, par exemple à moins de 70 % lors d'un fonctionnement de nuit, la température de suiXfaceTm du tuyau de chauffage 5 du côté absorbant la chaleur est abaissée comme conséquence d'un abaissement de la température Tg du gaz d'échappement. 2494424' -7- La température Tm est transformée en un signal électrique par le détecteur de température 15, et le signal est amplifié et introduit dans le comparateur 23. Une tempéra- ture critique à déterminer par un fuel-oil lourd, c'est-à- dire le point de rosée (généralement 140 à 150'C) est placée à l'avance dans le circuit 24 de réglage de la tem- pérature. Un signal électrique correspondant à la tempéra- ture de réglage est introduit dans le comparateur 23. Le comparateur 23 compare le signal électrique provenant du détecteur de température 15 et un signal électrique pro- venant du circuit 24 de réglage de la température. Quand la température de surface Tm du tuyau de chauffage 5 devient plus basse que la température de réglage, le comparateur 23 produit un signal pour ajuster la valve 14 de réglage du débit. Comme résultat, le débit de l'eau introduite dans la zone 3 de chauffage de l'eau est réduit, et de l'eau est déchargée à travers l'écran comportant les trous 19, jusqu'à ce qu'un nouveau niveau d'équilibre soit atteint. Quand ce niveau est atteint, le débit d'eau à introduire devient égal au débit d'eau à évacuer. En conséquence, le débit d'eau à l'intérieur de la zone 3 de chauffage de l'eau est maintenu constant en raison de l'action correctrice de l'écran 21 et des trous 19 de l'écran 18. La surface des tuyaux de chauffage 5 qui est utilisée pour échange de chaleur avec l'eau est réduite seulement du côté rayon- nement de chaleur. Avec cette réduction, l'absorption de chaleur est réduite aussi. De cette manière, la température de surface Tm du tuyau de chauffage 5 est maintenue au- dessus de la température critique, et en même temps la température Tg du gaz d'échappement n'est pas abaissée beaucoup. Quand la température de surface Tm du tuyau de chauffage 5 est maintenue au-dessus du point de rosée de l'oxyde de soufre SOx, la température Tg du gaz d'échap- pement passant à travers la zone 2 recevant la chaleur est maintenue aussi au-dessus du point de rosée de l'oxyde de -8- soufre SOx. Même si la température du gaz d'échappement est légèrement abaissée lors du passage dans le conduit d'éva- cuation 7 et la cheminée 8, l'oxyde de soufre SOX ne se condense pas sur la surface intérieure du conduit d'éva- cuation 7 et de la cheminée 8. Quand la température Tg du gaz d'échappement s'élève, la température de surface Tm du tuyau de chauffage 5 s'élève aussi. Ensuite, quand le débit d'eau à introduire augmente et quand le débit d'eau à décharger dépasse temporairement la capacité du tuyau 13 d'évacuation de l'eau, l'eau en excès 20 est recueillie dans le réservoir 20 prévu pour recevoir l'eau en excès qui est disposé-à la partie infé- rieure de l'écran 18 du côté sortie d'eau. Quand un niveau d'équilibre est alors atteint, le débit d'eau à introduire devient égal au débit d'eau à décharger. En conséquence, le débit d'eau à l'intérieur de la zone 3 de chauffage de l'eau est maintenu constant. La figure 5 représente différents arrangements des orifices selon d'autres modes de réalisation de la présente invention. Sur la figure 5(a) , l'arrangement est tel que le nombre n de trous pour chaque étage i est choisi en fonction de la hauteur de manière que le débit Q de l'eau soit en relation linéaire avec la hauteur h de l'eau. Le débit total Q d'eau à décharger est donné par la relation suivante: h fd2. - Q = E 4ld Cni v2g.hi... (2) i=l h = K E ni {hi i=l o K = Ig D'après la relation (2), ci-dessus, le nombre n de trous dans chaque étage i et le diamètre d des trous 19 sont déterminés de manière que le débit Q d'eau à décharger et la hauteur h du niveau de l'eau présentent une relation linéaire. -9- Si la vitesse V de l'eau à l'intérieur de la zone 3 de chauffage de l'eau est de 30 mm/s et le diamètre d du trou 19 est égal à 10 mm, on obtient les résultats indiqués ci-dessous: Hauteur (h) du Nombre de niveau d'eau, mm trous (n) 700 1 600 2 500 2 400 2 300 2 2 2 2 25 3 Sur la figure 5b), les orifices dans un autre mode de réalisation de la présente invention sont constitués par un certain nombre de fentes 27. L'eau est emmagasinée jusqu'à une hauteur 6 à partir du fond de la zone 3 de chauffage de l'eau de manière que l'eau qui vient en contact avec les tuyaux de chauffage 5 ne soit pas complètement évaporée. Sur la figure 5(c), un orifice est prévu de manière que le débit Q d'eau à introduire soit en relation linéaire avec le niveau de l'eau selon un autre mode de réalisation de la présente invention. Cet orifice est une fente 28 qui est appelée une "ouverture proportionnelle". La forme de l'orifice est choisie de manière à satisfaire à la relation suivante: 2b=-tan 2b 2bo tan Â h-a o 2b est la largeur de la partie supérieure, bo est la largeur de la partie inférieure et a est la hauteur de la zone rectangulaire. -10- REVENDICATIONS 1. Dispositif de récupération des chaleurs perdues pour empêcher la corrosion par les oxydes de soufre, carac- térisé en ce qu'il comprend un tuyau de chauffage qui est monté d'un côté recevant la chaleur pour recevoir la chaleur d'un gaz d'échappement à une extrémité et est monté dans une zone de chauffage de liquide pour chauffer un liquide introduit à l'autre extrémité, un détecteur monté du côté absorbant la chaleur du tuyau de chauffage pour dé- tecter la température de ce tuyau de chauffage, un moyen de réglage de débit pour régler le débit du liquide introduit dans la zone de chauffage de liquide en réponse à un signal différentiel entre un signal de sortie du détecteur de tem- pérature et un signal représentant le point de rosée de l'oxyde de soufre et un moyen de déchargement de liquide pour régler le niveau du liquide dans la zone de chauffage de liquide d'une manière correspondant au débit du liquide introduit. 2. Dispositif selon la revendication l, caractérisé en ce qu'un élément correcteur dans lequel un certain nombre de trous sont formés est prévu pour corriger l'introduction du liquide dans la zone de chauffage de liquide du côté alimentation en liquide de cette zone. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de déchargement de liquide comporte un écran présentant un trou de déchargement, cet écran fermant le côté déchargement de liquide de la zone de chauffage de- liquide, le trou de déchargement ayant une forme telle que le débit de liquide à introduire soit en relation linéaire avec le débit de liquide à décharger. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un réservoir est prévu pour l'eau en excès déchargée temporairement à l'extrémité sortie de liquide du moyen de déchargement de liquide de la zone de chauffage de liquide.