Brevet FR2498745A1 — publié le 19820730

La présente invention concerne la thermique et a notamment pour objet un échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur conforme à l'invention peut être utilisé avesuccès dans les industries énergétique, chimique, pétrochimique, alimentaire et dans d'autres branches de l'industrie,pour le chauffage et le refroidissement d'eau, de vapeur, de gaz, ainsi qu'en qualité de réchauffeur de l'air des fours industriels en particulier des cubilots à air chaud. A l'heure actuelle, on emploie dans l'industrie, de plus en plus largement, la chaleur des gaz d'échappement, ce qui permet de réduire la consommation de combustible devenant chaque année plus difficile à se procurer. Au cours de la fusion du métal et des minéraux dans les cubilots fonctionnant au combustible solide ou gazeux, les produits d'échappement provenant de la combustion contiennent des gaz combustibles et une chaleur physique. Lors de la postcombustion de ces gaz, on obtient une température de l'ordre de 10000 C. C'est pourquoi il est rationnel de monter sur les tubes du cubilot des réchauffeurs d'air permmettant d'utiliser la chaleur des gaz de sortie pour le chauffage de l'air amené dans l'appareil de fusion pour la combustion du combustible. Ceci permet non seulement d'économiser du combustible,mais d'augmenter aussi la température de la matière fondue, de créer une température moins oxydante dans le four et d'accroitre le rendement de l'appareil de fusion. OnFerd beaucoup de chaleur dans les fours de séchage, de chauffage, thermiques et dans les foyers des centrales thermiques électriques. Ainsi, par exemple, lors du chauffage de lingots d'acier dans les fours jusqu'à 900-1000 C, la température des gaz de sortie atteint 1100-13000C. De ce fait, la présence d'un récupérateur (échangeur de chaleur) sur le chemin des gaz de sortie peut assurer une économie notable du combustible nécessaire par exemple au chauffage de l'air dans les fours. Les échangeurs de chaleur connus actuellement, en qualité desquels on peut utiliser les tubes des fours eux mbmes,sont de construction compliquée, de fabrication coûteuse, peu commodes à exploiter et à entretenir et ont une courte durée de vie. En outre, il est très difficile de les réparer et leur fabrication nécessite une grande quantité de matériaux chers et difficiles à se procurer. On connatt un échangeur de chaleur constitué par des réchauffeurs d'air en tubes d'acier placés à l'intérieur du tube du four (cf., l'ouvrage de Kletskine G.I. "La fonderie dans les constructions mécaniques", éditions "Machinostroenien, Moscou, publié en 1975, pages 70-71). Toutefois, il est à noter y'une grande quantité de matériaux réfractaires est dépensée pour le revêtement des tubes des fours (cubilots). En outre, le revêtement doit être réparé périodiquement. De tels réchauffeurs d'air placés dans le tube du four diminuent la section du tube nécessaire au passage des gaz. Une résistance accrue est opposée au mouvement des gaz et la formation de zones tourbillonnaires près des surfaces d'échange de chaleur n'est pas assurée En outre, le réchauffeur d'air se couvre de poussière de cubilot calorifuge difficile à enlever, et l'accès au revêtement du tube du four en vue de réparations devient difficile à cause de la présence des tubes d'acier de l'échangeur de chaleur. Le nettoyage des surfaces du réchauffeur d'air, le contribue de l'étanchéité et les réparations sont eux aussi compliqués. La surface d'échange du réchauffeur d'air tubulaire n'assure le chauffage de l'air que jusqu'à 300-3500C, ce qui n'est pas suffisant, car un effet sensible de l'air chaud employé, par exemple, dans un cubilot n'est obtenu qu'en cas de chauffage de l'air Jusqutå des températures supérieures à 5000C. C'est pourquoi on emploie ordinairement, outre le réchauffer d'air placé dans le tube du four, un réchauffeur d'air disposé à part, ce qui complique la construction et le service des groupes d'échange de chaleur. Il est plus rationnel d'utiliser pour les fours des échangeurs à radiation à fente (récupérateurs), qui ont une forme cylindrique et qui se montent sur le four au lieu de son tube (cf. l'ouvrage de Tebenkov B.P., "Récupérateurs pour fours industriels", Editions "Metallurguiia", Moscou, publié en 1975, pages 127-136). Cependant, la hauteur du récupératqFr ainsi conçu est trop grande. En outre, dans ce cas, la transmission de la chaleur des gaz chauds à l'air à chauffer n'est pas parfaite. Cela s'explique comme suit. Dans le cas d'un récupérateur cylindrique disposé verticalement, les gaz plus chauds se meuvent dans sa partie centrale et le mouvement des gaz près des parois du récupérateur se ralentit et leur rempérature est notablement inférieure. Le brassage dynamique des gaz chauds suivant les sections horizontales est insuffisant pour l'intensification de la transmission de chaleur. En outre, il convient de noter que la solidité du cylindre intérieur du récupérateur connu n'est pas suffisante, ce qui nécessite une augmentation de l'épaisseur des parois du cylindre intérieur et, par conséquent, une augmentation du poids du récupérateur et de la consommation d'acier (résistant à la chaleur) cher. A une pression maximale de l'air dans la fente du récupérateur, dépassant 15 à 20 kN/m2 (1500 à 2000 mm de colonne d'eau), les tales peuvent se gonfler vers l'intérieur du canal à fumée. C'est pourquoi il est recommandé, pour la stabilité thermique, d'utiliser des récupérateurs à radiation à fente à haute température conçu pour résister à des pressions d'air intérieures inférieures à 5 - 8 kN/m2 (500 à 800 mm de colonne d'eau), ce qui est évidemment insuffisant, car, par exemple, la pression de l'air amené au cubilot dépasse, dans la plupart des cas, 1 D mm de colonne d'eau. On connais aussi un échangeur de chaleur, considéré comme le prototype de la présente invention et qui comporte un élément d'échange de chaleur à parois intérieure et extérieure ondulées, formées par des cônes tronqués placés coaxialement et en série de sorte que les cônes soient réunis rigidement entre eux par leurs grandes et petites bases (cf. brevet d'invention France nO 1169790, cl. F 28D publié en 1959). Il faut noter que le rendement thermique de cet échangeur de chaleur est bas par suite de la réduction de la vitesse de mouvement du fluide dans le tube intérieur en cas de diminution de la température de ce dernier, car la section des cônes du tube est variable sur toute la longueur de ce dernier, On s'est donc proposé de mettre au point un échangeur de chaleur dont l'élément d'échange serait réalisé de sorte qu'au cours du mouvement des gaz chauds, se produisent leur mise en turbulence et leur brassage, ce qui augmenterait le rendement thermique et intensifierait le processus d'échange de chaleur. Ce problème est résolu à l'aide d'un échangeur de chaleur comportant un élément d'échange à parois intérieure et extérieure ondulées, formées par des cônes tronqués placés coaxialement, en série et de sorte que les cônes soient rigidement réunis entre eux par leur grande et leur petite base, caractérisé, suivant l'invention, en ce que les diamètres des cônes vont en diminuant dans le sens de la sortie des gaz. Une telle réalisation de l'échangeur de chaleurpnet d'intazsifïerb processus d'échange de chaleur, car elle assure une grande vitesse des gaz d'échappement suivant toute la hauteur de l'échangeur de chaleur, même en cas de diminution notable de leur température. Si les diamètres des bases des cônes de l'échangeur de chaleur diminuent de sorte que la section de passage de l'élément d'échange ait la forme d'un cône tronqué, il est particulièrement utile de l'utiliser pour les cubilots à diamètre de puits de 500 à 1500 mm. Si les diamètres des bases des cônes de l'échangeur de chaleur diminuent de sorte que la section de passage de l'élément d'échange ait la forme d'un gradin, il est avantageux de l'utiliser notamment pour les cubilots à diamètre de puits de 1500 à 2000 mm. Si les diamètres des bases des cônes de l'échangeur de chaleur diminuent de sorte que la section de passage ait une forme curviligne, il est rationnel de l'utiliser dans les cubilots à diamètre de puits de 2000 à 3000 mm. En outre, des cônes tronqués supplémentaire sont assemblés rigidement, par l'une de leurs bases, aux derniers (dans le sens de la sortie des gaz d'échappement) cônes tronqués, tandis que sur l'autre base de ces cônes supplémentaires est disposé un disque creux muni d'un élément divloeurcudisséqueur axial dont le sommet est orienté vers le bras, et de tubulures disposées suivant la périphérie et raccordées à l'espacement entre les parois ondulées, une tubulure axiale étant placée à l'intérieur dudit diviseur de courant. Un tel mode de réalisation assure un mouvement plus intense des gaz de sortie près des parois de l'échangeur de chaleur, ce qui contribue à une augmentation de son rendement thermique. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemple non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 montre schématiquement une vue d'ensemble, en coupe longitudinale, de l'échangeur de chaleur suivant l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un élément d'échange dont la section de passage (B) est en forme de cône tronqué (C) - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un élément d'échange datb section de passage (D) est en forme de gradin (E) - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un élément d'échange dont la section de passage (F) est de forme curviligne (Q). L'échangeur de chaleur comporte un élément d'échange de chaleur à parois intérieure 1 est extérieure 2 ondulées, formées par des cônes ou éléments coniques 3 à 12 et 13 à 22 disposés coaxialement, en sérIe et de sorte que les cônes 3 à 12 et 13 à 22 soient réunis rigidement entre eux par leur grande base 23 à 27 et par leur petite base 28 à 31, les diamètres desdites bases allant en diminuant dans le sens de la sortie des gaz (dans le cas considéré, de bas en haut, dans le sens montré conventionnellement par la flèche A). Par exemple pwrs alilots à puits de 500 à 1500 xi de diamètre, il est avantageux d'utiliser un échangeur de chaleur dans lequel les diamètres des bases de cônes" 3 à 12 et 13 à 22 vont en diminuant dans ledit sens de sorte que la section de passage B de l'élément d'échange de chaleur ait la forme d'un cône tronqué C, comme montré sur la figure 2. Pour les cubilots à puits de 1500 à 2000 mi de diamètre, il est rationnel d'employer un échangeur de chaleur dans lequel les diamètres des bases des cônes 3 à 12 et 13 à 22 diminuent dans ledit sens de sorte que la section de passage (D) de l'élément d'échange de chaleur ait la forme d'un gradin E, comme représenté sur la figure 3. Pour les cubilots à puits de 2000 à 3000 mm de diamètre, il est avantageux d'utiliser un échangeur de chaleur dans lequel les diamètres des bases des cônes 3 à 12 et 13 à 22 diminuent dans ledit sens, de sorte que la section de passage F de l'élément d'échange de chaleur ait une forme curviligne Q, comme montré sur la figure 4. L'échangeur de chaleur peut aussi être muni de cônes tronqués supplémentaires 32, 33 (figure 1) assemblés rigidement par l'une (34) de leurs bases au dernier cône tronqué 12, 22 (dans le sens de la sortie des gaz). Sur l'autre base 35 des cônes tronqués supplémentaires 32, 33, est placé un disque creux 36 avec un élément diviseur ou disséqueur axial de courant 37, orienté prssns mmet vers le bas. Le disque creux 36 est doté de raccords 38 d'amenée d'air. Lesdits raccords sont disposés suivant la périphérie du disque et sont reliés à l'intervalle entre les parois ondulées 1 et 2. A l'intérieur du diviseur axial 37, est place une tubulure axiale 39. Dans l'échangeur de chaleur sont aussi disposées des bagues 40 pour le tourbillonnement de l'air à chauffer. Ces bagues sont fixées rigidement à la paroi extérieure 2 de l'échangeur de chaleur, sur sa face intérieure, de manière à laisser des intervalles entre la paroi intérieure 1 de l'échangeur de chaleur et les bagues 40. L'échangeur de chaleur est monté par sa base inférieure 41 par exemple sur le tube 42 d'un cubilot (four) muni d'un revêtement réfractaire 43, d'un trou de chargement 44, de buses 45 de brûleurs à gaz. L'échangeur de chaleur est pourvu extérieurement d'une couche calorifuge 46. L'échangeur de chaleur est muni de tubulures 47 pour l'évacuation de l'air chaud. L'échangeur de chaleur fonctionne de la manière suivante. Durant le fonctionnement du four (cubilot) muni de l'échangeur proposé, l'air froid amené à ce dernier par la tubulure axiale 39 arrive d'abord dans le diviseur axial 37 du disque creux 36 et atteint ensuite, à travers les raccords 38, l'intervalle formé entre les parois ondulées 1 et 2. L'air chaud est évacué à travers les tubulures 47. Le courant de gaz chauds est envoyé dans le tube 42 du four. Ces gaz se mélangent avec l'air entrant par le trou de chargement 44 et sont brûlés complètement. Pour le maintien de la température voulue des gaz d'échappement, il est prévu des brûleurs à gaz. Le mélange gaz-air est amené dans ces brûleurs par les buses 45. Ensuite les gaz chauds du tube 42 arrivent dans l'échangeur de chaleur. Etant donné que les diamètres des cônes tronqués 3 à 12 diminuent dans le sens du mouvement des gaz de sortie, la vitesse du courant de ces gaz ne décroît pas,meme en cas de diminution de leur température, due à 12 transmission de la chaleur. Les parois ondules 1, 2 de l'échangeur de chaleur assurent une turbulence intense et un brassage des gaz de sortie au cours de leur mouvement, ce qui intensifie le processus de transmission de la chaleur. Le cône supplémentaire 32 fermé par le disque creux 36 assure un mouvement plus intense des gaz de sortie près des parois de l'échangeur de chaleur, et contribue de ce fait à augmenter le rendement thermique. Gracie à la présence des parois ondulées 1 et 2 et des bagues 40, il se produit un tourbillonnement intense de l'air à chauffer et, de ce fait, le processus d'échange de chaleur devient plus intense. L'échangeur revendiqué permet d'utiliser la chaleur des gaz de sortie. Il est recommandé plus particulièrement pour les cubilots à air chaud. En cas de chauffage de 1 t air jusqu'à 500-600 C, il est rationnel de brûler dans le cubilot du gaz naturel avec manque d'air, c'est-à-dire avec un coefficieztde débit de l'air de 0,8 à 0,9. Dans ce cas, la perte des éléments dans le métal fondu et surchauffé diminue, la quantité de scorie décrott, le revêtement réfractaire se détériore moins, la température du métal et la productivité du cubilot augmentent, mais la teneur des gaz de sortie en oxyde de carbone, en hydrogène et en carbone de suie s'accrott. En cas de postcombustion des gaz de sortie, leur température augmente jusqu'à 900 - 11000C, ce qui permet de chauffer l'air dans l'échangeur décrit 3usqu'à 500 - 6000C, sans emploi d'un réchauffeur d'air chauffé aux gaz et dsposé séparément. L'échangeur de chaleur possède des propriétés de compensation. C'est pourquoi, au cours du chauffage et du refroidissement, il ne se forme pas de fissures dans les parois et les parois métalliques ne se gonflent pas. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 10 Echangeur de chaleur comportant un élément d'échange de chaleur à parois intérieure (i) et extérieure (2) ondulées, formees par des éléments coniques tronqués (3 à 12) et (13 à 22) disposés coaxialementJen série et de sorte que lesdits éléments coniques soient réunis rigidement entre eux par leur grande et leur petite base, respectivement (23 à 27) et (28 à 31),caractérisé en ce que les diamètres des bases desdits éléments coniques vont en diminuant dans le sens (A) de sortie des gaz. 20 Echangeur de chaleur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les diamètres des bases desdits éléments coniques vont en diminuant dans le sens( de sortie des gaz de sorte que la section de passage t de de l'élisent d'échange de chaleur soit en forme de cône tronqué (C). 30 Echangeur de chaleur conforme à la renvendication 1, caractérisé en ce que les diamètres des bases desdits éléments coniques vont en diminuant dans le sens (A) de sortie des gaz de sorte que la section de passage (D) de l'élément d'échange de chaleur ait une forme étagée en gradins (E). 40 Echangeur de chaleur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les diamètres des bases desdits éléments coniques vont en diminuant dans le sens (A) de sortie des gaz de sorte que la section de passage (F) de l'élément d'échange de chaleur ait une forme curviligne (Q). 50 Echangeur de chaleur conforme à l'une de revendication 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce qu'aux derniers (dans le sens de sortie des gaz) éléments coniques tronqués (12, 22) sont liés rigidement, par l'une (34) de leurs bases, des éléments coniques tronqués supplémentaires (32, 33) sur l'autre base (35) desquels est monté un disque creux (36) avec un élément diviseur axial (37) orienté par son sommet vers le bas et avec des tubulures (38) disposées suivant sa périphérie et communiquant avec l'intervalle entre les parois ondulées (1 et 2)et et en ce que, à l'in- térieur dudit diviseur de courant,est montée une tubulure axiale (39).