Brevet FR2523289A1 — publié le 19830916

La présente invention concerne un échangeur de chaleur permettant de récupérer, d'une manière suâre et efficacel'énergie thermique à partir de substances fluides hautement corrosives. Une grande quantité d'énergie thermique est contenue dans des substances corrosives qui s'échappent des dispositifs de frittage de haut fourneau, des fours de distillation, des fours de vaporisation, des chaudières ou d'appareils analogues (pour la fusion des métaux non ferreux) comme, par exemple, les gaz contenant SO, les gaz contenant du chlore, du fluor, etc, le zinc ou un métal fondu contenant du zinc, la matte fondue, les scories fondues et des corps analogues et cette énergie présente un grand intérêt si l'on peut la récupérer efficacement comme énergie thermique. On connaît d'une façon générale un procédé de récupération d'une telle énergie à partir de substances fluides corrosives, consistant à intro- duire la substance fluide corrosive à haute température, engendrée dans un haut fourneau, un dispositif de frittage ou un appareil similaire, dans un échangeur de chaleur ( 01 sur la figure 1) et à la mettre en contact avec une conduite de transmission de chaleur ( 02 sur la figure 1) à l'intérieur de laquelle circule de l'eau de sorte qu'on peut récupérer l'énergie thermi- que en transformant l'eau en eau chaude ou en vapeur par transmission de chaleur Toujours sur cette même figure 1, la référence 03 désigne un réser- voir d'eau, 04 représente l'eau elle-même, 05 est une pompe d'amenée d'eau, o 6 et 07 désignent des conduites à eau et o 8 est un radiateur Enfin la référence A symbolise la circulation de la substance fluide corrosive. Dans ce procédé il faut maintenir la température et la tension de la vapeur obtenue à des valeurs aussi élevées que possible pour pouvoir utiliser au maximum l'énergie thermique récupérée Dans les conditions observées dans ce procédé, les matériaux usuels servant à la construction des échangeurs de chaleur, comme l'acier, le cuivre, les alliages de cuivre, etc, sont cependant facilement corrodés par lesdites substances fluides. Il en résulte que l'échangeur de chaleurse brise et l'eau ainsi que la vapeur à haute température et sous une tension élevée s'infiltrent dans la substance fluide, ce qui peut parfois provoquer des accidents graves tels qu'une explosion. L'utilisation de briques en carbure de silicium, de briques en graphite et de matériaux analogues possédant une certaine résistance à l'égard de la corrosion provoquée par les substances fluides et ayant une conductivité thermique plus élevée, est parfaitement concevable pour cons- truire les échangeurs de chaleur en vue d'éviter les inconvénients sus- mentionnés Ces matériaux sont cependant inférieurs, en ce qui concerne la résistance mécanique, par rapport aux matériaux classiques dont il a été question et il est même difficile de réaliser une structure capable de sup- porter une pression manométrique de vapeur d'environ 7 105 Pa, couramment utilisée pour chauffer un atelier et pour des usages analogues En outre, en raison de la vulnérabilité aux chocsthermiques lors d'un chauffage ou refroidissement brutal ou lors d'un autre impact, il était jusqu'à présent difficile de construire un échangeur de chaleur ayant une haute sécurité. Ainsi la température de l'eau à la sortie était au mieux de 60- 700 C dans un échangeur de chaleur classique et la chaleur évacuée était partiellement utilisée dans son intervalle limité de températures, pour le chauffage de l'eau ou bien cette chaleur restait totalement inutilisée. La présente invention vise à fournir un échangeur de chaleur pour récupérer l'énergie thermique à partir de substances fluides corrosives, permettant de surmonter les inconvénients précités des échangeurs classiques et pouvant assurer une récupération suâre et efficace de l'énergie thermique. Pour réaliser cet objectif, l'invention est caractérisée dans son essence par l'emploi d'un alliage ayant un bas point de fusion et avec lequel on rem- plit un caisson qui vient en contact avec la substance fluide corrosive ou la source de chaleur, ledit alliage fondu présentant une conductivité thermi- que élevée, un point d'ébullition élevé et une faible tension de vapeur aux températures élevées, avec utilisation d'une tuyauterie à l'intérieur de laquelle peut circuler un fluide de transmission de -chaleur, èttetlyauterieétant disposée directement dans l'alliage fondu ou mise en coopération avec ce dernier par l'intermédiaire d'un panneau de transmission de chaleur. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description détaillée qui va suivre en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement un dispositif classique de récupération d'énergie; la figure 2 représente une vue en coupe d'un mode de réalisation de l'échangeur de chaleur selon l'invention; la figure 3 représente une vue en coupe effectuée selon la ligne III III du mode de réalisation de la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation; la figure 5 est une vue en coupe effectuée selon la ligne V V du mode de réalisation de la figure 4; la figure 6 est un schéma d'un dispositif de récupération d'éner- gie thermique utilisant l'échangeur de chaleur selon l'invention en qualité d'échangeur de chaleur et un dispositif de surchauffage. Sur les figures 2 et 3, on a représenté en coupe un mode de réali- sation de l'invention Un caisson extérieur 1 en forme de parallélépipède rectangle est pourvu d'une ouverture centrale 2 surplombant sa face supérieure. Ce caisson extérieur 1 qui vient en contact avec des substances fluides cor- rosives à haute température présente sur sa surface extérieure un revêtement en un matériau résistant à la corrosion 3 tel que des briques en carbure de silicium, des briques en graphite ou des matériaux analogues possédant une conductivité thermique élevée Un caisson intérieur 4 est logé dans le caisson extérieur 1, un espace étant ménagé entre ce caisson 4 etla surface intérieure du caisson 1 Le caisson 4 est pourvu de deux ouvertures 5,6 situées aux deux extrémités de sa face supérieure et surplombant cette dernière; ces deux ouvertures 5,6 débouchant par ailleurs dans le caisson extérieur 1 Les sur- faces externes des ouvertures 5 et 6 portent également un revêtement en un matériau résistant à la corrosion 3, par exemple en briques de carbure de silicium, en briques de graphite ou en matériaux analogues ayant une conduc- tivité thermique élevée Un panneau de transmission de chaleur 7 présentant une série de perçages Ta s'étendant de part en part dudit panneau et construit en un matériau ayant une conductivité thermique élevée, par exemple un acier pauvre en carbone, le cuivre ou un métal analogue, est fixé dans le caisson intérieur 4 Des conduites 8 sont soudées sur le panneau de transmission de chaleur 7 de manière à assurer le raccordement de tous les perçages 7 a La conduite 8, qui amène un fluide chauffant tel que l'eau, dans les perçages 7 a, pénétre dans le caisson 4 par l'une des ouvertures 5 dudit caisson inté- rieur 4 et en ressort par l'autre ouverture 6 L'espace situé entre le caisson extérieur 1 et le caisson intérieur 4 est rempli d'un alliage 9 ayant un bas point de fusion Cet alliage à bas point de fusion comprend principalement du bismuth et du plomb et on peut maintenir son point de fusion à environ 600 C, si cela est nécessaire, par addition de métaux tels que l'étain, le cadmium ou similaire D'autre part, étant donné que le bismuth et le plomb présentent respectivement un point d'ébullition élevé d'environ 15000 C ou plus, l'alliage 9 à bas point de fusion peut préserver son état fondu sur un intervalle étendu de températures allant d'une température aussi basse que 600 C jusqu'à une température aussi élevée que 15000 C En d'autres termes, on peut effectuer l'échange de chaleur dans un intervalle très étendu de températures allant de moins de 100 'C jusqu'à plus de 15000 C, en utilisant l'alliage 9 toujours à l'état fondu. On va maintenant étudier la transmission de chaleur dans l'échan- geur de chaleur selon l'invention La chaleur cédéeau revêtement 3 qui résiste à la corrosion et qui est en contact direct avec la source de chaleur, est transmise à l'eau ou à un autre fluide de transmission de chaleur au niveau des perçages Ta du panneau de transmission 7, via le caisson extérieur 1, l'alliage à bas point de fusion 9,le caisson intérieur 4 et le panneau de transmission de chaleur 7 En d'autres termes, étant donné que la totalité de la chaleur transmise à partir de l'élément résistant à la corrosion 3 vers le panneau de transmission de chaleur 7 traverse des substances ayant une bonne conductivité thermique, on peut obtenir un échange de chaleur hautement efficace même à l'aide d'un dispositif ayant une telle structure double. On utilise un alliage à bas point de fusion 9, consistant principale- ment en bismuth, plomb, etc, comme il a été dit, pour remplir l'espace situé entre le caisson extérieur 1 et le caisson intérieur 4 Cet alliage à bas point de fusion 9 maintient sa tension de vapeur à une valeur extrêmement basse lorsque la température est aussi élevée que 10000 C et on observe pratiquement aucune perte par vaporisation. Etant donné que la tension de vapeur de l'alliage à bas point de fusion à température élevée est faible et étant donné que cette tension de vapeur peut être mise à l'échappement dans l'atmosphère, il est pratiquement inutile de prendre en considération la résistance du caisson extérieur 1 Des matériaux tels que des briques en carbure de silicium, des briques en gra- phite, etc, qui ne possèdent pas une résistance mécanique très élevée mais ont une très bonne conductivité thermique et une très grande résistance à la corrosion, peuvent donc servir dans ce but. Pour détecter une fuite de l'alliage à bas point de fusion 9 à la suite d'un endommagement du caisson extérieur 1 ou du caisson intérieur 4, un détecteur de niveau 10 servant à détecter le niveau de l'alliage à bas point de fusion est disposé dans l'ouverture 2 du caisson extérieur 1 et un détecteur de fuite 11 est disposé dans le fond du caisson intérieur 4 Si le caisson extérieur était brisé par un accident quelconque en provoquant ainsi un échappement vers l'extérieur de l'alliage à bas point de fusion, le niveau de l'alliage 9 dans l'espace situé entre le caisson extérieur 1 et le caisson intérieur 4 baisserait pour actionner le détecteur de niveau 10 et indiquer ainsi un accident de la structure du caisson 1, pour permettre à l'opérateur de remplacer ou de réparer sans difficulté le caisson extérieur 1 avant tout endommagement du caisson intérieur 4 Le niveau de l'alliage à bas point de fusion 9 descend également lors d'un endommagement du caisson intérieur 4 mais, dans ce cas, l'alliage à bas point de fusion 9 s'échappe dans le caisson intérieur 4 et cette anomalie est détectée par le détecteur de fuite 11. Les figures 4 et 5 représentent un autre mode de réalisation de l'invention L'échangeur de chaleur comprend un caisson 1 ' ouvert à sa partie supérieure, une conduite de transmission de chaleur 8 ' disposée à l'intérieur du caisson 1 ' sur un mode récurrent et un alliage à bas point de fusion 9 qui remplit le caisson 1 ' et qui présente une conductivité thermique élevée, un point d'ébullition élevé et une faible tension de vapeur aux températures élevées Sur les figures 4 et 5, les éléments identiques à ceux décrits à propos des figures 2 et 3 portent les mêmes références numériques L'échan- geur de chaleur de cette structure est plus facile à construire et est plus avantageux sur le plan économique que l'échangeur du premier mode de réali- sation. L'utilisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention pour remplacer un échangeur classique permet un échange de chaleur sûir et efficace même si la température des substances fluides corrosives est relativement faible (environ 3500 C) Une vapeur saturée sous une tension manométrique d'environ 7 105 Pa peut être facilement produite par utilisation supplémentaire d'un séparateur vapeur/éau D'autre part, si l'on récupère une quantité de vapeur excessivement importante et dont la valeur calorifique ne peut pas être entièrement utilisée pour des usages ordinaires, par exemple pour le chauffage, l'échangeur de chaleur selon l'invention peut être en outre monté comme un appareil de surchauffage (voir figure 6) pour engendrer de la vapeur surchauffée à haute température et à haute pression qu'on peut utiliser ef- ficacement, par exemple, pour produire de l'électricité A la figure 6 la substance fluide corrosive qui s'échappe d'un haut fourneau, d'un appareil de frittage, d'un four de distillation, d'un four d'évaporation, d'une chau- dière, etc, par exemple des gaz renfermant S Ox, des gaz contenant du chlore, du fluor, etc, le zinc et les métaux fondus contenant du zinc, la matte fon- due, les scories fondues, etc, est introduite dans une chambre d'échange de chaleur 12, comme il est indiqué par la flèche A Cette chambre d'échange de chaleur 12 comporte un échangeur de chaleur 13 et un appareil de surchauffage 14 dont la structure est comme celle représentée sur les figures 2 et 3 Une conduite à eau 15 est reliée à la conduite de transmission de chaleur 8 au niveau de l'orifice d'entrée de l'échangeur de chaleur 13 alors qu'un sépara- teur 16 vapeur/eau est relié à la conduite 8 au niveau de l'orifice de sortie. La conduite de vapeur 17 qui part du séparateur 16 est raccordée à la conduite de transmission 8 au niveau de l'orifice d'entrée de l'appareil de surchauf- fage 14, alors que la conduite 18 de vapeur surchauffée communique avec l'ori- fice de sortie Sur les dessins, la référence 19 désigne une cuve à eau, la référence 20 désigne l'eau, 21 est une pompe d'amenée d'eau et 22 est une conduite d'échappement. Comme il a ét dit, l'échangeur de chaleur selon l'invention permet une récupération économique de chaleur en permettant efficacement et en sécu- rité à une substance fluide hautement corrosive d'engendrer de la vapeur possédant une grande utilité. FVFçNDTCATTONS Echangeur de chaleur caractérisé en ce qu'il comprend un alliage ( 9) à bas point de fusion présentant une conductivité thermique élevée, un point d'ébullition élevé et une basse tension de vapeur aux températures élevées qui remplit l'intérieur d'un caisson( 1,1 ') qui vient en contact avec la substance fluide corrosive ou la source de chaleurune conduite ( 8,8 ') dans laquelle circulent l'eau et la vapeur servant de fluide de transmission de chaleur étant disposée directement dans l'alliage à bas point de fusion ( 9) ou mise en coopération avec ce dernier par l'intermédiaire d'un panneau de transmission de chaleur ( 7).