Brevet FR2526930A1 — publié le 19831118

L'invention concerne un échangeur de chaleur à effet convecto-radiatif, un gaz d'échange traversant des compartiments disposés les uns derrière les autres, chaque compartiment étant divisé selon sa hauteur en zones, une zone recevant le gaz d'échange, comportant une paroi, présentant des ouvertures la séparant d'une autre zone comportant une surface d'échange dis- posée en face de la paroi, le gaz passant d'une zone à l'autre et d'un compartiment à l'autre. Les échangeurs à gaz caloporteur ont générale- ment un faible rendement, dû au fait que le gaz s'écoule parallèlement à la surface chaude et qu'une très faible partie du flux gazeux vient en contact de la surface d'échange. Afin d'augmenter le rendement, plusieurs solu- tions ont été adoptées C'est ainsi que le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 450 199 propose un compartiment divisé dans le sens de la hauteur, par une cloison oblique comportant des orifices Le gaz froid est dévié vers la surface d'échange par les ouvertures de la cloison. Le gaz chaud circulant à contre-courant et de l'autre côté de la surface d'échange, rencontre égale- ment une cloison qui le dévie vers cette surface, le changement de direction des flux de gaz, par rapport à la surface d'échange, élimine la couche à faible vitesse et permet un meilleur échange calorifique. Un autre type d'échangeur est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NI 3 771 589 dans lequel le fluide d'échange est amené à prendre un mou- vement tourbillonnaire. L'échangeur est formé d'un tube de section rectangulaire, dont une paroi constitue la surface d'échange Le tube est divisé selon sa longueur en compartiments Chaque compartiment est partagé en deux zones par une cloison inclinée faisant face à la surface d'échange, et définissant dans le sens de circulation du gaz d'échange, une première zone de hauteur décroissante. La deuxième zone communique avec la première par une fente longitudinale dans la cloison, fente dont les bords sont prolongés par des flans, dirigés vers la surface d'échange Le gaz d'échange passe par la fente et est canalisé par les flans vers la surface d'échange contre laquelle il s'échappe en tourbillonnant. La formation de jets ou-de tourbillons de fluide permet d'améliorer le transfert thermique par convection, mais dans les échangeurs à température élevée, une partie non négligeable de la chaleur se transfère par rayonnement. Dans le cas de l'utilisation d'un gaz comme fluide caloporteur, l'échange par rayonnement est par- ticulièrement réduit et l'efficacité de l'échangeur s'en trouve d'autant limité Dans la plupart des échangeurs classiques, le rayonnement concourt à l'échauffement des parois extérieures du circuit de refroidissement qui échangent avec le milieu ambiant, sans permettre une récupération et par conséquent un refroidissement valable. L'échangeur, selon l'invention, permet non seulement d'améliorer les échanges thermiques par convection, grtce à l'impact des jets, mais également par radiation Le rayonnement thermique provenant de la surface d'échange est arr Até par une (ou plusieurs) paroi d'échange radiatif, parallèle à la paroi d'échange séparant les gaz chauds des gaz froids Les deux parois d'échange déterminent un canal dans lequel circule le gaz froid ou chaud, à% contre-courant O Cette technologie est particulièrement bien adaptée pour une réalisation en matériau céramique. Les explications et figures données ci-après, à titre d'exemples, permettront de comprendre comment 3, l'invention peut 9 tre réalisée. La figure 1 montre en perspective et partielle- ment arraché un échangeur gaz-gaz, selon une forme de réalisation préférée de l'invention. La figure 2 est une vue en coupe selon le plan longitudinal vertical de symétrie de l'échangeur de la figure 1. La figure 3 est une vue de dessus partiellement arrachée de l'échangeur de la figure 1. La figure 4 est une vue en perspective des deux flasques d'un m 8 me c 8 té de deux modules constituant un échangeur selon l'invention. La figure 5 est une vue de face d'un élément support des lames formant un écran perforé. L'échangeur récupérateur de chaleur à effet convecto-radiatif, selon l'invention, dont un exemple de réalisation est montré figure 1, en perspective par- tiellement arrachée, comporte deux modules 1 et 2, disposés l'un derrière l'autre Chaque module comprend -deux compartiments (figure 2) 3, 4 disposés l'un au- dessus de l'autre et séparés par une paroi d'échange 5. Les compartiments reçoivent l'un le gaz chaud et l'autre le gaz froid, qui viennent en contact avec les surfaces de la paroi d'échange o ils subissent par échange convectif une variation de leur enthalpie. Les compartiments ont une forme de prisme tron- qué et sont symétriques par rapport à la paroi d'échange Chaque compartiment est divisé en trois zones parallèles à la surface de la paroi d'échange: une zone d'arrivée du gaz 6, une zone de répartition 7 et une zone d'échange 8 La zone d'arrivée du gaz est la plus éloignée de la surface d'échange 5, et la tubulure d'entrée 9 du gaz est disposée près de la base du prisme La sortie du gaz 10 est prévue au sommet tronqué du prisme, à l'extrémité de la zone d'échange 8. Selon l'exemple de réalisation représenté, le compartiment 3 du module 1 est en série avec le compar- timent 11 du module 2 Le compartiment 12, symétrique du compartiment Il par rapport à la paroi d'échange 50 du module 2, est en série avec le compartiment 4 du module 1 Le compartiment 12 comporte également une tubulure d'entrée 9 du gaz. La zone d'arrivée 6 du gaz est séparée de la zone de répartition 7 par un écran perforé 14, cons- tituéde lames espacées La zone de répartition 7 est séparée de la zone d'échange 8 par une plaque d'échange radiatif 15, comportant des ouvertures circulaires ou allongées pour former des jets de gaz dirigés vers la plaque d'échange 5, Selon l'exemple représenté figure 2, les ouvertures de la plaque 15 sont des fentes dirigées dans le sens d'écoulement du gaz et sont disposées selon deux rangées 16, 17, les fentes d'une rangée étant décalées d'une demi-distance par rapport aux fentes de l'autre rangée. Dans le cas o l'écran perforé 14 est constitué de lames espacées, les ouvertures sont dirigées perpen- diculairement par rapport aux fentes de la plaque d'échange radiatif 15 Cette disposition permet d'éviter les fuites préférentielles et de rendre le coefficient d'échange homogène La longueur des lames étant rela- tivement grande par rapport à la largeur, elles sont maintenues à leur partie médiane par un support de lames 19, reposant au moins en partie sur la plaque d'échange radiatif 15 (figure 5) Le support de forme triangulaire comporte parallèlement à un de ses c 8 tés, des ouvertures allongées 19 dans lesquelles passent les lames. Selon la forme de réalisation représentée, un module 1 ou 2 est constitué de deux flasques latéraux (figure 4): un flasque droit et un flasque gauche. Les flasques sont en forme de parallélogramme et portent dans leur épaisseur des rainures ou logements, destinés à maintenir les plaques et écrans Une rainure médiane 21,approximativement diagonale, est prévue pour recevoir les extrémités de la plaque d'échange convectif 5 Symétriquement, par rapport à la rainure médiane et de chaque c 8 té, une rainure 22 de maintien de la plaque d'échange radiatif 15 et une rainure ou des logements 23 pour la plaque perforée 14 ou les barres la constituant Parallèlement à au moins un petit c 8 té du parallélogramme est prévue une rainure 24 dans laquelle vient déboucher les rainures 22 et 23. La rainure 24 débouche elle-m 8 me dans la rainure 22 de la plaque d'échange convectif 5, formant la sépara- tion entre les compartiments dans lesquels circulent les gaz chaud et froid La rainure 24 est destinée à maintenir la cloison terminale 25 Une rainure ou un décrochement 26 est prévu parallèlement aux bords de grands côtés du parallélogramme et est destiné à recevoir les cloisons supérieure et inférieure 27 et 28, la cloison 27 portant éventuellement l'arrivée de gaz 9. Lorsque l'échangeur est constitué de deux modules, les rainures prévues sur les petits côtés du parallélogramme diffèrent d'un côté à l'autre le logement ou rainure recevant la cloison 29, séparant le compartiment 4 du module 1 du compartiment voisin du module 2, est formé par moitié sur chaque bord, lors de l'assemblage symétrique des modules 1 et 2. Les cloisons 25 et 29 portent des rainures longitudina- les pour maintenir les plaques 5 et 15 et l'écran 14. Pour assurer l'alignement et le positionnement des flasques des modules 1 et 2, il est prévu un téton d'assemblage 31 qui vient se placer dans un évidement 32 et prolonge ainsi les rainures 21 et 22 du flasque du premier module. L'assemblage d'un échangeur à deux modules, tel que décrit dans l'invention, s'opère de manière simple On emboîte, l'un derrière l'autre et symétri- quement, deux flasques identiques, pour chaque csté de l'échangeur et on introduit la plaque d'échange convectif 5 dans la rainure 21 On place les cloisons et 29 et on glisse, dans les différentes rainures, les plaques 5 et 15 L'écran perforé 14 est assemblé en introduisant les barres dans les ouvertures 19 du support 18, puis en glissant les extrémités des barres dans les logements 23 des flasques Les flasques, constituant l'autre côté de l'échangeur, sont mis en place sur les extrémités des plaques L'échangeur est fermé par emboltement des parois 27 et 28 Ces parois sont formées d'éléments standardisés permettant une modification aisée des arrivées de gaz. L'ensemble des deux modules formant l'léchangeur est entouré d'un isolant thermique 33 (figure 1), et le tout d'un carter métallique 34. Les éléments constituant les modules de l'échangeur sont formés d'un matériau céramique, présen- tant une bonne conductivité thermique et résistant bien au choc thermique, tel par exemple le carbure de silicium, le nitrure de silicium, la mullite, le zircone stabilisé, la cordiérite, etc Le fonctionnement de l'échangeur selon l'inven- tion et représenté figure 1 est le suivant: Les gaz chauds sont admis par la tubulure d'arrivée 9 dans la zone 6 Les gaz traversent l'écran perforé 14 Du fait de la forme prismatique de la zone de répartition 7, les gaz sont forcés de manière sensiblement uniforme dans les fentes de la plaque d'échange radiatif 15, et les jets ainsi créés viennent frapper la plaque d'échange convectif 5 Le flux d'air chaud cède par convection ses coloris à la plaque d'échange 5 du premier module, puis passe dans le deuxième module o il traverse un écran perforé 140, qui le répartit le long de la plaque d'échange radiatif et, de là, sur la plaque d'échange convectif 50 vers la sortie 35, d'o il sort à basse température. Le gaz froid pénètre par la tubulure d'arrivée 90 dans le compartiment inférieur du module 2 et suit un parcours semblable à celui du gaz chaud mais à contre- courant, et il sort du module 1, réchauffé, par la sortie 36. Les plaques d'échange convectif ( 5, 50) pouvant 9 tre portées à une température élevée, elles échangent directement par rayonnement avec l'environnement Aussi, c'est l'intér At de disposer un réseau de plaques d'échange radiatif ( 15, 150) à forteémissivité qui, par rayonnement, récupère une fraction non négligeable de l'énergie émise par les plaques d'échange convectif, énergie retransmise par un secteur aux courants de gaz chaud ou froid. L'échangeur récupérateur, selon l'exemple de réalisation décrit, est particulièrement adapté à une implantation sur des fours métallurgiques ou sur une turbine à gaz Il présente entre autres les avantages suivants: Fort coefficient d'échange global, Pertes de charge plus faibles que pour les systèmes classiques (échangeurs tubulaires) à puissance thermique échangée donnée, Réduction de la surface d'échange pour une puissance thermique et un écart de température constant, Utilisation optimale des échanges par rayonnement. Za fabrication de l'échangeur sous forme modu- laire et avec des éléments standardisés permet une extension simple des éléments par empilement et couplage des entrées et sorties des divers modules. A titre d'exemple, on fournit ci-dessous les caractéristiques d'un module adapté à la récupération sur four métallurgique pour préchauffer l'air de combustion. longueur: 0,340 m largeur: 0,250 m hauteur 0,080 m - épaisseur de la paroi d'échange: 0,003 m efficacité des modules: de 0,2 à 0,3 nombre d'unité de transfert du module: de 0,2 à 0,3 Coefficient d'échange global autour de 150 W/m 2 o C (air à la pression atmosphérique) perte de charge du module c 8 té air: à 300 PASCAL. REVENDICATIONS 1 Echangeur de chaleur à effet convecto- radiatif, un gaz d'échange traversant des compartiments disposés les uns derrière les autres, chaque comparti- ment étant divisé selon sa hauteur en zones, une zone recevant le gaz d'échange comportant une paroi présen- tant des ouvertures la séparant d'une autre zone com- portant une surface d'échange disposée en face de la paroi, le gaz passant d'une zone à l'autre et d'un com- partiment à l'autre, caractérisé en ce qu'il est consti- tué d'au moins un module ( 1), comportant deux comparti- ments ( 3, 4) en forme de prisme tronqué, disposés de part et d'autre d'une surface d'échange ( 5), chaque compartiment étant divisé en trois zones parallèles à la surface d'échange: une zone d'arrivée de fluide ( 6) , une zone de répartition ( 7) et une zone d'échange ( 8), la zone d'arrivée du gaz étant la zone la plus éloignée de la surface d'échange ( 5), la sortie du gaz ( 10) étant prévue dans la zone d'échange ( 8) et au sommet tronqué du prisme. 2 Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un écran perforé ( 14) et une plaque d'échange radiatif ( 15) sont prévus respecti- vement entre la zone d'arrivée ( 6) du gaz et la zone de répartition ( 7) et cette dernière et la zone d'échange ( 8). 3 Echangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque d'échange radiatif ( 15) comporte des fentes dirigées dans le sens d'écoulement du fluide et en ce que l'écran perforé ( 14) comporte des fentes dirigées perpendiculairement à celles de la plaque d'échange radiatif ( 15). 4 Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un module est cons- titué de deux flasques latéraux portant dans leur épaisseur une rainure médiane ( 21), approximativement diagonale, recevant les extrémités de la plaque d'échange convectif ( 5) et symétriquement par rapport à ladite rainure médiane, deux rainures ( 22,23), prévues pour recevoir les extrémités de la plaque d'échange radiatif ( 15) et de l'écran perforé ( 14), au moins une rainure ( 24) parallèle à un petit côté du parallélogramme, maintenant les cloisons terminales ( 25), et au moins deux rainures ( 26) parallèles aux grands c 8 tés pour maintenir les cloisons supérieure ( 27) et inférieure ( 28) du module, lesdites cloisons portant éventuelle- ment les arrivées de fluide ( 9). 5 Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'écran perforé ( 14) est formé par des lames parallèles espacées. 6 Echangeur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'une des rainures parallèles aux petits c 8 tés du parallélogramme est formée par l'assemblage symétrique des flasques d'un deuxième module 7 Echangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins un des petits côtés du parallélogramme comporte au moins un téton d'assemblage ( 31). 8 Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les modules sont entourés d'un carter isolant thermique ( 54). 9 Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau consti- tuant les éléments du ou des modules est une céramique réfractaire.