Brevet FR2534354A1 — publié le 19840413

La présente invention concerne le matériel d'édxmF ge thermique et a notamment pour objet un appareil pour le réchauffage de l'air par les fumées dans les générateurs de vapeur et les fours. Par suite du manque croissant des ressources miS nérales, on emploie de plus en plus, dans l'industrie, des combustibles de basse qualité à taux élevé de cendres et des matières premières à forte teneur en stériles. Quand les fours industriels et les générateurs de vapeurzzhnz3t avec de telles matières premières et de tels combustibles, les fumées chaudes utilisées ensuite dans des appareils pour le réchauffage de l'air sont porteuses de cendres ou d'autres particules solides qui, en agissant sur les tubes d'échange thermique de ces dispositifs, provoquent leur usure intense par abrasion. L'usure des tubes d'échange thermique s'explique par le fait que, à leur entrée, le sur de gas subit une compression suivie d'une détente au cours de laquelle il se produit un impact du flux sous un certain angle contre les parois des tubes d'échange thermique de l'appareil. Comme le flux de fumées est chargé de cendres ou d'autres particules solides, c'est justement à cet endroit, non loin de l'entrée des fumées dans les tubes d'échange thermique, à une distance correspondant à 2 ou 3 fois leur diamètre, que l'action desdites particules provoque une usure intense par abrasion des parois des tubes d'échange thermique. L'usure des tubes d'échange thermique augmente fortement dans les puissants générateurs de vapeur et fours industriels modernes, dans lesquels les carneaux d'amenée des fumées, à très grande section transversale, comportent des parties courbes, rendues nécessaires par la limitation de l'espace disponible. Une telle réalisation des carneaux d'amenée des fumées ne permet pas de créer une zone verticale suffisamment grande pour l'admission du flux de fumées suivant la direction des axes des tubes d'échange thermique, ce qui aurait exclu l'arrivée du flux de fumées sous un certain angle par rapport à leur axe et aurait permis ainsi de diminuer l'intensité de l'usure par abrasicn des tubes d'échange thermique.Pour protéger les tubes d'échange thermique contre l'usure par abrasion, on équipe le carneau d'amenée des fumées des appareils d'un dispositif special. On contait un réchauffeur d'air tubulaire, comprenant des tubes d'échange thermique fixés dans des pla- ques à tubes, et un carneau d'amenée des fumées (cf. certificat d'auteur URSS nO 558 133, F 23L 15/04, publié en 1974). Dans ce réchauffeur d'air connu, est prévu, du côté de l'entrée desfumées chaudes, un dispositif pour la protection des tubes d'échange thermique contre l'usure par abrasion, monté en amont de la plaque à tubes, avec un certain écartement par rapport à elle et se présentant sous forme d'une tôle perforée d'étranglement dont les axes des perforations coincident avec les axes des tubes d'échange thermique. Quand le flux de fumées chaudes chargées de particules solides ou de cendres passe à travers les perforations de la tôle, il se divise en filets séparés qui sont comprimés dans ces perforations et qui, à leur sortie de celles-ci, se détendent et diminuent de vitesse. Les filets dont la vitesse est ainsi réduite entrent en douceur dans les tubes d'échange thermique de l'appareil suivan-t toute la section tranversale, ce qui se traduit par un abaissement de l'intensité de l'usure des tubes par abrasion. Un. tel réchauffeur d'air tubulaire ne peut être utilisé que si le carneau d'amenée des fumées comporte une partie verticale de grande longueur assurant une direction du flux de fumées parallèle aux axes des tubes d'édhan- ge thermique. Son utilisation en cas d'arrivée des fumées par un carneau ayant une partie courbe est impossible, car le flux de fumées arriverait alors sous un angle aigu par rapport au plan de la tôle perforée. Cette tôle ne pouvant elle-même redresser le flux de fumées, les tubes d'échange thermique du réchauffeur d'air seraient soumis à une usure par abrasion interne. En outre, il convient de noter qu'il est difeici- le de fabriquer et de monter un tel réchauffeur d'air, car il est nécessaire d'assurer un alignement rigoureux des perforations de la tôle et des tubes d'échange thermique. On connaît aussi un réchauffeur d'air tubulaire, comprenant des tubesd'échangetazmiquefIxés ions des~piques à tubes et un dispositif pour la protection des tubes contre l'usure par abrasion, monté dans le carneau d'amenée des fumées et réalisé sous forme d'netLepaforée dnsles pforations de laquelle sont rapportés des tronçons de tubes dont les autres bouts sont engagés dans les trous de la plaque à tubes, bout à bout avec les tubes d'échange thermique (cf. certificat d'auteur URSS nO 357 419, F 23L 15/04, publié en 1972). Ce réchauffeur d'air connu peut être employé aussi bien en cas d'arrivée du flux de fumées par un carneau vertical, qu'en cas d'arrivée dudit flux par un carneau ayant une partie courbe Dans un tel réchauffeur ,l'usure par abrasion est localisée dans les tronçons de-tube rapportés, ce qui exclut l'usure des tubes d'échange thermique eux-mêmes. Toutefois, il convient de noter qu t en cas d'arrivée du flux de fumées par un carneau ayant une partie cau?- be, les tronçons de tube rapportés sont soumis à une usure par abrasion particulièrement rapide, car la vitesse des fumées y est la même que dans les tubes d'échange thermique.Ceci nécessite des remplacements fréquents des tronçons de tube rapportés, remplacements qui exigent beaucoup de travail car le nombre de tubes d'échange thermique dans un réchauffeur d'air comme, par exemple, celui du générateur d'une unité de production d'énergie de 500MW, est de l'ordre de 200 000. Il convient de souligner aussi la difficulté de la fabrication de l'ensemble du réchauffeur d'air, car, pour permettre le montage des tronçons de tube rapportés bout à bout avec les tubes d'échange thermique, ceux-ci doivent être introduits jusqu'à une certaine profondeur dans la plaque tubulaire, ce qui complique notablement l'assemblage et le soudage du réchauffeur d'air. On connaît aussi un appareil pour le réchauffage de l'air par les fumées dans les générateurs de vapeur et les fours, comprenant un carneau d'amenée des fumées, des sections se raccordant à ce carneau et dont chacune se compose de tubes d'échange tehrmique fixés dans des plaques à tubes, et un dispositif monté dans le carneau d'amenée des fumées pour la protection des tubes contre l'usure par abrasion. Cet appareil considéré comme le plus proche de celui faisant l'objet de la présente invention (cf. revue "Teploenergetika1,, Editions Energoizdat, Moscou, nO 12, 1981,pp. 18 à 21). Le dispositif pour la protection des tubes contre l'usure par abrasion, monté dans ce dispositif connu, est constitué par des tôles montées dans la courbe du carneau d'amenée des fumées et dirigeant le flux de fumées vers les tubes d'échange thermique, lesquels sont munis de tronçons de tube rapportés, fixés à la plaque à tubes. Le flux de fumées arrivant par le carneau d'amenée qui comporte un coude, est incurvé sous un angle d'environ 900 à l'aide des tôles et entre dans les tubes d'échange thermique parallèlement à leurs axes, ce qui abaisse l'intensité de l'usure par abrasion des tubes d'échange thermique. Les tronçons de tube rapportés, montés sur chaque tube d'échange thermique, protègent ces tubes contre l'usure par abrasion, car cette usure se trouve concentrée sur les tronçons rapportés. Comme la vitesse du flux de fumées dans les tronçons de tube rapportés est aussi élevée que dans les tubes d'échange thermique enrmsondeleur section transversale identique, lesdits tronçons rapportés subissent une usure par abrasion rapide. I1 est aussi à noter que lorsque le flux de fu---- mées est incurvé dans le carneau d'amenée, les forces centrifuges qui sont alors engendrées poussent les particules solides vers les tôles directrices, et celles-ci se concentrent sur les parties terminales (dans le sens de circulation des fumées) des tôles directrices. 11 s'ensuit une intensification de l'usure des tronçons de tube rapportés qui sont fixés à proximité de ces parties des tôles directrices, ainsi qu'une accélération de l'usure générale de tout l'appareil.Afin d'éviter la concentration des particules solides dans lesdites parties des tôles, il faut assurer leur distribution uniforme dans toute la section transversale du carneau d'amenée des fumées, ce qui ne peut être obtenu qu1en y montant un grand nombre de tôles direc- trices. Toutefois, une telle réalisation de l'appareil implique la mise en oeuvre d'une grande quantité de métal, complique son montage, rend son entretien difficile. En outre,l'usure rapide des tronçons de tube rapportés rend nécessaire leur remplacement fréquent, ce qui entraîne des frais importants de fabrication, démontage et montage de ces tronçons. I1 est aussi à noter que pour obtenir une pro- tection sûre des tubes d'échange thermique contre l'usure par abrasion, il faut assurer un montage précis des tron çons de tube rapportés sur la plaque à tubes, dans l'aloi gnement des tubes d'échange thermique, afin que l'entrée du flux de fumées dans chaque tube d'échange thermique sseffectue en douceur. Un décalage des tronçons de tube par rapport aux tubes d'échange thermique, même d'une valeur d'à peine 0,5 1,0 mm, abaisse fortement l'effet de protection des tubes d'échange thermique contre l'abrasion. On s'est donc proposé de créer un appareil pour le réchauffage de l'air par les fumées dans les générateurs de vapeur et les fours, dans lequel le dispositif pour la protection des tubes contre l'usure par abrasion serait conçu de manière à assurer la fiabilité d'utilisation de l'appareil et à simplifier sa fabrication et son montage et démontage. Ce problème est résolu du fait que l'appareil pour le réchauffage de l'air par les fumées dans les générateurs de vapeur et les fours, du type comprenant un carneau d'amenée des fumées, des sections se raccordant à ce carneau et dont chacune se compose de tubes d'échange thermique fixés dans des plaques à tubes, et un dispositif pour la protection destubes d'échange thermique contre l'usure par abrasion, monté dans ledit carneau d'amenée des fumées, est caractérisé, d'après l'invention, en ce que le dispositif pour la protection des tubes d'échange thermique contre l'usure. par abrasion se présente sous la forme d'au moins une grille constituée par des plaques ondulées dont les creux et saillies des ondulations respectives sont disposés en visà-vis et qui sont assemblées entre elles suivant les lignes de contact de leurs ondulations, de façon à former des cellules. Une telle conception de l'appareil prévient l'usure intense des tubes d'échange thermique car elle assure le redressement du flux de fumées dans le carneau d'amenée tout en présentant la distribution uniforme des cendres ou des autres particules solides dans toute sa section transversale. Dans l'appareil conforme à l'invention, la hauteur de chaque cellule précitée de la grille est de préférence de 2 à 5 fois plus grande que la dimension maximale de sa section transversale. Une telle réalisation de la grille permet de réduire l'usure par abrasion des tubes d'échange thermique en diminuant la possibilité de déviations du flux de fumées par rapport à la direction des axes des tubes d'échange thermique. En effet, quand la hauteur de chaque cellule de la grille est plus petite que deux fois la dimension maximale de sa section transversale, l'usure par abrasion des tubes d'échange thermique augmente de plus de trois fois, car une partie du flux de fumées sort des cellules sous un grand angle par rapport aux axes des tubes d'échange thermique. D'autre part, quand la hauteur de chaque cellule de la grille est plus grande que cinq fois la dimension mai- male de sa section transversale, l'augmentation de l'effet de protection des tubes d'échange thermique contre l'usure par abrasion est insignifiante, car l'angle de déviation éventuelle d'une partie du flux par rapport aux axes des tubes d'échange thermique est faible. De plus, la quantité de métal nécessaire à la fabrication de l'appareil, ainsi que son encombrement, augmentent. Pour que la protection des tubes d'échange thermique contre l'usure par abrasion soit plus sûre, la grille montée dans le carneau de fumée est de préférence juxtaposée à la plaque à tubes, l'axe de chacune de ses cellules coïncidant avec l'axe du tube d'échange thermique corres- pondant et les pas de disposition des cellules étant égaux à ceux des tubes d'échange thermique Dans un appareil ainsi réalisé, la vitesse du flux de fumées entrant dans les cellules de la grille est bien inférieure à sa vitesse lors de son entrée subséquente dans les tubes d'échange thermique. Grâce à ce fait, quoique redressant le flux de fumées, la grille elle-même ne subit qu'une faible usure. En ce qui concerne les tubes d'échange-thermique, l'entrée graduelle dans ceux-ci du flux de fumées, ne différant pratiquement pas d'une entrée en douceur, prévient leur usure par abrasion. En outre, il est à-noter qu'un faible décalage des axes des cellules de la grille par rapport aux axes des tubes d'échange thermique est pratiquement sans influence sur leur protection contre l'usure par abrasion. Si l'appareil conforme à l'invention est alimenté par un carneau de fumées comportant une partie courbe, il est possible d'y monter deux grilles, l'une de celles-ci étant placée dans la partie verticale dudit carneau, ce qui assure une protection plus fiable des tubes d'échange thermique contre l'usure par abrasion. Dans ce cas, la grille placée dans la partie verticales du carreau d'amenée des fumées redresse le flux de fumées en lui donnant une direction parallèle aux axes des tubes d'échange thermique, tandis que la seconde grille, qui peut être placée sur la plaque à tubes, assure l'entrée en douceur du flux de fumées dans les tubes d'échange thermique. Chaque cellule de la grille peut avoir une section transversale de forme hexagonale, grâce à laquelle l'entrée du flux de fumées dans chaque tube d'échange thermique sera plus régulière suivant tout son périmètre, ce qui, à son tour, contribuera à la diminution de l'usure des tubes d'échange thermique. Pour simplifier la fabrication, le montage et l'entretien de l'appareil conforme à l'invention, la grille peut être constituée par des modules distincts, chaque module comportant de préférence 50 à 150 cellules. Une telle réalisation permet de disposer les modules de la grille sur les plaques à tubes en assurant avec plus de précision l'alignement des tubes d'échange thermique et des cellules de la grille. En effet, quand les modules comportent un nombre de cellules inférieur à cinquante, les dépenses de main-d'oeuvre pour la fabrication et le montage de la grille augmentent, et quand le nombre de cellules des modules est supérieur à cent cinquante, les tolérances sur les côtes des modules augmentent ce qui rend plus difficile leur montage précis. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, asmstitsJqxW et1tEss deiL apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés et dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement une vue d'ensemble d'un appareil pour le réchauffage de l'air par les fumées dans les générateurs de vapeur et les fours réalisé conformément à l'invention (coupe longitudinale); - la figure 2 représente une vue de dessus de la grille utilisée dans ledit appareil; - la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 1, dans laquelle la grille est juxtaposée à la plaque tubulaire conformément à lsinvention (coupe longitudinale);; - la figure 4 est une vue en coupe suivant IV-IV de la figure 3; - la figure 5 est une vue similaire à celle de l'appareil de la figure 1, mais dans lequel sont montées deux grilles conformément à l'invention (coupe longitudinale); - la figure 6 représente une variante de réalisation de la grille, dans laquelle les cellules ont en section transversale une forme hexagonale conformément à lSin- vention (vue de dessus); - la figure 7 représente une partie d'une grille constituée par des modules distincts conformément à l'invention (vue de dessus). L'appareil pour le réchauffage de l'air par les fumées dans les générateurs de vapeur et les fours comprend un carneau 1 (figure 1) d'amenée des fumées, auquel se raccordent des ctions 2 constituées par des tubes d'échange thermique 3 qui sont fixés dans des plaques à tubes 4 Dans la partie verticale du carneau I dtamenée des fumées est monté un dispositif pour la protection des tubes d'échange thermique 3 contre l'usure par abrasion. Ce dispositif se présente sous la forme d'au moins une grille 5 constituée par des plaques ondulées 6 (figure 2) dont les creux et les saillies des ondulations respectives sont disposées en vis-à-vis et qui sont assemblées entre elles suivant les lignes de contact de leurs ondulations, de façon à for mer des cellules 7.Les plaques ondulées 6 peuvent être des tôles minces ou des feuilles de matière plastique résistant à la chaleur. La hauteur de chaque cellule 7 de la grille 5 est de préférence de 2 à 5 fois plus grande que la dimension maximale de sa section transversale. La grille 5 (figure 3) montée dans la partie verticale du carneau 1 d'amenée des fumées peut être juxtaposée à la plaque à tubes 4 de la section 2, l'axe de chaque cellule 7 (figure 4) de la grille 5 coïncidant avec l'axe du tube d'échange thermique 3 correspondant, et les pas de disposition des cellules 7 étant égaux à ceux des tubes d'échange thermique 3. La grille 5 est fixée à la plaque à tubes 4 par un procédé connu approprié, par exemple par soudage. Tl est possible de monter dans l'appareil deux grilles 5 (figure 5), dont l'une est placée dans la partie verticale du carneau 1 d'amenée des fumées. Dans un tel appareil, compte tenu de la forme étirée des cellules 7 (figure 2) de la grille 5, il est avantageux de monter la grille 5 de telle façon que les grands axes des sections transversales des cellules 7 soient perpendiculaires à la direction du flux de fumées dans la partie horizontale du carneau 1 d'amenée des fumées. Pour assurer une entrée plus uniforme du flux de fumées, chaque cellule 7 de la grille 5 (figure 6) peut être de forme hexagonale en section transversale . Afin de simplifier la fabrication, le montage et l'entretien de la zorille 5 de l'appareil conforme à l'inventioer, celle-ci peut être réalisée sousirme de modules distincts 8 (figure 7), chaque module ayant de préférence 50 à 150 cellules 7. Dans ce cas, les modules 8 sont réalisés de dimensions et suivant des tolérances telles qu'il reste entre eux un intervalle 9 permettant de réaliserleur montage dans les limites de tolérance prévues et en assurant la coaxiaUité des tubes 3 d'échange thermique et des cellules 7. L'appareil pour le réchauffage de l'air par les fumées dans les générateurs de vapeur et les fours fonctionne de la façon suivante. Le flux de fumées chargées de cendres ou d'autres particules solides passe par le carneau 1 (figure 1) d'amenée des fumées, qui peut comporter une partie verticale et une partie horizontale, raccordées par un coude, et arrive dans les tubes 3d'échange thermique qui sont fixés dans les plaques à tubes 4 des sections 2. L'air à réchauffer est admis dans l'espace inter- tubulaire des sections 2. La présence dans les fumées de cendres ou d'autres particules solides provoque une usure intense par abrasion des tubes 3 d'échange thermique, par suite de l'action des particules sur leurs parois. L'intensité de l'usure des tubes 3 d'échange thermique s'accroit encore plus quand la direction du flux de fumées s'écarte de celle des axes des tubes 3 d'échange thermique, ce qui se produit quand le flux doit s'incurver dans le carneau 1 d'amenée des fumées. Pour abaisser l'intensité de l'usure des tubes 3 d'échange thermique, on redresse le flux de fumées en amont des sections 2, en montant dans la partie verticale du carneau 1 d'amenée des fumées un-dispositif de protection des tubes 3 d'échange thermique contre l'usure par abrasion. Ce dispositif est constitué par la grille 5 (figure 1) formée par les plaques ondulées 6 (figure 2) dont les creux et les saillies des ondulations respectives sont dispose en vis-à-vis et qui sont assemblées entre elles suivant-les lignes de contact de leurs ondulations, de façon à former des cellules 7 dont la hauteur est de préférence de 2 à 5 fois plus grande que la dimension maximale de leur section transversale. Le flux de fumées passe à travers les cellules 7 de la grille 5 et arrivée dans les tubes 3 d'échange thermique suivant une direction proche de celle de leurs axes. L'utilisation de cellules dont le rapport des dimensions se situe dans la plage de valeurs ci-dessus, permet de réduire à un minimum la déviation du flux de fumées par rapport à ladite direction. De la sorte, le flux de fumées entre dans les tubes 3 d'échange thermique des sections 2 après avoir été redressé, ce qui, en soi, est déjà un facteur diminuant l'intensité de l'usure par abrasion des tubes 3 d'échange thermique. Pour diminuer encore plus l'usure par abrasion des tubes 3 d'échange thermique, la grille 5 montée dans la partie verticale du carneau 1 d'amenée des fumées peut être juxtaposée à la plaque tubulaire 4 (figure 3) et disposée de manière que les axes des cellules 7 connu cident avec les axes des tubes 3 d'échange thermique et que les pas de disposition des cellules 7 coïncident avec ceux des tubes 3 (figure 4) d'échange thermique.Dans ce cas, lors de son passage à travers les cellules 7 de la grille 5, leilux de fumées se fractionne en filets séparés, chacun desquels entre en douceur dansletube 3 d'échange thermique correspondant, dans toute sa section transversale, pratiquement sans étranglement du flux et, par conséquent, sans action d'érosion sur les parois des tubes 3 d'échange thermique. L'effet de protection maximal est obtenu en montant dans le carneau 1 d'amenée des fumées deux grilles 5 (figure 5) dont l'une est placée dans la partie verticale du carneau . Dans ce cas, une grille 5 peut être montée directement sur la plaque à tubes 4, et l'autre, à une certaine distance au-dessus d'elle. L'action du flux de fumées s'exerceprwxspflement sur la première grille 5 (dans le sens du flux de fumées) montée dans la partie verticale du carneau 1 d'amenée des fumées, cette grille redressant ledit flux et le dirigeant parallèlement aux axes des tubes 3 d'échange thermique. Cette grille 5 ne subit toutefois qu'une faible usure par abrasion, car elle n'encombre pratiquement pas la section du carneau d'amenée des fumées et, par conséquent, la vitesse des fumées la traversant est peu élevée. La seconde grille 5, montée sur la plaque à tubes 4, fractionne le flux de fumées en filets séparés bien ordonnés, qui, à la sortie des cellules 7 de la grille 5, entrent chacun en douceur dans le tube d'échange thermique 3 correspondant. Pour assurer une entrée plus uniforme du flux de fumées dans chaque tube d'échange de chaleur suivant tout son périmètre, les cellules 7 de la grille 5 peuvent avoir une section transversale de forme hexagonale (figure 6). Pour simplifier la fabrication et le montage des grilles 5, il est avantageux de les réaliser modulaires, chaque module comportant de préférence 50 à 150 cellules (figure 7). REVENDICATIONS 1. Appareil pour le réchauffage de l'air par les fumées dans les générateurs-de vapeur et les fours, du type comprenant un carneau d'amenée des fumées, des sections se raccordant à ce carneau et chacune desquelles se compose de tubes d'échange thermique fixés dans des plaques à tubes, et un dispositif pour la protection des tubes d'échange the; mique contre l'usure par abrasion, monté dans ledit carneau d'amenée des fumées, caractérisé en ce que le dispositif pour la protection des tubes d'échange thermique (3) contre l'usure par abrasion se présente sous la forme d'au moins une grille (5) constituée par des plaques ondulées (6) dont les creux et les saillies des ondulations respectives sont disposés en vis-à-vis, et qui sont assemblées entre elles suivant les lignes de contact de leurs ondulations de fa çon à former des cellules (7). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur de chaque cellule (7) de la grille (5) est de 2 à 5 fois plus grande que la dimension maximale de sa section transversale. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la grille (5) montée dans le carneau (1) de fumées est juxtaposée à la plaque à tubes (4) et est disposée de manière que l'axe de chacune de ses cellules (7) coïncide avec l'axe du tube d'échange thermique (3) correspondant et que les pas de disposition des cellules (7) soient égaux à ceux des tubes d'échange thermique (3). 4. Appareil selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce qu'il est prévu deux grilles'(5), dont l'une est montée dans la partie verticale du carneau d'amenée des fumées (1). 5. Appareil selon l'une des revendications 1, 2, 3, et 4, caractérisé en ce que chaque cellule (7) de la grille (5) est à section transversale de forme hexagonale. 6. Appareil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la grille (5) est constituée par des modules distincts (8). 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que chacun desdits modules de grille comporte 50 à 150 cellules