Brevet FR2540975A1 — publié le 19840817

L'invention concerne un procédé de récupération de chaleur sur un fluide à température élevée par échange thermique avec un gaz comprime, l'énergie récupérée étant disponible pour partie sous forme de chaleur et pour partie sous forme d'énergie mécanique. Elle concerne plus particulièrement un procédé de récupération de chaleur sur des fumées par de l'air sous pression, qui, après détente, peut servir à alimenter le dispositif de combustion (brûleur) d'un four ou d'une chaudière. Pour la récupération de chaleur sur les effluents gazeux de fours ou de chaudières, il est courant d'effectuer un échange thermique entre lesdits effluents et un fluide à réchauffer, le plus souvent de l'air. A cet effet, on peut utiliser par exemple des échangeurs constitués soit d'empilements de tales perforées, tels que ceux décrits par exemple dans la demande de brevet français 79/11529 déposé par la demande ressesoit d'empilements de treillis, tels que ceux décrits par exemple dans la demande de brevet français 82/12862 également déposée par la demanderesse. On peut encore utiliser des récupérateurs rotatifs généralement désignés sous le nom d'échangeurs Ljungström. La chaleur ainsi récupérée sert en général au préchauffage de l'air de combustion. Les échangeurs considérés sont conçus d'une manière telle que la pression des effluents gazeux (fumées) et celles de l'air à préchauffer doivent rester très voisines, si l'on veut limiter la fuite interne entre fluide chaud et fluide froid a une valeur aussi faible que possible. En outre, la structure de ces échangeurs implique que ces pressions soient maintenues au voisinage de la pression atmosphérique. On a maintenant découvert un procédé avantageux de récupération d'énergie sur un fluide chaud par un gaz comprimé dont l'intéret principal réside dans le fait que l'énergie récupérée est disponible pour partie sous forme de chaleur et pour partie sous forme énergie mécanique. Le procédé de l'invention s'applique plus particulièrement a la récupération de chaleur sur des effluents gazeux émis à des tem- pératures élevées, tels que par exemple des fumées de fours ou de chaudières. La chaleur peut être récupérée par de l'air sous pression qui, apres détente, pourra alimenter le four ou la chaudière. D'une manière yenerale, le procédé de l'invention comprend les opérations suivantes a) on soumet un gaz (en particulier de l'air), pris à une température relativement basse T et à une pression relativement faible pt,à une compression qui amène sa pression à une valeur p2, supérieure à p1,et sa température à une valeur T2 supérieure à T1 ; b) on envoie le gaz comprimé dans une zone d'échange thermique, où il est en relation d'échange avec un fluide à température élevée (en particulier des fumées), le gaz comprimé passant, de l'entrée à la sortie de ladite zone d"échange, de la température T2 et de la pression p2 à la température T3 supérieure à T2 et à la pression p3 c) on soumet le gaz comprimé issu de ladite zone d'échange thermique à une détente de la pression p3 à la pression p4, la température s'abaissant de la valeur T3 à la valeur T4 , le rapport de compres p2 sion p1 , le rapport des pressions P4 et la capacité de transfert de p4 chaleur de la zone d'échange,compte tenu de plus du niveau thermique du fluide à température élevée avec lequel s'effectue l'échange, étant tels que l'écart de température T3-T4 soit supérieur à'écart de température T2-T1. Dans ces conditions, l'opération de détente fournit une quantité d'énergie mécanique supérieure à celle nécessitée par la compression. Pratiquement, le système de l'invention comprend un compresseur (1), un échangeur de chaleur (2), et une turbine de détente (3), cette dernière étant de préférence couplée avec le compresseur (1), de manière à prélever l'énergie mécanique nécessaire à la compression sur l'énergie mécanique recueillie lors de la détente, l'énergie mécanique excédentaire étant disponible sur l'arbre de la turbine de détente (3). Les avantages du procédé de la présente invention découlent de la pression et de la vitesse d'écoulement élevées du gaz utilisé pour la récupération de chaleur dans l'échangeur. En effet, les échangeurs de chaleur gaz/gaz classiques, utilisés le plus souvent pour le préchauffage d'air de combustion dans les fours ou chaudières à partir des calories récupérées sur les fumées, fonctionnent à pression atmosphérique ou à son voisinage et les pertes de charge autorisées, aussi bien sur l'air que sur les fumées sont généralement très faibles. Cela conduit à adopter des vitesses d'écoulement également faibles, dont il résulte de faibles coefficients d'échange entre les fluides et la paroi de l'échangeur. L'accroissement de masse volumique et la perte de charge admissible sur le gaz comprimé permettent d'atteindre des vitesses massiques d'écoulement élevées, conduisant à un accroissement du coefficient d'échange entre le gaz comprimé et la paroi. Il s'ensuit une grande compacité de l'échangeur qui permettra de réduire son coût de mise en oeuvre et de rendre plus aisée son insertion dans les installations existantes. En outre, les procédés généralement proposés pour la récupération de chaleur ne restituent à l'utilisateur que de l'énergie thermique. La présente invention permet la restitution d'une partie de la chaleur récupérée sous forme d'énergie mécanique. Dans l'étape de compression (a) du procédé de l'invention, le rapport des températures T2/Tf (les températures étant exprimées en OK) dépend directement du rapport P2 (c'est-à-dire du taux de compression), des pi conditions thermodynamiques de fonctionnement du compresseur et de son rendement. On pourra par exemple mettre en oeuvre des taux de compression de 2/1 à 40/1. En particulier, Si on comprime de l'air pris à une pression égale à (ou voisine de) la pression atmosphérique et à une température voisine de 20"C, la température T2 prendra une valeur d'environ 100 à 7000C. Pour des taux de compression préférés de 3/t à 10/1, la valeur dé T2est plus particulièrement d'environ 150 à 36Q0C. La température T3 du gaz comprimé à la sortie de l'échangeur dépend de la température T2, de la température du fluide chaud lequel s'effectue l'échange et du dimensionnement de l'échangeur. Lorsque le fluide à température élevée consiste en des fumées de four ou de chaudière, sa température peut être par exemple d'environ 250 à 10000C La température T3 est en général comprise entre 200 et 6000C, de préférence entre 250 et 500 OC. Les vitesses de passage du gaz dans l'échangeur seront, avec la pression de fonctionnement choisie, des éléments deterninants du dimen - sionnement de l'échangeur. Ces vitesses pourront se situer entre 4 et 300 m/s, de préférence entre 20 et 100 m/s. Pour sa part, la vitesse de passage du fluide à température élevée dans la zone d'échange est en général plus faible : elle est par exemple de 0,5 à 100 m/s et plus particulièrement de 5à 20 m/s. Les pertes de charge intervenant lors du passage de gaz dans l'échangeur font chuter la pression de celui-ci de p2 à p3, le niveau de p3 dépendant de la pression p2 et de la géométrie adoptée pour l'échangeur. D'une manière générale, l'échangeur sera conçu de façon à créer une perte de charge très inférieure à l'accroissement de pression obtenu lors du passage du gaz dans le compresseur, par exemple, infé rieure à Q 10 et de préférence inférieure à 5 so de cet accroissement. Après son passage dans l'échangeur, le gaz dans étape (c) est deten- du dans une turbine de la pression p3 à la pression F4r afin de fournir d'une part une quantité d'énergie mécanique au moins équivalente à la quantité nécessaire à la compression de l'étape (a) et, d'autre part, de l'énergie calorifique, qui est véhiculée par le gaz sortant de la turbine à une température T4 supérieure à la température T1. Le rapport P3/P4 peut étre choisi de manière que la répartition de l'énergie mécanique excédentaire et de l'énergie calorifique restituées par le procédé satisfasse les besoins de l'utilisation envisagée. Ainsi, le rapport p3/p4 peut être déterminé prioritairement à partir de la valeur de T4 souhaitée, T3, p3, le rendement de la turbine et les conditions de détente étant définis : l'énergie mécanique excédentaire est alors une conséquence du choix prioritaire effectué pour T . Ou bien, le rapport p3/p4 est défini prioritairement à partir de l'énergie mécanique excédentaire souhaitée sur l'arbre de la turbine, p3 et l'énergie nécessaire à la compression étant définis : la température T4 résulte alors du choix prioritaire effectué pour la valeur de l'énergie mécanique excédentaire. Le procédé dè l'invention s'applique en particulier à la récupération d'énergie sur des fumées de fours (par exemple fours de cimenterie) ou de chaudières. Dans ce cas, le fluide à température élevée (les fumées) circule à une vitesse relativement faible et à une pression voisine de la pression atmosphérique. Le gaz utilisé est alors en général de l'air, pris dans les conditions ambiantes, par exemple à une température voisine de 200C et sous une pression voisine de 1 bar. Après avoir été soumis à la compression de l'étape (a), à l'échange thermique avec les fumées, dans l'étape (b) et à la détente de l'étape (c), l'air que l'on récupère peut avoir par exemple une pression voisine de la pression atmosphérique et sa température peut être par exemple de 250 à 400"C. Cet air préchauffé peut servir à alimenter le brûleur du four ou de la chaudière, dans une quatrième étape (d). Sur la figure 1 annexée, on a représenté le schéma de principe de l'application du procédé de l'invention à la récupération d'énergie sur des fumées d'un four (4) décrite ci-dessus. Les symboles utilisés ont la même signification que dans la présente description. W' représente l'énergie mécanique nécessaire à la compression5WT l'énergie fournie par la détente et W l'énergie mécanique excédentaire disponible sur l'arbre de la turbine (3) (WT = W + W'). Les étapes de compression (a) et de détente (c) sont effectuées à l'aide d'appareillages d'usage courant. Les compresseurs et les turbines utilisés ne feront pas l'objet d'une description particulière. On notera seulement que le rendement mécanique des divers compresseurs utilisables est en général voisin de 0,8 et que celui des turbines de détente est en général voisin de 0,85. En ce qui concerne la mise en oeuvre de l'étape d'échange thermique (b), on utilisera des échangeurs caractérisés par une surface d'échange avec le fluide à température élevée, circulant à vitesse relativement faible (en particulier les fumées) supérieure à la surface d'échange avec le gaz comprimé (en particulier l'air) circulant à une vitesse relativement plus élevée. Parmi les échangeurs répondant à cette caractéristique, on peut mentionner principalement les échangeurs formés de tubes ailetés. Outre ie développement de surface réalisé par les ailettes du côté du fluide à température élevée, les tubes sont particulièrement bien adaptés pour résister à la pression du gaz comprimé qui y circule. La géométrie de l'échangeur à tubes ailetés utilisé (en particulier le diamètre, la longueur et le nombre des tubes, le rapport des surfaces d'échange relatives aux deux fluides, l'écartement et l'épaisseur des ailettes) sera adaptée aux conditions opératoires de l'étape d'échange thermique et aux exigences de l'utilisateur notamment en ce qui concerne la perte de charge et la vitesse d'écoulement pour chacun des fluides Ainsi, le diamètre des tubes peut être par exemple de 5 à 50 mm, le plus souvent de 10 à 25 mm zone le rapport des surfaces d'échange rela- tives au fluide chaud et au gaz comprimé peut être par exemp le de 2 à 20, le plus souvent de 4 à 10. Le matériau de constitution de l'échangeur est en général un métal ou un alliage choisi de manière à satisfaire à certains critères concer nant ia température de fusion, la résistance à la corrosion, la masse volumique, le cout, etc ..). Les matériaux couramment utilisés -sont par exemple les alliages légers à base d'aluminium de type 5754M pour les utilisations à relativement basses températures et les aciers ordinaires ou inoxydables de type 316 pour les utilisations à relativement hautes températures. L'exemple 1 qui suit illustre l'invention mais ne doit en aucune manière en limiter la portée au mode de réalisation particulier qu'il décrit. L'exemple 2 est donné à titre de comparaison. EXEMPLE 1 Dans cet exemple, on decrit la récupération d'énergie sur les fumées d'un four permettant de préchauffer l'air de combustion du bruleur du four. Les conditions opératoires et les caractéristiques des divers éléments du système sont les suivants Echangeur - Température d'entrée des fumées 6000C 8730K - Température de sortie des fumées 2500C 523 K - Température d'entrée de l'air (T2) 200 C 4730K - Température de sortie de l'air (T3) 550 OC 823 OK - Pression d'entrée de l'air (p2) 4 bar 4.105Pa - Pression de sortie de l'air (p3) 3,9 bar 3.9.105 Pa Compresseur (rendement 0,8) - Température d'entrée de l'air (T1) 200C 293 "R - Température de sortie de l'air (T2) 2000C 4730K - Pression d'entrée de l'air (p) 1 bar 105Pa - Pression de sortie de l'air (P2) 4 bar 4.105 Pa Turbine (rendement 0,85) - Température d'entrée de l'air (1i3) 550 du 823"K - Température de sortie de l'air (T4) 320 C 5930K - Pression d'entrée de l'air (p3) 3,9 bar 3,9.105Pa - Pression de sortie de l'air (p4) 1 bar 105Pa On utilise un échangeur constitué de tubes à ailettes de diamètre intérieur 10 mm, dont le rapport surface ailettes/surface tubes est voisin de 10 et le.rapport surface d'échange/ volume global égal à 540m2 ,/m3 environ.Le montage des tubes est réalisé de manière à avoir une vitesse de circulation de l'air dans les tubes voisine de 50 m/s et une vitesse de circulation des fumées sur les ailettes voisine de 7m/s Les débits massiques respectifs sont pour l'air 18200 kg/h et pour les fumées 19200kg/h. Dans ces conditions, le coefficient d'échan ye global, ramené à la surface des ailettes, est approximativement de 24 W/m2. 0K, conduisant à une capacité volumique d'échange voisine de 13 kW par m3 et par degré Kelvin d'écart thermique moyen entre l'air et les fumées. Pour une puissance thermique d'échange d'environ 2 MW, on utilise un échangeur-dont le volume est d'environ 3,1 m3. En outre, la puissance mécanique utile disponible sur l'arbre de la turbine est voisine de 258 ka' (la puissance mécanique de détente WT étant de 1164 kW et la puissance mécanique de compression de 906 kW). EXEMPLE 2 (comparatif) A titre de comparaison, un échangeur de type régénératif utilisé pour le préchauffage de l'air d'un bruleur de four par récupération de chaleur sur les fumées dans les mêmes conditions thermiques que celles définies dans l'exemple 1 ci-dessus, aurait un volume voisin de 6,3 m3, c'est-à-dire plus de deux fois plus important. En outre, un tel système ne permet pas de récupérer de l'énergie mécanique. REVENDICATIONS t- Procédé de récupération de chaleur sur des fumées, caractérisé en ce qu'il comprend - une étape (a) dans laquelle on soumet de l'air pris à une température relativement basse T1 et à une pression p1 égale ou voisine de la pression atmosphérique à une compression lors de laquelle sa pression est amenée à une valeur p2 Supérieure à p1 et sa température à une valeur T2 supérieure à T1 - une étape (b) dans laquelle on envoie l'air comprimé issu de l'étape (a) dans une zone d'échange thermique, où il est mis en relation avec des fumées issues d'un processus de combustion, l'air comprimé passant, de l'entrée à la sortie de ladite zone d'échange, de la température T2 et de la pression p2 à une température T3 et à une pression p3 - une étape (c) dans laquelle on soumet l'air comprimé issu de l'étape (b) à une détente0 lors de laquelle sa pression est amenee à une valeur p4 inférieure à p3 et égale ou voisine de la pression atmosphérique et sa température à une valeur T4 inférieure à T3, l'énergie mécanique récupérée lors de ladite étape (c) étant supérieure à la quantité d'énergie mécanique nécessaire à la compression de l'étape (a) - et une étape (d) dans laquelle on envoie l'air à température T4 issu de l'étape (c) à un dispositif de combustion équipant un four ou une chaudière pour alimenter le processus de combustion. 2- Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce que l'énergie mécanique nécessaire à la compression de l'étape (a) est prélevée sur l'énergie mécanique fournie par la détente de l'étape (c). 3- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'air traverse un compresseur t dans l'étape (a), un échangeur de chaleur 2 dans l'étape (b) et une turbine de detente 3 dans l'étape (c), et en ce que ledit compresseur 1 et ladite turbine de détente 3 sont couplés. 4- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le rapport de compression pl mis en oeuvre dans l'étape (a) à une valeur de 2/1 à 40/1. 5- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'aIr mis en jeu est pris dans les conditions normales de température et de pression et en ce que, dans l'étape (a), il est porté à une pression de 2 à 40 bar et à une température de 100 à 7000C. 6- Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les fumées avec lesquelles l'air comprimé est mis en relation d'échange thermique dans l'étape (b) ont une température de 250 à 1000 C à l'entrée de la zone d'échange. 7- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que dans l'étape (b), la vitesse de passage de l'air comprimé dans la zone d'échange thermique est de 4 à 300m/s. 8- Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que dans l'étape (b), la vitesse de passage des fumées dans la zone d'échange est de 0,5 à 100mis. 9- Procédé selon l'une des revendications 1 à 81 caractérisé en ce que la température de l'air comprimé à la sortie de la zone d'échange est de 100 à 5000C. 10- Procédé selon l'une des revendications 1 à 9,caractérisé en ce que la perte de charge de l'air lors du passage dans la zone d'échange est inférieureà 10 de l'accroissement de pression obtenu lors de l'étape de compression (a). 11- Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, dans l'étape de détente (c), l'air est ramené à une température de 250à 500oC. 12- Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'on utilise dans l'étape (b) un échangeur de chaleur constituéde tubes ailetés. 13- Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les tubes ont un diamètre de 5 à 50 mm. 14- Procédé selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que le rapport des surfaces d'échange relatives aux fumées et à l'air comprimé est de 2 à 20.