Brevet FR2545197A1 — publié le 19841102

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur et les chaudières et a notamment pour objet un réchauffeur d'air à corps de chauffe multiples résistant à la corrosion. L'application de l'invention est d'une efficacité maximale dans les générateurs de vapeur, les fours et antres installations du même genre dans lesquels sont brillés des combustibles sulfureux et où les gaz d'échappement corrosifs réchauffent leair froid dans des réchauffeurs d'air. Dans un réchauffeur d'air comportant normalement plusieurs corps de chauffe, ctest le premier corps de chauffe recevant l'air froid qui subit la corrosion la plus intcense. Cette corrosion est provoquée par la condensation des vapeurs d'acide sul- furique sur les parois relativement froides des tubes, dont la température dépend de la température des gaz d'échappement9 mais surtout de la température de l'air en contact avec elles.-Comme le gaz canalisé par les tubes du premier corps de chauffe du réchauffeur d'air est à la température la plus basse et que les tubes sont extérieurement en contact avec l'air le plus froid, c'est justement dans le premier corps de chauffe que la température des parois des tubes est suffisamment basse, alors que dans une partie des tubes elle est inférieure au point de rosée des vapeurs d'eau contenues dans les gaz de cheminée qui contiennent également des vapeurs d'acide sulfurique. I1 en résulte que de l'acide sulfurique en concentrations variées se condense sur les parois des tubes, ce qui provoque une corrosion intense des métaux et un encrassement aussi intense des tubes par des dépôts de cendres. La corrosion des tubes du réchauffeur d'air provoque des ruptures locales des tubes et la pénétration de l'air de l'espace intertubulaire dans les gaz. Dans ce cas, pour obtenir à la sortie du réchauffeur d'air la quantité d'air nécessaire à la chaudière ou au four, on est obligé d'augmenter la capacité du ventilateur de soufflage et de 1'aspirateur de fumées. Ceci conduit à une consommation d'énergie excessive. La consommation d'énergie augmente encore plus quand la résistance aérodynamique au courant de gaz dans les tubes s'accroît par suite de leur destruction ou de leur encrassement. Par la suite, au fur et à mesure que les tubes du réchauffeur d'air se détériorent sous l'action de la corrosion, le ventilateur de soufflage et l'aspirateur de fumée atteignent le maximum de leurs possibilités, de sorte qu'on est obligé de réduire le rendement de la.chaudière, ou du four et, finalement, de l'ar-rêter pour remplacer l'élément endomagé du réchauffeur d'air. Dans la construction des chaudières, on connaît généralement un réchauffeur d'air capable de résister à la corrosion, (L.B. Krol, N.I. Rozengaus : "Elements convecteurs de chaudières de grande puissance", Ed. Energiya, Moscou 1976 (fig. 4-3, 4-4, pp 132-133). Ce réchauffeur d'air tubulaire à corps de chauffe multiples est doté d'un dispositif de préchauffage de l'air, réalisé sous forme d'un calorifière. L'air préchauffé arrive dans l'espace intertubulaire du premier corps de chauffe. Dans ce réchauffeur d'air, les tubes du premier corps de chauffe canalisant des gaz d'échappement relativement froids sont extérieurement en contact avec l'air préchauffé, de sorte que la température des parois de ses tubes est plus élevée que dans un réchauffeur d'air classique. Comme la température des parois est supérieure au point de rosée des vapeurs d'eau contenues dans les gaz d'échappement, aucune condensation d'eau et en conséquence aucune corrosion ou encrassement des tubes n'ont lieu. L'inconvénient de ce réchauffeur d'air réside en ce Qu'il provoaue une baisse des performances économiques des chaudières qui l'utilisent, à cause de l'augmentatior: de la température des gaz sortant du réchauffeur d'air, cette augmentation résultant du préchauffage de l'air. C'est pourquoi, dans la pratique de la construction des chaudières, ce réchauffeur dlair n'est utilisé que dans les cas où l'on peut se contenter d'un faible préchauffage de l'air, c'est-à-dire en cas d'utilisation de combustibles à faible teneur en soufre dans lesquels le point-de rosée des vapeurs d'eau contenues dans les gaz d'échappement est peu élevé. En cas d'utilisation de combustibles à haute teneur en soufre, il est nécessaire de prévoir un préchauffage de l'air à une haute température, mais dans ce cas la température des gaz d'échappement atteint un niveau inadmissible et aucune augmentation de la surface de chauffe ne permet de refroidir convenablement les gaz d'échappement. Dans ce cas, le réchauffeur d'air considéré est inutilisable. On connais aussi un autre réchauffeur d'air à plusieurs corps de chauffe résistant à la corrosion (brevet USA N0 4243096). Ce réchauffeur d'air connu comprend un grand nombre de corps de chauffe reliés entre eux par des conduits d'air de raccordement. Chaque corps de chauffe est formé par des faisceaux de tubes échangeurs de chaleur servant au passage des gaz de chauffage. Le réchauffeur d'air est pourvu-d'un conduit d'amenée d'air relié au corps de chauffe venant en premier(en comptant dans le sens d'écoulement de l'ait. Dans le conduit d'amenée d'air est placé un dispositif de réchauffage à haute température d'une partie de l'air amené dans l'espace interbulaire des faisceaux de tubes échangeurs de chaleur du premier corps de chauffe. Au moins un conduit de dérivation d'air reliant le conduit d'amenée d'air au conduit de raccordement par l'intermé diaire d'un mélangeur placé dans ce dernier, est branché sur le conduit. d'amenée d'air en amont (par rapport au sens d'écoulement de l'air) du dispositif de réchauffage de l'air à haute température. Dans ce réchauffeur d'air, on nez ne soumet au préchauf fage à haute température (dans un dispositif spécial, par exemple dans un calorifère) qu'une partie de l'air arrivant au premier corps de chauffe, le reste de l'air froid étant amené aux conduits de raccordement pair, et le mélange air préchauffé-air froid, ayant une température assurant une température des parois des tubes supérieure au point de rosée des vapeurs d'eau contenues dans les gaz d'échappement, arrive aux corps de chauffe suivants du réchauffeur d'air. Il en résulte que chaque corps de chauffe du réchauffeur d'air reçoit de l'air réchauffé à haute température permettant de maintenir la température des tubes au-dessus du point de rosée des vapeurs d'eau contenues dans les gaz d'échappement, ce qui permet d'éviter l'encrassement et la corrosion des tubes. Toutefois, malgré ce réchauffage à haute température de l'air arrivant au premier corps de chauffe, la tempé- rature résultante de l'air arrivant au réchauffeur d'air depuis le calorifère et le conduit de dérivation d'air peut être assez basse, de sorte que le gradient moyen de température du réchauffeur d'air reste important. I1 s'ensuit quton peut refroidir fortement les gaz d'échappez ment et que ce réchauffeur d'air n'exige pas une augmen- tation importante de la - surface de chauffe pour diminuer la température des gaz d'échappement0 L1inconvénient de ce réchauffeur d'air réside en ce que, pour augmenter son gradient moyen de température par diminution de la partie réchauffée à haute température de l'air amené an premier corps de chauffe, on est obligé d'utiliser plusieurs conduits de dérivation dsair dont chacun relie le conduit d'amenée d'air à chaque conduit de raccordement d'air suivant par l'intermédiaire des mélangeurs qu'ils contiennent. Ceci complique la construction du réchauffeur d'air et l'agencement de ses parties constitutives et nuit à la sécurité de son fonc- tionnement du fait de l'augmentation du nombre de mélangeurs disposés dans les conduits de connexion.En outre, une telle réalisation des conduits de dérivation d'air a pour conséquence qu'une partie importante de la surface de chauffe du réchauffeur d'air n'est pas léchée par la totalité de l'air, mais seulement par une partie de celuici, ce qui diminue le coefficient de transmission de chaleur et le gradient moyen de température de cette surface du réchauffeur d'air. Il en résulte une détérioration des caractéristiques économiques de l'ensemble du réchauffeur d'air. On s'est donc proposé de créer un réchauffeur d'air à corps de chauffe multiples résistant à la corrosion, dont les caractéristiques économiques seraient améliorées et qui serait d'utilisation simple et fiable grâce à un préchauffage à basse température de l'air froid, ainsi que gracie à un mode de raccordement déterminé du conduit d'air de dérivation au conduit d'amenée d'air. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'un réchauffeur d'air à de8-corps de chauffe multiples reliés en série par des conduits de raccordement d'air et dopt- chacun est formé par des faisceaux de tubes échangeurs de chaleur servant au passage des gaz de chauffe, un conduit d'amenée dtair relié au corps-de chauffe venant en premier (par rapport au sens d'écoulement de l'air) et renfermant un dispositif de préchauffage à haute tem péri'cure d'une partie de l'air arrivant dans l'espace intertubuidrea des faisceaux de tubes échangeurs de chaleur du premier corps de chauffe , et un conduit de dérivation d'air reliant le conduit d'amenée d'air au conduit de raccordement d'air par l'intermédiaire d'un mélangeur disposé dans ce dernier, caractérisé, selon l'invention, en ce qu'il comprend un dispositif de préchauffage de l'air à basse température placé dans le conduit d'amenée d'air en amont (par rapport au sens d'écoulement de l'air) du dispositif de préchauffage de l'air à haute température, et que le conduit de dérivation d'air est branché sur la partie du conduit d'amenée d'air quxest comprise entre le dispositif de préchauffage de l'air à basse température et le dispositif de préchauffage de l'air à haute température. Ce mode de réalisation du réchauffeur d'air permet d'augmenter le débit d'air arrivant au conduit de raccordement d'air par le conduit d'air de dérivation, ce qui permet de diminuer le débit d'air préchauffé à haute température amené au premier corps de chauffe. Cet avantage du réchauffeur d'air conforme à l'invention résulte du fait que le mélange se formant dans le mélangeur et composé de l'air réchauffé dans le premier corps de chauffe et d'une plus grande quantité d'air dérivé permet d'obtenir la température voulu du mélange d'air à l'entrée du deuxième corps de chauffe grâce à la température plus élevée de l'air dérivé préchauffé dans le dispositif de préchauffage à basse température.Il en résulte que, dans de nombreux cas, le débit d'air réchauffé à haute température étant faible, le réchauffeur d'air peut ne comporter qu'un seul conduit d'air de dérivation. Le réchauffeur conformeàl'invention se distingue par I'extrême simplicité de sa construction et de l'agencement de ses éléments constitufs, ainsi que par sa sécurité de fonctionnement élevée, car il ne comprend qu'un seul mélangeur. D'autre part, il est très économique, puisque la quantité d'air réchauffé à haute température amenée au réchauffeur est faible et, donc, la température résultante de l'air amené au réchauffeur d'air est peu élevée, de sorte que le gradient moyen de température de ce dernier est relativement grand.En outre, la plus grande partie de sa surface de chauffe est en contact avec la totalité de l'air et seulement une faible partie de la surface de chauffe contenue dans le premier corps de chauffe n'est pas en contact avec la totalité de l'air, d'ob le grand coefficient de transmission de chaleur du réchauffeur0 L'invention sera mieux comprise et d'autre buts, détails et avantages de celle-ci apparaRtront mieux à la lumiere de la description explicative détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels:: - la figure 1 représente schématiquement un réchauffeur d'air à quatre corps de chauffe conforme à l'invention, comprenant un dispositif de préchauffage d'air à haute température sous forme, par exemple, d'un échangeur de chaleurmélangeur, - la figure 2 représente schématiquement un réchauffeur dlair à quatre corps de chauffe conforme à l'invention comprenant un dispositif de préchauffage d'air à haute température sous forme, par exemple, d'un échangeur de chaleur superficiel Le réchauffeur d'air faisant l'objet de l'invention comprend quatre corps de chauffe 1, 2, 3 et 4 (figure 1) reliés entre eux en série par des conduits d'air 5 de raccordement Chacun des corps de chauffe 1 à 4 est formé de faisceaux de tubes échangeurs de chaleur 6 servant au passage des gaz de chauffe Au premier corps de chauffe cst relié un conduit damn d'air 7 dans lequel est placé uri dispositif 8 de préchauflage à saute tenpéra- ture d'une partie de l'air, réalisé sous forme d'un échan sueur de chaleur-mélangeur 9 (cf. le livre "Calcul aérody- namique des chaudières" (mé.t0node normative), sous la rédaction de S.I.Motchan, éditions "Energiya", Léringrad, 1977, figure TII-3, p.66). L'air de chauffe est envoyé dans l'échangeur de chaleur 9 par un ventilateur 10 à travers un conduit d'air de recirculation Il depuis un conduit d'air chaud 12 communiquant avec le quatre me corps de chauffe 4 du réchauffeur d'air. On a prévu dans le réchauffeur d'air un dispositif 13 de préchauffage d'air à basse température réalisé sous forme d'un calorifère (cf. le livre de L.B.Krol, N.I. Rozengaous,"Eléments convecteurs de chaudières de grande puissance", éditions "Energiyas", Moscou, 1976, fig. 4-3, 4-4, pages 132-133) placé dans le conduit d'amenée d'air 7 en amont de l'échangeur de chaleur 9 (par rapport au sens d'écoulement de l'air). Un conduit d'air de dérivation 14 met le conduit d'amenée d'air 7 en communication avec le conduit d'air de raccordement 5, dans lequel est disposé un mélangeur 15. Dans le conduit d'air de dérivation 14 est placée une soupape de-réglage 16. Sur la partie du conduit d'amenée d'air 7 comprise entre l'echan- geur de chaleur 9 et le dispositif 13 de préchauffage de l'air à basse température est branché par l'une de ses extrémités le conduit d'air de dérivation 14 dont l'autre extrémité est reliée au mélangeur 15. L'amenée d'air au conduit d'air 7 se fait à l'aide d'un ventilateur de soufflage 17. Le réchauffeur d'air conforme à l'invention fonctionne comme suit. Les corps de chauffe 1 à 4 reçoivent successivement (c'est-a-dire dans le sens allant du quatrième au premier! les gaz de chauffe qui, en passant-par les tubes échangeurs de chaleur 6, s'y refroidissent et réchauffent l'air passant par l'espace intertubulaire. L1air à réchauffer est amené au réchauffeur d'air par le ventilateur de soufflage 17 à travers le conduit dVair 7 La totalité de l'air froid arrive d'abord au dispositif 1.3 où il subit un préchauffage à basse température, pour faire passer sa température de 300C à 50-70" C , par exemple Une partie de l9air préchauffé à 50-70 C arrive ensuite à ltéchangeur de chaleurmélangeur 9, alors que le reste de cet air est canalisé par le conduit de dérivation 14 vers le mélangeur 15. L'air réchauffé à haute température (à 100-1 500C par exemple) dans l'échangeur de chaleur 9 arrive dans l'espace intertubulaire des faisceaux de tubes échangeurs de chaleur 6 du premier corps de chauffe 1 du réchauffeur d1air il y est réchauffé par les gaz de chauffe qui, ce faisant, se refroidissent jusqutà une température de 130-à 1800C Grâce à la température élevée de l'air amené dans l'espace intertubulaire, la température des parois des tubes 6 est supérieure au point de rosée des vapeurs d'eau contenues dans les gaz de chemine, de sorte qu1il ne se forme pas de dépôt de cendres sur les tubes échangeurs de chaleur 6 et qu'ils ne sont pas attaqués par la corrosion LBair réchauffé dans le premier corps de chauffe 1 arrive au conduit de raccordement 5, où il est énergiquement mélangé par le mélangeur 15 au reste de l'air réchauffé à 50-700C amené au malangeur 15 depuis le conduit de dérivation 14. La soupape de réglage 16 permet de régler le rapport des débits d'air arrivant dans le premier corps de chauffe 1 et dans le conduit de dérivation 14, de telle façon que la température du mélange d'air dans le conduit de raccordement 5 soit telle que les tubes échangeurs de chaleur 6 du deuxième corps de chauffe 2 ne soient pas attaqués par la corrosion.L'air continue ensuite à se réchauffer, en passant par le troisième et le quatrième corps de chauffe 3, 4, et sort du réchauffeur d'air par le conduit d'air chaud 12. Le fait de-ne prévoir qu'un seul conduit de dérivation 14 et un seul mélangeur 15 permet de simplifier le; réchauffeur d'air et l'agencement de ses éléments constituants et assure son fonctionnement en toute sécurité et sans corrosion. Le fait que seule une faible partie de l'air amené au réchauffeur d'air soit préchauffée à haute température permet d'obtenir une basse température résultante à son entrée et donc un gradient de température élevé dans le réchauffeur d'air. De plus, le fait que la plus grande partie de la surface de chauffe du réchauffeur d1 air soit en contact avec la totalité de l'air permet d'assurer dans ce dernier un coefficient éleve de transmissionde chaleur, Ces deux qualités du réchauffeur d'air le rendent très économique. Dans le mode de réalisation décrit, la combinaison du préchauffage d'air à basse température dans le calorifère 13 et du préchauffage d'air à haute température dans l'échangeur de chaleurmélangeur 9 permet d'augmenter lieîfi- cacité du réchauffeur a'air, car ces deux étapes de préchauffage de-l'air sont réalisées de la manière la plus avantageuse, Par exemple, l'étape a basse température peut autre assurée par la chaleur obtenue par prélèvement de vapeur à basse pression à partir de turbines, et l'étape à haute température, par recirculation nodérée et facilement réglable d'air chaud. Lorsque le réchauffeur d'air est utilisé dans une installation à turbine à vapeur et que la température de l'air amené dans lrespace intertubulaire du premier corps de chauffe est modérée (environ 100 à 1200C, par exemple), il est préférable de réaliser le dispositif 8 de préchauffage d'air à haute température sous forme d'un échangeur de chaleur 18 (figure 2) du type superficiel réchauffé par la vapeur à basse pression prélevée à la turbine (non représentée). Le fonctionnement du réchauffeur d'air ainsi réalisé est analogue au fonctionnement du réchauffeur précédemment décrit. Le réchauffeur d'air à corps de chauffe multiples résistant à la corrosion, faisant l'objet de l'invention est capable de fonctionner pendant une longue période de temps de manière s'Are , sans corrosion ni encrassement, dans des conditions où les tubes échangeurs de chaleur sont traversés pas des gaz à haute teneur en soufre. A l'heure actuelle, on a une expérience de 4 ans d'utilisation d'un réchauffeur d'air conforme à l'invention. En outre, ce réchauffeur d'air est capable de refroidir les gaz d'échappement d'une chaudière ou d'un four jusqu'à une température qui n'est supérieure que de 30-400C à la température de l'air amené au premier corps de chauffe. Même si celle-ci est portée à 1500C, la température des gaz d'échappement est maintenue à un niveau de 1800C. Le réchauffeur d'air conforme à l'invention permet d'améliorer les caractéristiques économiques d'une installation à turbine à vapeur grâce au fait que le dispositif de préchauffage d'air à basse température utilise la chaleur de la vapeur à basse pression prélevée à la turbine. Par exemple, dans une installation à turbine à vapeur d'une puissance de 300 MW, dans le foyer de laquelle on brûle un charbon à haute teneur en soufre, l'utilisation du réchauffeur d'air conforme à l'invention a permis d'améliorer l'efficacit! de 0,68. REVENDICATION Réchauffeur dair à corps de chauffe multiples résistant à la corrosion, du type comprenant un grand nombre de corps de chauffe (1, 2, 3, 4) reliés entre eux en série par des conduits d'air (5) de raccordement, chacun de ces corps de chauffe étant formé par des faisceaux de tubes échangeurs de chaleur (6) servant au passage des gaz de chauffe, un conduit (7) d'amenée d'air dans l'espace intertubulaire desdits faisceaux,relié au corps de chauffe (1) venant en premier (par rapport au sens d'écoulement de l'air), et dans lequel est monté un dispositif (8) de préchauffage à haute température d'une partie de l'air amené dans l'espace intertubulaire des faisceaux de tubes échangeurs de chaleur (6) dudit premier corps de chauffe (1), et un conduit de dérivation d'air (14) reliant le conduit d'amenée d'air (7) au conduit de raccordement (5) par l'intermédiaire d'un mélangeur (15) placé dans ce dernier, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (13) de préchauffage de l'air à basse température disposé dans le conduit d'amenée d'air (7) en amont (par rapport au sens d'écoulement de l'air) du dispositif (8) de préchauffage de l'air à haute température, le conduit de dérivation d'air (14) étant relié à la partie du conduit d'amenée d'air (7) comprise entre le dispositif (8) de préchauffage de l'air à haute température et le dispositif ( 13) de préchauffage de l'air à basse température.