Brevet FR2552207A1 — publié le 19850322

Récudprateur de chaleur céramique avectubes disposés les uns au-dessus des autres L'invention se rapporte 'à un récupérateur de chaleur càmique avec tubes disposés les uns au-dessus des autres. De tels récupérateurs servent à récupérer la chaleur des gaz brûlés fortement pollués et à hautes temperatures pour le préchauffage de l'air ou autres fluides gazeux non combustibles Le rendement optimal des récupérateurs céramiques dépend en particulier de la bonne étanchéité des tubes conduisant les gaz, de la résistance mécanique des tubes et de leur résistance au criquage, du dépt des poussières volantes entralnées par les gaz chauds et de la résistance à l'usure chimique du matériau céramique. La présente invention a pour objet de concevoir le récupérateur de façon à, garantir une bonne compensation des dilatations dans le sens vertical, d'une part, et dans le sens horizontal, d'autre parte a réaliser une étanchéité optimale des tubes assemblés, à simplifier le nettoyage du récupérateur du c 6 té des gaz brûlés et à obtenir aux points d'entrée et de 20 sortie des gaz de fumée une étanchéité optimal e vis-avis des fluides a préchauffer. Ce résultat est atteint selon l' invention par le fait qu'une extréemiité des tubes du récupérateur comporte une surface d'étanchéité annulaire à laquelle se raccorde un 25 embu apnuiaire conique et/ u que 11 autre extrém ite des tubos e'st munie d'une cellei Gtte carrée dans laquelle est :ag 'un joint de sectiou longitudinale en forme d Iescalier -t a i embout de l'autrs e xtrémité du tube Lle -ubc dcstinré au z Sécupérateur comporte hà l'une de 30 -:S, x+ mites une coiler;tte earrée A témté opposég le %ube esi mni d'un ermbout rond et conique qui s'adapte da.s la colle-ttet d un aulre tube en formant un join% n h e Danes;un od e réalisation ptartioullèrement pr-f-,rc, du tllibe, le joint en forme dlescalier des tubes du 3 X rrc;perasr cmnporte do'x étages, l étage supérieur étant Sovr lat un S surface verzicall et par une surface d'appui -orÀ, a,1 i i 7 airo e t, -polie X e % é,aga e sy rattachaint présentant une surface allant en se rétrécissant coniquement vers l'intérieur et une surface d'étanchéité annulaire qui s'étend jusqu'à la paroi interne des tubes du récupérateur. L'étanchéité est réalisée de la façon suivante: la surface d'appui polie est protégée contre les impuretés par deux joints verticaux qui sont remplis d'un matériau étanche Le joint réalisé conique et le joint horizontal s'appliquant du c 8 tê chaud sont remplis de ciment. Les tubes ont avantageusement, l'intérieur, une 10 section transversale ronde et, k l'ectérieur, une section transversale ronde ou octogonale. La section transversale octogonale confère au tube une surface externe d'environ 6 % plus grande que la section transversale ronde. Il est en outre prévu que la fente se formant entre l'embout conique et le joint en forme d'escalier lors de l'assemblage de deux tubes soit remplie d'un matériau étanche. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux une fenêtre rectangulaire est pratiquée latéralement dans quelques tubes. Pour l'entrée des gaz brûlés, quelques tubes comportent latéralement une ouverture en forme de fente. Les tubes sont avantageusement réalisés en carbure de silicium Si C. Le matériau de construction céramique doit avoir une bonne conductibilité thermique, être résistant aux attaques chimiques et étanche aux gaz Le matériau doit en plus 8 tre insensible aux changements de température, c'est-à-dire qu'il ne doit pas être sensible aux criques en cas de variations 30 rapides de température Le matériau de construction réfractaire Si C réunit en lui l'essentiel de ces caractéristiques. Selon une autre Caractéristique de l'invention, les tubes sont installés en couches superposées et chaque coucehe est constituée de rangées de tubes disposdes décalées les unes 35 par rapport aux autres, les creux en résultant dtant comblés par des pièces d'ajustage appropriées. La couche de tubes inférieure repose avantageusement sur une plaque perforée. Le récupérateur est constitué de plusieurs couches de tubes La couche de tubes inférieure est montée sur une plaque perforée réalisée en acier ou en fonte Les tubes de cette couche peuvent respectivement comporter sur le côté une ouverture rectangulaire, comme mentionné ci-dessus, pour la sortie des gaz brûlés Les collerettes carrées des différents tubes forment à l'extrémité supérieure une plaque fermée C'est sur cette plaque que repose la couche de tubes suivante. A la partie supérieure du récupérateur, les gaz de fumée s'écoulent dans une chambre déflectrice revêtue d'un matériau réfractaire Les tronçons supérieurs du faisceau de tubes sont réalisés de façon que les espaces intermédiaires autour des tubes puissent être remplis de ciment réfractaire. 15 Il en est de même pour la zone de transition à l'extrémité inférieure pour protéger la plaque de fond contre les effets de la température Les différentes couches de tubes sont constituées de façon que las tubes soient accolés en rangées décalées les unes par rapport aux autres, de telle sorte qu'il en 20 résulte des creux Ces creux sont comblés par des pièces d'ajustage Les pièces d'ajustage sont des demi-tubes dans le sens longitudinal Les ouvertures des demi-tubes sont remplies d'une masse réfractaire ou bien les pièces d'ajustage sont fabriquées à l'avance sous forme de pièces massives. Il est avantageux que l'espace libre autour des tubes juste au-dessus de la couche de tubes sous-jacente soit rempli de ciment réfractaire Les fentes entre les points de contact des collerettes sont étanchées avec des bandes de feutre. Pendant le montage de la couche de tubes suivante, 30 l'espace libre autour des tubes est d'environ 20 à 30 mm de haut et rempli de ciment réfractaire Les jointures au niveau des points de contact des collerettes sont étanchées au moyen de bandes de feutre de 56 mm de haut en fibres résistant aux hautes températures Les bandes de feutre sont collées d'un 35 côté et comprimées jusqu'à 2 mm pendant le montage On tient ainsi compte également de la dilatation horizontale des collerettes La dilatation verticale vers le haut du faisceau tubulaire est assurée par la plaque d'acier isolée dans une garniture marginale molle qui est réalisée en fibres résistant aux hautes températures et maintenue par des briques réfraetaires Les zones d'étanchéité décrites sont réalisées de façon que le faisceau tubulaire puisse se déplacer librement de bas en haut dans la bordure molle en matériau fibreux résistant aux hautes températures La dilatation horizontale des collerettes est absorbée par les garnitures de feutre décrites qui se trouvent au niveau de chaque collerette. Dans un mode de réalisation préféré du récupérateur, les tubes sont installés dans un corps muni d'une ouverture d'entrée d'air et d'une ouverture de sortie d'air et le corps est recouvert à son extrémité supérieure par une hotte d'admission des gaz de fumée amovible et/ou est fermé à l'extrémité 15 inférieure des tubes par une chambre collectrice. Le corps du récupérateur a une forme rectangulaire. Si le récupérateur, du fait de sa hauteur par exemple, ne peut pas être installé dans un local prédétermine, on peut alors le diviser en deux moitiés d'égale importance qui sont disposées 20 directement l'une à côté de l'autre Les caractéristiques de construction qui ont déjà été décrites pour le récupérateur en une seule partie s'appliquent également à chaque élément individuel du récupérateur en deux parties Toutefois, dans la partie du récupérateur conduisant des gaz moins chauds, le 25 côté entrée s'inverse et devient le c 8 té sortie. En ce qui concerne la contrainte thermique et l'étanchéité aux gaz exigée, l'inversion du sens de l'écoulement pour la partie conduisant les gaz moins chauds ne présente aucune difficulté particulière. Les ouvertures d'entrée et de sortie pour le fluide gazeux cédant et absorbant la chaleur sont choisies de façon qu'il se forme un contrecourant croisé Il est toutefois aussi possible de disposer les ouvertures de façon qu'il se forme soit un équicourant croisé, soit seulement un courant croisé. 35 Les gaz de fumée s'écoulent à travers les tubes Les tubes assemblés forment des parois lisses et rondes qui peuvent étre facilement débarrassées des dépôts s'y formant au moyen d'outils appropriés Pour permettre le nettoyage du faisceau tubulaire, le récupérateur comporte, à sa partie supérieure, une hotte d'admission des gaz de fumée amovible et, à son extrémité inférieure, une chambre collectrice (chambre de 5 nettoyage) La chambre est munie d'ouvertures pouvant être fermées de façon étanche aux gaz pour l'enlèvement des impuretés A leur extrémité inférieure, les tubes débouchent directement dans la chambre de nettoyage. Les avantages obtenus par l'invention résident en particulier dans le fait que le faisceau tubulaire, par suite de la bonne compensation des dilatations peut se déplacer librement sans rencontrer d'obstacle destructif, qu'il en résulte une étanchéité optimale des tubes assemblés, que le récupérateur peut 3 tre facilement nettoyé du côté des gaz brûlés et qu'au niveau des passages d'entrée et de sortie des gaz de fumée une étanchéiteé parfaite est réalisee vis 4 =vis du fluide à préchauffer (air). L'invention sera mieux eomprise à l'aide de la description de modes de réalisation pris comme exemples mais 20 %non simitatifs, et illusûrés par le dessin,an Oex 6 é sur loequel i.a figure 1 représente une coupe Iongitudinale d'un tube céramiique avee vues par en dessous et par audssu A 2 (fig 1 A) e% B (fge l B) des Jeux ex émits 2 la figure 2 représente le joint entre cdeux 'ubes 25 assemblés; la figure 3 représente une vrue en plan de la dispe sition d:une couche de tubes; la figure 4 représe', un tube avec f Getre e les figures 5 ou 5 A reprêse nt'e une piee dajusage avec rue par en dess:eas k (xig 5 A) de l' xtrm supieur du tube les figmures 6 " z W repréSenten unt au-tre mode de éa Zl;'ation tl le av-ee Vule par en dessous A la -fgero ? es 7 une cnps lng Atudincle od'un r Nteclera;teur céraniquslv la figure 8 est une coupe transversale suivant VIII-VIII du récupérateur selon la figure 7; la figure 9 représente un autre mode de réalisation d'un récupérateur céramique; la figure 10 est une coupe transversale suivant X-X du récupérateur selon la figure 9. La figure 1 représente en coupe longitudinale un tube céramique 14 avec vues par en dessous et par au-dessus A, B de ses deux extrémités 1, 4 La section transversale interne 10 13 du tube proprement dit 14 est ronde et la section transversale externe 36 octogonale L'extrémité supérieure 4 comporte une collerette carrée 5 L'extrémité inférieure est réalisée sous la forme d'un embout annulaire conique 3 auquel se raccorde une surface d'étanchéité annulaire 2 A l'intérieur 15 de la collerette carrée 5 est aménagé le joint 6 Il se compose de deux étages 7, 8 L'étage supérieur 7 comprend une surface verticale 9 et une surface d'appui 10 annulaire et polie à laquelle se raccorde le second étage 8 sous la forme d'une surface 11 inclinde coniquement vers l'intérieur et 20 d'une surface d'étanchéité horizontale 12. La figure 2 représente en coupe longitudinale la moitié de deux tubes assembles 14, 16 L'embout 3 du tube 14 est enfiché dans le joint 6 du tube 16 La surface d'étanchéité annulaire 2 est appliquée sur la surface d'appui polie 25 10 La fente 15 qui résulte de cet assemblage est remplie d'un matériau étanche 17. La figure 3 représente, vue en plan, la disposition de plusieurs tubes 19 réunis pour former une couche de tubes 22 Les collerettes carrées 5 sont accelées de manière a constituer des rangées de tubes 23 disposées décalées les unes à côté des autres Les creux 24 qui en résultent sont comblls au moyen de pièees d'ajustage 25. Les figures 4, 5 et 6 représentent d'autres modes de réalisation de tubes de récupérateur La figure 4 représente 35 un tube de récupérateur 18 muni d'une fenêtre 20 pour la sortie des gaz brûlés La pièce d'ajustage 25 destinée à combler les creux 24 de la couche de tubes 22 de la figure 3 est représentée vue par en dessous A sur la figure 5 La pièce d'ajustage 25 représente un demi-tube coupé dans le sens longitudinal L'ouverture de cette moitié de tube est remplie d'une masse réfractaire ou bien la pièce d'ajustage est fabriquée à l'avance sous forme de pièce massive La figure 6 avec vue par au-dessus A représente un tube raccourci 37 comportant un embout 38 Ce type de tube est prévu pour la couche 10 supérieure 41 du faisceau tubulaire du récupérateur qui débouche dans la hotte d'admission des gaz de fumée 31 de la figure 7. La figure 7 représente un mode de construction possible d'un récupérateur Il comprend un corps 33 pourvu d'une ouver15 ture d'entrée d'air 34 et d'une ouverture de sortie d'air 35. Le faisceau tubulaire 39 est logé dans le corps 33 Le faisceau tubulaire 39 se compose de plusieurs couches de tubes 29 telles qu'elles ont été décrites en référence a la figure 3 Le corps 33 b sa partie supérieure est fermé par une hotte d'admission 20 de gaz de fumée amovible 31 et à sa partie inférieure par une chambre collectrice 32 -Les tubes de la couche inférieure 26 sont montés sur une plaque perforée 27 (voir revendication 8) en acier ou en fonte Pour assurer l'étanchéité des passages d'entrée et de sortie des gaz brêlés vis-à-vis du fluide k pré25 chauffer, l'espace libre 28 de la couche de tubes 26 est rempli de ciment réfractaire Les fentes 30 au niveau des zones de contact des collerettes 5 sont étanchées par des bandes de feutre 21 (fig 3) constituées par des fibres résistant aux hautes températures d'une épaisseur d'environ 4 mme Les bandes 30 de feutre 21 sont collées d'un côté et comprimées sur environ 2 mm pendant le montage On tient ainsi compte de la dilatation horizontale des collerettes. La dilatation verticale vers le haut du faisceau tubulaire 39 est assurée par la plaque en acier 27 isoléeo Une garniture marginale molle 55 constituée par des fibres résistant aux hautes températures et maintenue par des briques réfractaires 40 assure l'étanchéité entre les différents courants de gaz. La couche de tubes supérieure 41 du faisceau tubulaire 39 est formée par les tubes 37 sans collerette carrée représentés sur la figure 6. Les gaz de fumée chauds pénétrant par l'ouverture d'entrée des gaz 42 s'écoulent dans la hotte 31 et de là dans le faisceau tubulaire 39 Cette hotte d'admission des gaz de 10 fumée est revêtue d'un matériau réfractaire Les gaz de fumée s'écoulent vers le bas à travers les tubes Les tubes assemblés forment des parois tubulaires lisses et rondes qui peuvent être facilement débarrassées des dépôts au moyen d'outils appropriées. Les gaz de fumée refroidis sont amenés à la chambre collectrice 15 32 puis évacués par l'ouverture de sortie 43. Pour permettre le nettoyage du faisceau tubulaire 39, le récupérateur comporte, en haut, une hotte d'admission de gaz brûlés amovible 31 et, k l'extrémité inférieure, une chambre collectrice 32 Les tubes débouchent à l'extrémité 20 inférieure directement dans la chambre de nettoyage. Pour la stabilisation du faisceau tubulaire 39, des couches réfractaires 44 sont prévues à des intervalles déterminés. La figure 8 représente une section transversale d'une 25 couche de tubes 29 du récupérateur selon la figure 7. Les figures 9 et 10 représentent un autre mode de réalisation d'un récupérateur Si par exemple la hauteur disponible d'un local est trop petite pour recevoir le récupérateur, ce dernier peut être divisé en deux moitiés 45 et 46 qui sont 30 directement disposées l'une à c 8 té de l'autre Les mêmes caractéristiques de construction qui ont été décrites pour le récupérateur en une seule partie sont également valables pour le récupérateur en deux parties représenté sur la figure 9. Dans la partie la moins chaude du récupérateur, le c 8 té entrée 35 s'inverse et devient le côté sortie. La couche de tubes inférieure 47 des deux parties 45 et 46 du récupérateur est constituée par les tubes 18 avec fenêtres 20 représentés sur la figure 4 Ces tubes servent à amener les gaz brûlés chauds de la partie 46 à l'autre partie 45 du récupérateur Les chambres collectrices 48 et 49 disposées en dessous des tubes 18 reçoivent les impuretés solides et peuvent être facilement nettoyéeso Les parties 45 et 46 du récupérateur sont reliées par les tubes 50 et 51 et comportent respectivement une hotte d'admission des gaz de fumée 52 et 10 une hotte d'évacuation des gaz de fumée 53 séparée Par ailleurs, les faisceaux tubulaires sont assembles de la m 9 me façon que dans le récupérateur en une seule partie de la figure 7 La figure 10 représente en coupe transversale les deux parties 45 et 46 du récupérateur Les ouvertures d'entrée et de sortie pour le fluide gazeux cédant et absorbant la chaleur sont choisies do façon qu'il se forme un contrecourant croisé, Il est cependsnt également possible de disposer les ouvertures de façon qunil se forme soit un équicourat croisé, soit seulement un courant 20 croise. REVENDICATIONS 1 Récupérateur de chaleur céramique avec tubes disposés les uns au-dessus des autres, caractérisé par le fait qu'une extrémité ( 1) des tubes ( 14, 19) du récupérateur com5 porte une surface d'étanchéité annulaire ( 2) à laquelle se raccorde un embout annulaire conique ( 3) et que l'autre extrémité ( 4) des tubes est munie d'une collerette carrée ( 5) dans laquelle est aménagé un joint ( 6) de section longitudinale en forme d'escalier adapté à l'embout ( 3) de l'autre extrémité 10 ( 1) du tube (fig 1). 2 Récupérateur céramique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le joint ( 6) en forme d'escalier des tubes ( 14, 19) du récupérateur comporte deux étages, l'étage supérieur ( 7) étant formé par une surface verticale ( 9) et par une surface d'appui horizontale ( 10) annulaire et polie, et l'étage ( 8) s'y rattachant présentant une surface ( 11) allant en se rétrécissant coniquement vers l'intérieur et une surface d'étanchéité annulaire ( 12) qui s'étend jusqu'à la section transversale ( 13) interne des tubes ( 14, 19) du récupérateur. 3 Récupérateur céramique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les tubes ( 19) ont, à l'intérieur, une section transversale ronde et circulaire ( 13) et, à l'extérieur, une section transversale ( 36) ronde et circulaire ou octogonale (fig 1 A, 8). 4 Récupérateur céramique selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé par le fait que la fente ( 15) se formant entre l'embout cenique ( 3) et le joint ( 6) an forme d'escalier lors de l'assemblage de deux tubes ( 14, 16) est remplie d'un matériau étanche (fig 2) 5 Récupérateur céramique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'une fenêtre rectangulaire ( 20) est pratiquée latéralement dans quelques tubes ( 18) (fig 4). 6 Récupérateur céramique selon l'une quelconque des 35 revendications précédentes caractérisé par le fait que les il tubes ( 14, 19) sont en carbure de silicium Si C. 7 Récupérateur céramique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérise par le fait que les tubes ( 19) sont installés en couches superposées et que chaque couche ( 22) est constituée de rangées de tubes ( 23) disposées décalées les unes par rapport aux autres, les creux ( 24) en résultant étant comblés par des pièces d'ajustage appropriées ( 25) (fig 3). 8 Récupérateur céramique selon l'une quelconque des 10 revendications précédentes, caractérisé par le fait que la couche de tubes inférieure ( 26) repose sur une plaque perforée ( 27) (fig 7). 9 Récupérateur céramique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'espace libre ( 28) autour des tubes ( 19) juste au-dessus de la couche de tubes sous-jacente ( 29) est rempli de ciment réfractaire ( 44) (fig 7). Récupérateur céramique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les 20 fentes ( 30) entre les points de contact des collerettes ( 5) sont étanchées avec des bandes de feutre ( 21) (fig 3). 11 Récupérateur céramique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les tubes ( 19) sont installés dans un corps ( 33) muni d'une ouverture d'entrée d'air ( 34) et d'une ouverture de sortie d'air ( 35) et que le corps ( 33) est recouvert à son extrémité supérieure par une hotte d'admission des gaz de fumée amovible ( 31) et/ou est fermé à l'extrémité inférieure des tubes ( 19) par une chambre collectrice ( 32) (fige 7).